对低温多效海水淡化国产化工作技术难点的分析及建议
摘要：本文通过对海水淡化产业发展前景和低温多效海水淡化技术发展前景的展望，对低温多效装置国产化技术难点的分析，总结吸收黄骅引进海水淡化工程经验，提出了对国华电力公司海水淡化国产化工作的建议。
关键词：海水淡化；低温多效；国产化；难点；分析；建议
1 海水淡化产业发展前景
海水淡化是指脱除海水中的大部分盐分，使处理后的水符合用水(如饮用水、锅炉补给水)标准的水处理技术总称。在21世纪人类将面临严重的淡水紧缺问题。对沿海城市和地区海水利用和海水淡化是解决淡水资源的有效措施之一，因为海水具有取之不尽、用之不竭的特点，是真正可持续利用的资源。
海水淡化是世界各国竟相发展的朝阳产业。20世纪70年代以来，大多数沿海国家由于水资源问题日益突出都卷入了海水淡化的发展潮流。目前，全球海水淡化日产量约3500万立方米左右，解决了1亿多人的供水问题。美国、日本、法国、以色列和韩国等国家，纷纷从国际海水淡化市场中获得了可观的利润。
我国是一个水资源严重短缺的国家。缺水已成为制约我国经济社会可持续发展的重大瓶颈。沿海特别是北方沿海地区是我国最缺水地区之一，2003年，北方沿海地区人口约2.11亿人，占全国总人口的16.3%，创造的GDP约占全国的23.9%。该地区人均水资源量仅为全国人均水平的19%，属于极度缺水地区。预测2010、2020年北方沿海四省（市），缺水量将分别达到166～255亿立方米和273～393亿立方米。蓄水、跨流域调水等传统措施，不能增加水资源总量，难以全面解决缺水的根本问题。北方沿海地区城市自来水价格相对较高，发展海水利用潜力巨大。
目前，随着我国经济的快速增长、综合国力的不断增强，我国海水淡化技术正面临着重要的发展机遇。二〇〇五年八月国家发展和改革委员会、国家海洋局和财政部，为促进沿海地区水资源的可持续利用，引导海水利用快速健康发展，联合颁布《海水利用专项规划》，提出：2010年目标我国海水淡化能力达到80～100万立方米／日，海水利用产业国产化率达60％以上，2020年目标我国海水淡化能力达到250～300万立方米／日，海水淡化国产化率达到90％以上。
2 海水淡化技术发展方向
海水淡化技术的种类很多，但适于产业化的主要有海水反渗透法（SWRO）和热力淡化法。热力法主要有多级闪蒸（MSF）、低温多效（MED）压汽蒸馏（TVC和MVC）技术。多级闪蒸（MSF）技术发展较早，在国际海水淡化市场上所占份额最高，但现在已经逐步下降。蒸馏法操作温度向低温移动是蒸馏法海水淡化技术的发展方向，低温化是降低造水成本的主要途径。国内外业界对海水淡化技术的优点指数的比较顺序为: MED＋TVC 、MVC、SWRO 、MSF。
低温多效海水淡化技术在较低的温度温下操作（最高温度不超过70℃），能耗低、设备材质腐蚀减轻，节省运行费用和设备投资。在水电联产项目中更具优势，可以利用汽轮机作过功的低压参数作为海水淡化装置的热源，使低压蒸汽的热量得到了充分的利用，提高了机组的热利用率，同时也大幅度地降低海水淡化的成本。因MED技术优势突出，近几年国应用外发展迅速，从资料显示，MED单台最大产水量超过25000立方米/天，并在世界各地已由多台运行业绩。国内近期建设的天津北疆电厂10万吨/日海水淡化装置和首钢京唐公司曹妃甸项目5万吨/日海水淡化装置，经过技术经济比较均选用了低温多效海水淡化技术，可见MED技术在国内也极具发展潜力。
近年来，由于反渗透膜技术的发展和价格的降低，海水反渗透技术应用发展迅速，由于海水反渗透技术设备初投资相对较低，已成为蒸馏法海水淡化系统的主要竞争对手。大容量的淡化装置一般在低温热力淡化（MED＋TVC）和海水反渗透淡化装置之间进行选择。大型海水淡化工程可综合考虑用热法与膜法技术，形成综合优势。
表1 “十一五”期间以提供城市（海岛）居民用水为主要目标的海水淡化重点项目规划表
| 序号 |
项目名称及 主要内容 |
方 法 |
规 模 (m3/d) |
完成年份 |
| 1 | 天津市海水淡化项目 | 热法/反渗透法（MED/RO） | 200,000 | 2009 |
| 2 | 山东烟台核能淡化项目 | 核能热法（MED） | 2×80,000 | 2008 |
| 3 | 辽宁葫芦岛市海水淡化工程 | 反渗透法（RO） | 30,000 | 2007 |
| 4 | 辽宁大连核能海水淡化项目 | 热法/反渗透法（MED/RO） | 160,000 | 2010 |
| 5 | 山东青岛黄岛海水淡化项目 | 热法/反渗透法（MED/RO） | 80,000 | 2009 |
| 6 | 浙江舟山、广东南澳等海岛海水淡化项目 | 反渗透法（RO） | 50,000 | 2006～2010 |
| 合计 | 680,000 | |||
3 低温多效海水淡化装置国产化技术难点分析
蒸发→冷凝的传热过程是低温多效海水淡化基本工作原理，蒸馏淡化海水的工艺是容易实现的。但如何海水淡化技术能有实际应用价值，关键是如何降低装置的能耗、降低淡水水价，其根本在于蒸发器的结构设计上和材料选择上如何强化传热，提高热能利用率。
蒸馏技术在不断发展，黄骅海水淡化厂选用的水平管降膜结构的低温多效蒸发器，是目前行业内公认的最新型的高效蒸发器，其换热器内部结构见图1，国际上知名的海水淡化制造商大都采用这种结构型式，海水淡化装置的换热管材主要采用铜合金和铝合金两种材料。在蒸发器总体结构设计和材料选择这些主要的方面，我们可以分享蒸馏技术研究的基本成果。总结黄骅海水淡化工程经验，推荐MED装置选择材料见表2。
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图1 水平管降膜结构的低温多效蒸发器内部结构示意图
表2. MED装置推荐材料选择
| 项目 | 基本选择 | 可替代选择 |
| 蒸发器 | ||
| 壳体 | 316L不锈钢 | 碳钢加防腐涂层（需设计上留有足够空间，方便及时检修修补涂层） |
| 交换管（顶部） | 钛 | |
| 交换管（其它） | 铝黄铜 |
钛； 铝合金（对海水水质要求较严格） |
| 管板 | 316L不锈钢 | |
| 除雾器 | 316L不锈钢 | 聚丙烯 |
| 热压缩机 | ||
| 蒸汽喷嘴、喷头和扩散器 | 316L不锈钢 | |
| 冷凝器 | ||
| 壳体 | 254 SMO2 | 合金904L |
| 交换管 | 钛 | |
| 管板 | 90/10铜镍合金 | 254 SMO |
| 水箱 | 90/10铜镍合金 | 254 SMO |
| 工艺泵 | ||
| 海水取水泵 | 316L不锈钢或Ni－D3B铸铁 | |
| 盐水泵 | 316L不锈钢或Ni－D3B铸铁 | |
| 蒸馏水泵 | 316L不锈钢 | |
| 管道 | ||
| 海水 | FRP（玻璃钢） | |
| 盐水 | FRP（玻璃钢） | |
|
蒸馏水 水 |
316L不锈钢 316L不锈钢 |
FRP（玻璃钢） |
3.1 蒸发器的工艺和结构设计是海水淡化装置设计的核心
（1）工艺设计上蒸发器传热面积的计算及流体阻力计算是难点
通常的低温多效蒸发设计计算步骤如下：确定设计的原始数据及选择数据→进行全装置的物料衡算及热量衡算→确定设备的型式，进行传热计算及流体阻力的计算，确定设备的大小和形状。
其中物料衡算及热量衡算可以利用成熟的公式，蒸发器传热面积的计算及流体阻力计算是难点。
蒸发器传热面积计算中，难点是总传热系数Ｋ的确定，国际上还没有很科学的得到公认的理论计算公式，需实验实测得出经验数据。因传热试验很难控制，实验条件不同，其结果各异，传热系数经验数据通用性较差。往往在进行具体设计工作时，理论推算和收集现场实际操作数据是同样重要的。通常获得Ｋ有两种方法：
①在类似设备上取得Ｋ的测定值，做出Ｋ随温度变化的曲线，为了便于计算可把它整理成公式；
②根据同类设备上的个别数据反推出壁和垢层的热阻，按式计算。
为了确定蒸发器的传热面积和结构，必须进行传热计算和流体阻力计算。对于降膜式蒸发器，液膜流速是很重要的数据。在一定操作条件下有一个最小液膜速度，小于这个数值；即会出现所谓“干点”而结垢，从而破坏正常操作。
（2）蒸发器布水系统、换热管排布置及不凝气体排放结构的设计是难点
将海水喷淋在水平的管束上，并在热交换器的表面形成很薄的水幕，可以提高热交换的效果。通过喷嘴将海水进行均匀地喷洒，有利于去除水中的气体并使海水以均匀的流量通过热交换器。从顶层到底部，海水均匀分布是保证最优热交换和防止结垢的必要条件。若布水系统的设计不合理，蒸发换热不均匀，就会很快引发换热面结垢问题。管束表面的水膜分布研究成果是各海水淡化制造商的关键技术。黄骅海水淡化供货商SIDEM公司与巴黎物理化学高等工程学校（ESPCI ）合作进行“管路表面水膜的控制”研究，其合作伙伴Pierre-Gilles de GENNES教授是1991年诺贝尔物理学奖获得者。通过分析制备海水在管路之间机械流动的特殊试验装置，研究管束的水膜状态（见图2），使得其制造的海水淡化装置有较低的能耗，且装置的运行可靠性得到保证。
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图2 海水在蒸发器管路表面流动形成水膜的状态
蒸发器海水进水分配的喷嘴也是各海水淡化设计制造商的专利产品。换热管的排布和间隙布置，如何保证每根换热管都形成均匀液膜以及达到最小液膜流速，是降低蒸发能耗的关键。
水平管式蒸发器冷凝传热强化研究表明，管内不凝气体的顺畅排除也是提高传热效率的关键，需研究应用新型高效的的不凝气体排放结构方案。
(3) 高效热蒸汽压缩技术技术研究和应用是降低制水能耗的一项关键技术
MED蒸馏装置与热蒸汽压缩技术相结合，利用蒸汽热压缩装置来进一步提高淡化装置的整体热效率，可以实现更好的能耗指标。法国SIDEM公司与其国家空气动力工程研究院（ONERA）合作“超音速汽流的控制技术”，其热压缩流体的完整模型见图3。正是由于这项研究成果应用于MED海水淡化系统上，才使SIDEM公司在国际市场上保持了领先的技术优势。
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图3 热压缩流体的模型
国内“十五”期间对高效蒸汽热压缩装置也进行了广泛研究，并在MED示范装置得到示范应用,但总的来说技术上还不够完善，处理负荷上还有待进一步提高。对热泵技术进行深入研究，重点解决蒸汽热压缩装置的结构形式、热力效率及与多效蒸馏淡化系统间耦合连接等关键问题，确定最佳的效间抽吸位置、动力生蒸汽物性参数（温度、压力）及用量。
（4）确定合理的造水比、级效数和换热面积是蒸发器优化设计的重点
在设计淡化装置效数时，需要考虑以下的因素：
为了最大限度减少水垢的沉积，浓盐水的最大温度不应超过63℃；
最后一效的水温应略高于冷却海水的温度；
在符合上述条件的温度范围内，计算蒸发器的效数需要考虑所需的单位热量消耗。这样有利于实现投资成本与运行成本的优化，以生产出最廉价的淡水。
事实上较低的能量消耗通常需要更高的投资。因为在符合条件的温度范围内效数越多，则两个连续效之间的净温度差就越小。根据热能交换方程，这个差值越小，为达到要求的热交换效果所需的热交换面积就越大。因此在效数增加时，为了达到规定的产水量，需要增加热交换器的面积，这也意味着需要采用更大的蒸发器并相应地增加建设投资。
造水比是海水淡化装置经济效益的直接体现，需结合能源费用和设备投资等多方面，经技术经济比较确定。因换热管材在设备费中的比例很高，因此从设计上必须尽量减少传热面积。在实际工程给定的条件下，需计算出造水比和总级效数n 种不同组合情况下，单位淡水产量所需传热面积，从而优化确定造水比和总级效数。
通过试验研究，开发低温多效海水淡化工艺的过程模拟计算软件，可以获得各效淡水流量、温度、压力、热负荷等详细的工艺参数，一方面可以对整个工艺设计的合理行进行分析，另一方面为具体的结构布置设计提供必要的基础数据。
3.2 新型阻垢药剂研究开发
多效蒸馏法海水淡化装置由于蒸发和传热过程同时在换热管表面进行，换热管束表面一旦结垢对设备换热效果的影响极大。海水淡化设备中的垢层主要有两种类型：一种为硬垢，主要成分是CaSO4，这种垢层不溶酸，也不溶于碱，与传热表面的结构度非常牢固。这种硬垢一旦形成，只能通过机械方式去除。另一种为软垢，主要成为分CaCO3，这种垢可通过对设备定期酸洗的方式得到去除。
MED技术通过控制顶效操作温度低于70℃，使换热设备上结垢的倾向性明显降低，但必要的防垢措施是必须的。目前国际上普遍采用的方式是在进料海水中加入一定剂量的阻垢剂，以防止垢层的形成。目前国内尚没有适用于蒸馏阀海水的淡化装置的阻垢剂，随着海水淡化技术的应用推广，阻垢剂的研究开发工作有很好的应用前景。
3.3 MED制造技术的关键点
蒸发器制造的关键技术是保证严密性，以保持运行真空度。重点解决装置工程放大设计、捕沫装置设计和结构优化、传热管与管板的连接密封、蒸发器变形控制及装置保温等工程和技术问题，形成大型淡化设备的自主成套加工制造技术。
3.4 MED设计软件、控制系统及运行维护规程等管理软件的研发
MED海水淡化技术作为系统工程，涉及多学科、多领域。系统研究过程的热力平衡，开发系统设计软件，将为MED海水淡化工程的建设提供技术上的依据。运行监控软件的开发，则将实时监测装置的操作参数变化，调整操作状态，优化系统操作。
国外也有因运行操作不当，蒸发器投运后很快严重结垢失效的案例。研究MED设备安装调试导则、维修维护规程、运行操作规程等，为保证海水淡化装置的稳定运行提供有力保障。
4 吸收黄骅海水淡化工程引进技术的意义
通过国产第一套3000吨/日MED设备运行情况的了解，可以看出国产MED设备还有很多技术难点没有突破：国产MED设备的结垢问题控制不太理想，运行初期就发生了比较严重的不均匀结垢问题。虽经酸洗，除垢效果并不理想。结垢将恶化换热，大大增加运行的能耗，降低淡水产量。因此，分析认为国产MED设备布水系统的布置还需优化。在黄骅MED设备冷态循环状态下运行人员可以进入蒸发器直接观察实际喷淋效果，有利于发现和处理喷淋不均问题，国产MED的设备没有此方面考虑。国产MED设备对工艺过程的控制、监视、报警和保护不完善，例如没有设计断水停止进蒸汽的连锁保护，试运过程曾发生海水进水事故中断，蒸汽不能自动停止，造成换热管材严重过热故障。
可见，充分消化和吸收黄骅海水淡化引进的技术，在海水淡化设备的设计研发过程中，可以走很多捷径。
（1）提供试验、测试设备
黄骅海水淡化装置采用了国际上的最新型的高效蒸发器，经运行考验，各项性能都达到设计要求。通过对该设备的测量、计算，可以得到总传热系数Ｋ这一关键设计参数，并且对该设备设计参数的分析、计算，有助于我们编制低温多效优化设计计算软件，达到能够根据不同原始数据作出最优化的设计，掌握低温多效海水淡化装置的核心设计技术。
对蒸发器换热管束布置及喷嘴结构设计的特点进行研究，能够提高设计的合理性。
（2）借鉴设备制造、安装和运行维护的标准
收集国外海水设备在材料选择、加工制造以及安装施工依从的国际标准,研究和借鉴对国外海水淡化的运行维护规程，通过工程实践应用加以完善，以形成国产海水淡化设备质量的技术保证体系。
（3）提供系统的P&ID图
对工艺成熟的海水淡化系统的P&ID的分析研究，有助于完善控制系统的设计，提高装置运行的可靠性。
（4）因热法海水淡化的研究应用在国内刚刚起步，应用经验较少。通过黄骅海水淡化工程实践，积累了宝贵的实际工程经验，培养了国华公司自己的海水淡化专业人才。
5 对国华电力海水淡化国产化工作的建议
二〇〇五年八月国家发展和改革委员会、国家海洋局和财政部，联合颁布《海水利用专项规划》，对海水利用和海水淡化工程提出很多鼓励性政策。我国缺水沿海城市的经济快速增长，也为海水淡化技术的发展提供重要的发展机遇。
黄骅电厂海水淡化工程得到国内外业界的广泛关注，2×1万吨/日大型海水淡化装置的在国内率先成功运行，在海水淡化应用领域为国华电力赢得了良好声誉。在国华电力正确决策的支持下，如能加快对引进技术的消化吸收，以热法海水淡化成套设备的设计为核心，开展国产化创新研发工作，形成自主知识产权的海水淡化设备设计和制造技术。以国华内部海水淡化工程为依托，通过为海水淡化工程的提供咨询或工程总承包的型式，逐步进入国内和国际市场，形成海水淡化产业的规模效益，将大大降低工程造价及制水成本。
但是受到国家对跨地区调水的政策性补贴，以及海水淡化技术发展的制约，虽然目前海水淡化制水成本已可以降低到5元/吨水左右，仍高于居民用水水价。另外，海水反渗透技术因初投资低的优势，有很强的竞争力。从经济效益方面考虑，对热法海水淡化的技术研究应用规模和发展速度定位的还应慎重建议专题研究，。
对国华电力海水淡化国产化工作的建议如下：
（1）确定国华内部海水淡化的牵头主体单位
国华内部海水淡化的牵头单位，明确其职责为主体研发单位，研发单位必须有海水淡化的专业技术带头人，配备一定的专业人员，能够组织协调研发工作有序开展。
（2）确定与研究机构的合作方式
为掌握海水淡化的核心技术，建议确定国华公司内部的牵头单位为研发主体，自行独立完成蒸发器设计及系统设计。在传热面积和流体阻力计算软件的编制等难度较大的工作，可以分成几个分项目，与国内的知名大学或研究机构合作开发，或委托开发，或直接购买研究成果及专利。
（3）合国内的制造厂
可以通过与正规机械制造厂联合的方式，委托蒸发器的加工。考虑到低温多效蒸发器体积庞大，陆地运输成本很高，选择的制造厂须靠近港口，便于运输。
（4）争取外部研究经费
国家发改委和科技部对海水淡化国产化研究工作均有一些的支持政策。如成功申请海水淡化国产化范示项目，不但争取到外部的研究费用，减少工程的资金投入，还可以提高国华电力海水淡化技术国产化研究工作的知名度，有利于进入国内和国际市场。
（5）加快黄骅二期海水淡化工程进度
据悉，国内近期低温多效海水淡化工程，仍然与黄骅一期工程一样，采取国际招标方式引进进口设备。如国华电力抓紧消化吸收一期的引进技术，开展黄骅电厂二期工程海水淡化设备的研发设计工作，确保项目尽快投运。不但满足黄骅电厂二期工程的用水需求，还可以通过此项目的成功，尽快开拓国内海水淡化市场。
参考资料：
[1] 《海水利用专项规划》2005-08,国家发展和改革委员会、国家海洋局和财政部联合颁布
[2] 《化工百科全书第六卷海水淡化》王世昌. 化学工业出版社，1994. 665~697
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