低温多效海水淡化阻垢剂动态模拟装置设计及试验方法

张 杰，张怀军

（山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003）

0 引言

水是人类生存及工业发展所必需的宝贵资源。随着工业的高速发展，地区淡水资源不足问题越发突出，甚至成了制约当地工业发展的瓶颈。滨海地区建设海水淡化设施是解决淡水资源不足的主要途径，膜法（反渗透、电渗析）与蒸馏法是目前已商业化的主流工艺。相对于反渗透技术，低温多效蒸馏技术（蒸馏法）因其直接利用发电机组中低压抽汽、热利用效率高、预处理水质要求和运行费用低的特点而在滨海电厂海水淡化具有更好的应用前景［1］。海水淡化过程中，换热器表面结垢问题是影响海水淡化效率的关键因素，系统运行过程中在原海水中添加阻垢剂是控制系统结垢的主要手段，阻垢剂性能的好坏直接影响设备的运行周期及效率、酸洗频率，进而影响系统的运行成本及设备寿命。

海水淡化运行过程中，海水被蒸发浓缩，具有在换热管表面结垢的倾向，所以原料海水中要加入阻垢剂，抑制运行过程中的结垢，阻垢剂本身的性能及加药浓度、运行温度、浓缩倍数等运行参数都是影响蒸发器内换热表面结垢速率的重要因素。

国内使用的阻垢剂一般为进口产品，成本相对较高。如果考虑节省运行成本，使用新的阻垢剂方案，安全的做法是在小型装置上进行动态模拟试验，充分验证该阻垢剂在该工艺条件下的适用性、稳定性、阻垢效率，并通过模拟试验确定最佳加药量、极限浓缩倍率等控制参数。实际的结垢速率会受到水质、温度、换热管表面特性、喷淋流量、阻垢剂性能、浓度等一系列因素的影响，要使试验结论对工业海水淡化设备的运行具有指导价值，动态模拟装置必须尽可能真实反映工业海水淡化系统的实际运行工况。已有的阻垢剂动态模拟实验装置无法准确模拟低温多效海水淡化工艺的真实状态［2］。

1 低温多效海水淡化工艺流程

进行低温多效海水淡化专用阻垢剂性能的试验，必须了解该工艺海水淡化的工艺特点，以北疆电厂海水淡化为例对低温多效海水淡化的工艺流程进行介绍。

北疆电厂海水淡化采用基于蒸汽压缩循环的多效蒸馏工艺（MED），装置本体由14效蒸发器和1台降膜式冷凝器（FFC）、1台强制循环冷凝器（FCC）组成。工艺流程如图1所示，单效蒸发器内部结构如图2 所示［3］。

图1 海水淡化工艺流程

图2 单效蒸发器内部结构

汽轮机5级或6级抽蒸汽作为海水淡化的动力蒸汽，经TVC（热压缩机）进入第1效蒸发器，释放潜热，凝结水回收到电厂补给水处理系统，第1效内喷淋的海水被加热蒸发产生的饱和蒸汽经除雾器后进入第2效，第2效内续释放潜热加热海水，蒸发产生的再生蒸汽进入第3效蒸发器，同时蒸汽冷凝水作为产品水被收集进入淡水闪蒸箱，冷凝蒸发过程逐级重复直至最后一级。最后一级蒸发器产生的蒸汽，一路进入降膜式冷凝器，未冷凝的多余蒸汽进入强制循环冷凝器，冷凝水作为产品水被收集到产品水缓冲罐，同时入料海水在降膜式冷凝器被脱气并加热［3］。

海水预处理系统合格来水，经离子阱和过滤器后，首先进入降膜冷凝器（FFC）进行预热并脱气，然后进入10～14效蒸发器，蒸发浓缩后的海水经中间入料泵A泵入6～9效蒸发器，进一步蒸发浓缩后的海水经中间入料泵B泵入3～5效蒸发器，继续蒸发浓缩后经中间入料泵C泵入1～2效蒸发器。

低温多效海水淡化是在较低温度下产生饱和蒸汽，所以整个系统必须在负压状态下运行。为保证系统足够的负压，配备了不凝气体（NCG）抽气三级喷射器以及启动抽气喷射器。

为防止海水蒸发浓缩后在管束表面结垢以及产生泡沫影响换热效率，系统设有阻垢剂加药及消泡剂加药。

系统额定运行参数如下。

各效浓海水温度第1～14效依次为70.4℃、68.6℃、66.6℃、64.8℃、62.6℃、60.6℃、58.3℃、55.9℃、53.4 ℃、52.0 ℃、50.5 ℃、49.0 ℃、47.5 ℃、45.9℃；进第1效蒸汽温度为71.9℃；凝结水温度为71.4℃；降膜冷凝器出水温度为42℃；NCG出水温度为49℃。

喷射器TVC前蒸汽压力可变喷嘴500 kPa，固定喷嘴230 kPa；NCG蒸汽压力600 kPa；第1效压力33.7 kPa；降膜冷凝器压力壳侧8.13 kPa，管侧9.12 kPa。

进水质量流量 1～2 效为 600 t/h，3～5 效为485 t/h，6～9 效为 445 t/h，10～14 效为 400 t/h；蒸汽流量为 70 t/h；凝结水流量为 107 t/h；淡水流量为1 002 t/h；原料海水流量为 2 004 t/h；浓盐水流量为960 t/h。

阻垢剂加入量为14.1 L/h。

从整个系统工艺流程看，处于第1效蒸发器内的温度最高，海水的含盐量最大，是系统内结垢最易发生的位置。所以合格的阻垢剂必须保证在第1效蒸发器最恶劣条件下达到足够的阻垢效率。

2 动态模拟装置设计

基于低温多效工艺运行特点，设计了一种小型的低温多效海水淡化阻垢性能试验的动态模拟装置，可用于低温多效海水淡化系统阻垢剂性能试验，对新型专用阻垢剂筛选、研制、性能验证，以及阻垢剂浓度、极限浓缩倍率等系统运行参数的确定提供有效支持，为海水淡化系统运行参数控制提供指导，防止低温多效海水淡化系统换热面快速结垢。

所设计的小型动态模拟装置，可以安装在上下水齐全的实验室内，整套装置包括海水循环模块、蒸汽冷凝模块、热循环模块和抽真空模块4个组成部分。循环蒸发模块由补水箱⑬、蒸发器①、海水循环泵⑤、布水管④及相关 管道、阀门、流量计组成，旨在建立稳定工况下的海水循环；蒸汽冷凝模块由冷凝容器②、冷凝螺旋管⑨、淡水输出泵㉙及相应管道阀门组成，通过连接自来水为冷却介质，将装置运行时蒸发器内产生的饱和蒸汽凝结成产品淡水；热循环模块由热水箱⑱、热水循环泵⑲、自动温控电加热器㉒、换热管③及相应管道、阀门组成，用于提供海水连续循环蒸发需要的热量；抽真空模块由循环水箱㉓、真空循环泵㉔、射流喷射器㉖及相应管道阀门组成，通过循环泵的连续运行及射流喷射器的抽吸作用抽出不凝气体，用于建立和维持冷凝器、蒸发器内的真空。动态模拟装置如图3所示。

图3 动态模拟装置

装置主要部件的制作要求：1）蒸发器内的换热管应方便安装及拆卸，因为针对不同试验对象，换热管需要更换，试验完成后也需要拆下换热管对垢量及表面状态进行检查［4］；2）为便于模拟实验中对内部状况的随时观察，蒸发器和凝汽器最好采用透明材质，并能适应80℃的温度，强度上可以耐受完全真空造成的压力；3）所有需要接触海水的管道、阀门、泵体（循环蒸发器模块）、流量计的材质应能耐海水腐蚀。

3 动态模拟装置的试验方法及步骤

由于低温多效海水淡化系统运行时，第1效蒸发器内的温度最高，海水的含盐量最大，是系统内最易发生结垢的位置。所以试验的设计应模拟第1效的工况，从而验证阻垢剂方案是否能在最恶劣条件下达到足够的阻垢效率。

试验步骤如下。

第1步，试验准备。取一段换热管作为试验管件，安装到蒸发器内；取试验对象的海水（预处理后的）作为试验用水备用；抽真空水箱㉓及热水循环水箱⑱内加自来水或除盐水到泵运行所需的最低水位以上。试验海水加入原水贮水箱⑬内，至高位，阻垢剂按预定的浓度加入原水贮水箱，搅拌均匀；如蒸发器内有存水，放空。

第2步，建立海水循环。将原水贮水箱海水加入蒸发器①，液位不超过换热管③下沿。启动海水循环泵⑤，建立蒸发器—海水循环泵—蒸发器的海水循环，检查布水管喷水是否均匀，记录初始状态下蒸发器内液位读数。

第3步，建立真空。启动抽真空循环泵㉔，建立水循环，开启抽真空阀27○，对冷凝器及蒸发器抽真空，到压力表⑧显示8 kPa以下，继续保持抽真空，启动下一步。

第4步，系统升温。启动热水循环泵㉙，建立循环：热水箱—热水循环泵—蒸发器换热管—热水箱。建立正常循环后，设定温度在试验温度±1℃，投用电加热器，投入自来水冷却［4］。

第5步，稳定连续运行。1）循环海水通过换热管表面吸收热水循环系统的热量，海水温度不断升高，当海水温度达蒸发器内压力下的饱和温度，喷淋的海水在换热管表面蒸发，产生的饱和蒸汽进入冷凝器冷却成淡水，当冷凝器内淡水水位上升到高水位后（冷凝管下沿），启动淡水输送泵将淡水排出，调节淡水输送泵出口阀开度，保持冷凝器内液位相对稳定［4］。2）当蒸发器内的液位降低到拟定的浓缩倍率（浓缩倍率=初始状态下蒸发器内水容积/浓缩后水容积），先缓慢开启海水补水阀⑮，维持蒸发器内液位稳定，此时补水流量等于蒸发量，记录海水补水流量计⑯流量为作为稳态蒸发量F1，如果拟定的试验浓缩倍率为n，开启浓海水排污阀⑪，调节开度，使得浓水排放流量为F1/（n-1），调节海水补水阀开度，使得补水流量为nF1/（n-1），这样就建立了动态平衡状态，蒸发器内水位是稳定的，循环的海水离子浓度及阻垢剂浓度是基本稳定的。

第6步，试验结束停运。当试验进行到预定的期限，或换热管表面发现严重结垢或蒸发量明显减少，需要结束试验时，执行以下步骤：停加热器→停热水循环泵→关闭抽真空阀→停抽真空循环泵→关闭冷凝器冷却水进水阀→停淡水输送泵→关闭原水贮水箱出液阀→关闭浓海水排污阀→停海水循环泵→开蒸发器上的真空破坏阀破坏真空。取出试验用换热管，观察表面状况并进行垢量分析，用于阻垢性能的评价［4］。

4 结语

低温多效海水淡化工艺运行过程中，为了控制换热面结垢，必须投加阻垢剂，由于目前主要采用进口阻垢剂，成本高，是运行成本的主要组成之一。探索更为经济高效的阻垢剂替代品，将大大节省运行成本。但阻垢剂的替代必须建立在动态模拟试验的基础上，其可行性、有效性、安全性只有通过模拟试验来验证，参数控制（配比、加药量、pH值等）也需通过试验来确定。模拟试验最根本的要求是要尽可能模拟实际运行环境，这也是模拟装置和试验方法的设计原则。本设计的模拟装置，温度、压力、喷淋密度、浓缩倍率、阻垢剂浓度等参数均可调整设定，可以模拟低温多效海水淡化多种工况，为低温多效海水淡化阻垢剂的试验研究，探索经济合理的水质控制方案提供有力支持。