低溫多效海水淡化蒸發(fā)器變工況參數(shù)的研究

郭 翠，宋玉亮

（1.山東科達(dá)環(huán)境工程有限公司；2.濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東濰坊 261021）

引言

國(guó)內(nèi)沿海地區(qū)淡水資源的缺乏不僅給人民生活帶來(lái)了極大的不便，而且嚴(yán)重阻礙了地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［1］。為緩解沿海地區(qū)淡水資源缺乏的局面，充分利用當(dāng)?shù)刎S富的海水資源，可采用建設(shè)較大規(guī)模的水熱電聯(lián)產(chǎn)的海水淡化廠，以同時(shí)解決電廠自用水和周邊地區(qū)生產(chǎn)生活用水需求。多效蒸餾海水淡化技術(shù)是比較早成功推廣使用的海水淡化技術(shù)之一，其原理與常規(guī)蒸餾技術(shù)相同，是利用高溫蒸汽與海水的溫差進(jìn)行熱交換后，再將從海水中蒸發(fā)出的水蒸汽冷凝成液態(tài)水并收集得到淡水，但因該技術(shù)存在較嚴(yán)重的結(jié)垢和其它問(wèn)題限制了多效蒸餾法的發(fā)展［2］。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫多效海水淡化技術(shù)逐漸得到認(rèn)可，通過(guò)控制海水工作溫度在70 ℃以下，使結(jié)垢大大降低，技術(shù)的優(yōu)勢(shì)日漸凸顯，已成為海水淡化領(lǐng)域內(nèi)主流技術(shù)之一。低溫多效海水淡化運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，對(duì)海水水質(zhì)和預(yù)處理要求較低，產(chǎn)出的淡水水質(zhì)高，僅需簡(jiǎn)單處理就可以直接作為鍋爐水的補(bǔ)給水，淡化過(guò)程所需熱源可利用火力發(fā)電廠汽輪機(jī)作過(guò)功的低位熱源，使低壓蒸汽的熱量得到充分利用，同時(shí)大幅度降低了海水淡化的運(yùn)行成本。此外，低溫多效裝置與熱蒸汽壓縮技術(shù)相結(jié)合（LT-TVC-MED），通過(guò)蒸汽熱壓縮器（TVC）來(lái)提高海水淡化裝置的造水比和熱效率，達(dá)到更低的能耗，降低海水淡化廠碳排放量。由于低溫多效海水淡化技術(shù)在利用低溫余熱進(jìn)行海水淡化方面優(yōu)勢(shì)突出，發(fā)展迅速，在國(guó)內(nèi)外已有眾多運(yùn)行的實(shí)例，其中天津北疆電廠、黃驊電廠和首鋼京唐公司海水淡化工程均為國(guó)內(nèi)較早采用低溫多效海水淡化技術(shù)建設(shè)的項(xiàng)目。

為了研究低溫多效海水淡化蒸發(fā)器的工作性能，研究設(shè)計(jì)低溫多效海水淡化蒸發(fā)器理論計(jì)算模型。在不同工作條件下，對(duì)低溫多效海水淡化蒸發(fā)器的工作參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)影響海水淡化蒸發(fā)器工作性能的因素進(jìn)行分析，同時(shí)與已經(jīng)投產(chǎn)的某電廠海水淡化蒸發(fā)器運(yùn)行參數(shù)比對(duì)，為海水淡化蒸發(fā)器的實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)行提供參考。

1 低溫多效海水淡化蒸發(fā)器模型

1.1 工藝流程

低溫多效海水淡化蒸發(fā)器是一種橫管降膜式蒸發(fā)裝置［3］，如圖1 所示，其特征是將一系列的水平噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)起來(lái)，經(jīng)過(guò)預(yù)熱的海水被均勻地噴淋到蒸發(fā)器的換熱管上，并沿?fù)Q熱管以薄膜形式向下流動(dòng)，在低于大氣壓力下，將定量加熱蒸汽輸入首效蒸發(fā)器，這樣海水吸收管內(nèi)蒸汽冷凝釋放的潛熱而蒸發(fā)，前一效蒸發(fā)的蒸汽進(jìn)入下一效，作為下一效的輸入能量，在下一效內(nèi)重復(fù)上一效過(guò)程（溫度均低于前一效），通過(guò)多次蒸發(fā)和冷凝，從而得到數(shù)倍于輸入蒸汽量的淡水。

圖1 LT-TVC-MED 工藝流程圖

模擬蒸發(fā)器模型按4 效水平降膜蒸餾過(guò)程設(shè)計(jì)，為了提高能量的利用率，當(dāng)利用發(fā)電機(jī)組抽汽作為動(dòng)力蒸汽時(shí)，使用蒸汽熱壓縮器（TVC）將末效二次蒸汽作為引射流體抽回，使得蒸汽熱壓縮器出口加熱蒸汽的壓力降至第一效蒸發(fā)器凝結(jié)溫度所對(duì)應(yīng)的壓力，再經(jīng)過(guò)減溫器調(diào)節(jié)到飽和狀態(tài)?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備加工的便利，該模型按照每一效蒸發(fā)器的大小和換熱面積相等設(shè)計(jì)。

根據(jù)整個(gè)蒸發(fā)器系統(tǒng)質(zhì)量守恒和能量守恒的定律，考慮到蒸發(fā)器的熱損失對(duì)能量平衡的影響，建立整個(gè)蒸發(fā)器系統(tǒng)物料平衡方程與能量平衡方程［4］。

1.2 蒸發(fā)器物料衡算

對(duì)總蒸發(fā)量的物料衡算：

對(duì)任意一效的物料衡算：

式中：D—總蒸發(fā)量（產(chǎn)水量），t/h；

Dn—第n效二次蒸汽量，t/h；

G—海水進(jìn)料量，t/h；

gn—第n效濃鹽水量，t/h；

C0—海水濃度，%；

Cn—第n效濃鹽水濃度，%；

C濃—濃鹽水排出濃度，%。

1.3 蒸發(fā)器熱量衡算

考慮海水過(guò)冷度和蒸發(fā)器熱損失的影響，在各效濃鹽水直接排出的工藝條件下，蒸發(fā)器的熱量衡算：

式中：η—蒸發(fā)器的傳熱效率，%；

D0—加熱蒸汽量，t/h；

r0—加熱蒸汽的冷凝潛熱，kJ/kg；

rn—第n效二次蒸汽的汽化潛熱，kJ/kg；

Gn—第n效海水進(jìn)料量，t/h；

Cpn—第n效進(jìn)料海水的比熱，kJ/（kg·℃）；

tn′—第n效進(jìn)料海水的溫度，℃；

tn—第n效蒸發(fā)器工作溫度，℃。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

以4 效蒸發(fā)器為計(jì)算模型，每效均采用平均進(jìn)料模式，濃鹽水和產(chǎn)出的淡水分別通過(guò)U 形管逐效累計(jì)排出。

2.1 末效工作溫度不同時(shí)工況分析

計(jì)算中設(shè)定蒸發(fā)器的工作參數(shù)：淡水產(chǎn)量300 t/h（包括TVC 抽回的部分末效二次蒸汽），凝汽器入口海水溫度38 ℃（經(jīng)過(guò)預(yù)熱），首效的海水噴淋溫度59 ℃，其它各效海水噴淋溫度52 ℃，進(jìn)料海水鹽度為3.1%，排出濃鹽水鹽度4.65%，蒸發(fā)器的傳熱效率98%，TVC 的引射系數(shù)為1.3。作為分析，末效工作溫度分別設(shè)定為54.5 ℃、56 ℃和57.5 ℃，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表1 中可以看出，在傳熱效率和TVC 引射系數(shù)不變的情況下，動(dòng)力蒸汽流量隨末效工作溫度的升高而降低，從而使造水比相應(yīng)提高。但也能看出動(dòng)力蒸汽流量降低的幅度比較少，而且較低的能量消耗通常需要更高的投資，末效溫度降低的同時(shí)，每效之間的溫差也越低。由熱計(jì)算基本方程可得，為了實(shí)現(xiàn)相同的熱交換效果，溫差越小熱交換面積就越大，即需要采用更大換熱面積的蒸發(fā)器，相應(yīng)的設(shè)備制造和土建建設(shè)投資都需要增加。

表1 蒸發(fā)器動(dòng)力蒸汽流量及造水比隨末效溫度的變化表

2.2 蒸發(fā)器傳熱效率不同時(shí)工況分析

設(shè)定蒸發(fā)器的工作參數(shù)：淡水產(chǎn)量300 t/h（包括TVC 抽回的部分末效二次蒸汽），凝汽器入口海水溫度38 ℃（經(jīng)過(guò)預(yù)熱），首效海水噴淋溫度59 ℃，其它各效海水噴淋溫度52 ℃，進(jìn)料海水濃度3.1%，濃鹽水排出濃度4.65%，末效工作溫度為54.5 ℃，TVC的引射系數(shù)為1.3。作為分析，蒸發(fā)器的傳熱效率分別設(shè)定為98%，98.25%，98.5%，98.75%，99%，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 蒸發(fā)器動(dòng)力蒸汽流量及造水比隨傳熱效率的變化表

由表2 可知，在蒸發(fā)器工作溫度和TVC 引射系數(shù)一定的情況下，動(dòng)力蒸汽流量隨傳熱效率的提高而減少，從而使造水比相應(yīng)提高，而且動(dòng)力蒸汽流量減少的幅度比較大。可見(jiàn)提高傳熱效率可以有效的降低能耗，提高造水比。

傳熱效率的大小主要受兩方面影響：一方面是蒸發(fā)器本身的熱損失，另一方面就是蒸發(fā)器的傳熱效果。蒸發(fā)器本身的熱損失與設(shè)備的保溫有關(guān)，蒸發(fā)器的傳熱效果則由總傳熱系數(shù)決定，總傳熱系數(shù)又受蒸汽溫度和流速，換熱管的材質(zhì)和管徑，海水噴淋密度，換熱管壁污垢熱阻等參數(shù)影響。

2.3 TVC引射系數(shù)不同時(shí)工況分析

設(shè)定蒸發(fā)器的工作參數(shù)：淡水產(chǎn)量300 t/h（包括TVC 抽回的部分末效二次蒸汽），凝汽器入口海水溫度38 ℃（經(jīng)過(guò)預(yù)熱），首效海水噴淋溫度59 ℃，其它各效海水噴淋溫度52 ℃，進(jìn)料海水鹽度3.1%，濃鹽水排出鹽度4.65%，末效工作溫度為54.5 ℃，蒸發(fā)器的傳熱效率為98%。作為分析，TVC 的引射系數(shù)分別設(shè)定為1.3，1.35，1.4，1.45，1.5，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3 可以看出，在蒸發(fā)器工作溫度和傳熱效率不變的情況下，動(dòng)力蒸汽流量隨引射系數(shù)的提高而減少，從而使造水比相應(yīng)提高，而且動(dòng)力蒸汽流量減少的幅度很大。雖然提高引射系數(shù)能顯著的減少能耗提高造水比，但是一方面，國(guó)產(chǎn)TVC 設(shè)備的引射系數(shù)一般比較低，設(shè)備穩(wěn)定性差，而進(jìn)口TVC設(shè)備的價(jià)格又很昂貴；另一方面，TVC采用過(guò)高的引射系數(shù)，其實(shí)減少了從末效蒸發(fā)器進(jìn)入冷凝器的二次蒸汽量，結(jié)果導(dǎo)致冷凝器出口海水的溫度降低，海水的噴淋溫度降低，使噴淋海水的過(guò)冷度升高，不利于蒸汽潛熱的充分利用，會(huì)減少每效產(chǎn)生的二次蒸汽量，最終影響淡水的產(chǎn)量。

表3 蒸發(fā)器動(dòng)力蒸汽流量及造水比隨引射系數(shù)的變化表

3 結(jié)論

（1）在其他參數(shù)一定的情況下，提高末效蒸發(fā)器工作溫度能小幅度提高造水比，降低能耗，但要結(jié)合具體工程的建設(shè)面積，并考慮蒸發(fā)器成本的增加。

（2）在其他參數(shù)一定的情況下，提高傳熱效率能較大幅度提高造水比，降低能耗，傳熱效率主要由蒸發(fā)器的噴淋技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝等因素決定，某些參數(shù)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出。

（3）在其他參數(shù)不變的情況下，提高引射系數(shù)能很大幅度提高造水比，降低能耗，但國(guó)產(chǎn)蒸汽熱壓縮裝置（TVC）的技術(shù)還不夠完善，熱泵的處理能力和穩(wěn)定性不高，進(jìn)口的TVC 價(jià)格很高，而且過(guò)高的引射系數(shù)不利于冷凝器對(duì)進(jìn)料海水的預(yù)熱，最終會(huì)影響產(chǎn)水量。