低温多效海水淡化加药系统优化研究

依庆文,郭 浩,邢兆强,赵达维,张 萌

(1.天津国投津能发电有限公司, 天津 300480;2.自然资源部 天津海水淡化与 综合利用研究所,天津 300192;3. 天津市中海水处理科技 有限公司,天津 300450)

海水淡化技术已成为解决日益严重的淡水危机的重要途径之一。低温多效蒸馏海水淡化技术(LE-MED),相比于多级闪蒸海水淡化,具有热效率高、操作温度低、不易结垢等特点[1],而且能够有效利用电厂或者钢厂的低品位工业余热进而降低造水成本,已经成为目前最主要的海水淡化技术之一[2]。天津国投津能发电有限公司海水淡化工程规模为20万t/d,采用低温多效蒸馏技术,工艺流程采用总体逆流串联、组内并联的方式(图1)。低温多效海水淡化系统以一系列水平管、降膜式蒸发器—冷凝器实现多效连接,在平衡的真空条件下通过连续的蒸发和冷凝,从给定量的低温输入蒸汽产生大量的产品水。其中,蒸发—冷凝器装置分成四个效组,每个效组分别包含2、3、4和5效。按照它们在蒸发器列中的排列位置,下文中对这些效组的简称分别是:1效至2效(第Ⅰ效组)称“热”效组,3效至5效(第Ⅱ效组)和6效至9效(第Ⅲ效组)称“温”效组,10效至14效(第Ⅳ效组)称“冷”效组[3]。

图1 北疆电厂低温多效海水淡化工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of LT-MED

该装置自2010年投产以来,采用入料口单点加药方式运行。如果按照首效结垢情况设计最大阻垢剂投加量,会导致全流程药剂投加量大增,且沿程损失较大,不仅达不到好的运行效果,而且造成药剂大量浪费。通常日常运行中,药剂投加量采用折中方案,由于海水淡化系统各效体内的温度、水质及运行工况不同,导致各效体出现显著差异的结垢情况,主要表现为:靠近首效的效体由于浓海水盐度高、蒸发温度高,出现了严重的结垢情况;而靠近末效的效体则由于海水浓缩倍率和温度较低,仅出现轻微的沉积垢。从而造成了长期运行后的严重结垢情况,必须定期对结垢严重的效体进行额外的酸洗作业,大大增加了海水淡化系统的运行成本。

近年来,国外学者除了针对LT-MED系统本身开展工艺优化研究[4]之外,还开展了海水淡化和其他系统耦合的多目标优化研究,包括MED-TVC-RO混合淡化系统[5]、太阳能驱动海水淡化[6]以及燃气发电厂余热海水淡化系统[7]等。国内学者则在LE-MED系统工业设计及优化方面[8-10]开展了很多工作,同时,对于LT-MED运行优化方面的研究工作也日臻完善,尤其在入料方式[11]、化学清洗[12-13]、腐蚀结垢分析[14]等方面取得了一定进步。但是占据海水淡化日常运行成本比重较大的药剂使用效率的提升仍待完善。研究针对北疆电厂逆流式LT-MED系统各效组水质特征、运行工况存在显著差异的情况下,开展加药系统优化研究。首先,对不同效组进行水质稳定性评价,然后根据不同效组结垢倾向差异开展各效组最优加药量实验。然后,针对北疆电厂低温多效海水淡化装置特点,将原来单一入料口加药方式改变为向不同效组同时差异化多点加药方式,并完成现场改造。最后,通过现场运行试验,检验加药系统运行效果,并结合运行工况和水质监测,对加药系统优化后的海水淡化系统运行效率及药剂节约成本进行评估。

因此,开展低温多效海水淡化加药系统优化研究具有良好的应用前景和现实意义,对于海水淡化系统的经济高效稳定运行具有重要意义。研究对大型低温多效蒸馏海水淡化加药系统优化运行起到了技术支撑和实践指导作用,对提高我国海水淡化技术的运行管理工作水平提供了有益尝试。

1 海水淡化各效组蒸发器水质稳定性评价

1.1 水质检测方法

分别选取低温多效海水淡化系统的入料水(对应第Ⅳ效组)、中间入料水A(对应第Ⅲ效组)、中间入料水B(对应第Ⅱ效组)和中间入料水C(对应第Ⅰ效组)四个点位的水样进行水质检测,分别用于判断海淡装置各效组的水质特征和变化规律。水质检测项目及标准见表1。

表1 水质检测项目及标准Tab.1 Items and standards for water quality testing

1.2 水质稳定性评价

针对各效组的水质特征,分别采用Langelier(LSI)[15]、Ryznar(RSI)[16]、Puckorius(PSI)[17]指数等进行各效组水质稳定性评价。三个指数均基于碳酸钙沉淀溶解平衡而建立,其中LSI亦称饱和指数,通过计算水的实际pH值与该水在碳酸钙饱和时的pHs之差(LSI=pH值-pHs),判断碳酸钙是否结晶析出进而评价水的结垢或腐蚀趋势;RSI又称稳定指数,RSI=2pHs-pH值,是LSI的半经验改进指数,该指数更适用于高硬度和高碱度的水质条件,一般认为pH值在6.5～8.0时较准确[18];PSI亦称结垢指数,PSI=2pHs-pHeq,该指数采用平衡pHeq代替实际pH值修正RSI,属于纯经验指数,对于pH值>8.0的水体结垢预测准确性较高[19]。

以海淡装置各效组的典型水质检测结果平均值作为计算依据,进行第Ⅰ效组至第Ⅳ效组的水质稳定性评价,评价标准为:LSI>0有产生碳酸钙沉积的倾向;RSI<3.7严重结垢,3.7

图2 低温多效海水淡化各效组结垢倾向评价结果Fig.2 Evaluation results of scaling tendency for different evaporators of LT-MED

2 海水淡化各效组蒸发器最优加药量试验

2.1 阻垢性能测试方法

阻垢性能测试参照《GB/T 16632-2008 水处理剂阻垢性能的测定 碳酸钙沉积法》进行。试验开始时,将1 L水样倒入烧杯中,空白组不加阻垢剂,试验组加入定量的阻垢剂(2、4、6、8 mg/L),置于设定温度(70、65、55和50 ℃)恒温水浴锅中敞口加热蒸发,体积浓缩至500 mL时,用玻璃盖片盖住杯口保持液位恒定,持续加热至24 h,取出烧杯,带温度降至室温后检测。

用EDTA络合滴定法测定试验前后溶液中钙离子浓度,可以计算出每组试验的钙离子损失率(Y1),见公式(1)。

Y1=(C1-C2)/C1×100%

(1)

式中:Y1为钙离子损失率,单位%;C1为试验前溶液钙离子浓度,单位mg/L;C2为试验后溶液剩余钙离子浓度,单位mg/L。

此外,通过EDTA络合滴定法测定加药组和不加药组的剩余钙离子浓度,可以计算出不同加药浓度的阻垢率(Y2),见公式(2)。

Y2=(C4-C0)/(C3-C0)×100%

(2)

式中:Y2为阻垢率,单位%;C0为未投加阻垢剂时剩余钙离子浓度,单位mg/L;C3为初始溶液钙离子浓度,单位mg/L;C4为投加阻垢剂时剩余钙离子浓度,单位mg/L。

试验用阻垢剂为以色列IDE技术有限公司生产的ID 206AS阻垢剂,浅黄色澄清液体,密度1.18 g/cm3,pH值2.35,固含量22.1%。

2.2 试验条件的确定

通过水质检测和现场数据采集,确定了北疆海淡装置各效组的典型运行工况(浓缩倍率和最高运行温度),见表2。因此,采用表中所列条件进行各效组阻垢剂最优投加量试验研究。需要说明的是,如果入料水质和运行工况发生变化,则需要重新对不同效组进行取样,通过水质、水温检测确定各效组的实际浓缩倍率和浓盐水温度,进而调整试验条件。

表2 低温多效海水淡化各效组典型运行工况Tab.2 Typical operating condition for different evaporators of LT-MED

2.3 阻垢性能测试结果

(1)钙离子损失率

不同阻垢剂投加量条件下的钙离子损失率变化情况见图3。由图3可知,不投加阻垢剂时,第Ⅰ效组的钙离子损失率可达12.1%左右,第Ⅱ效组约为9.3%,第Ⅲ效组约为5.1%,第Ⅳ效组约为2.0%。说明第Ⅰ效至第Ⅲ效组结垢明显,第Ⅳ效组结垢轻微。此外,各效组的钙离子损失率随阻垢剂投加量的增加呈显著下降趋势,当投加量为2 mg/L时,四个效组的钙离子损失率分别降低至为3.7%、1.5%、0.1%和0.1%,低于5%的运行控制标准。

图3 低温多效海水淡化各效组钙离子损失率变化规律Fig.3 Variation of calcium ion loss rate for different evaporators of LT-MED

(2)阻垢率

不同阻垢剂投加量条件下的阻垢率变化情况见图4。由图4可知,各效组的阻垢率随阻垢剂投加量的增加呈显著上升趋势。根据阻垢率不低于90%的运行标准,第Ⅰ效组的阻垢剂投加量应不低于6 mg/L,第Ⅱ效组的投加量应不低于4 mg/L,第Ⅲ效和第Ⅳ效组的投加量应不低于2 mg/L。因此,设定四个效组的最优投加量分别为:6、4、2、2 mg/L。

图4 低温多效海水淡化各效组阻垢率变化规律Fig.4 Variation of scale inhibition rate for different evaporators of LT-MED

3 加药系统优化改造及运行效果评价

3.1 加药系统改造

根据低温多效海水淡化装置特征,确定加药线路改造方案为:保留入料口加药点位,直接对Ⅳ效组进行加药,然后通过在阻垢剂加药罐新增三台加药泵,并通过不锈钢管道分别引入中间入料水泵A、B、C进水管段对第Ⅲ效组、第Ⅱ效组和第Ⅰ效组进行多点同时加药。加药量由各加药泵控制,并设置止回阀和人工阀门,防止管道药剂逆流。加药线路改造方案示意图见图5。

图5 低温多效海水淡化加药线路改造示意图Fig.5 Schematic diagram of dosing line modification of LT-MED

3.2 现场试运行及效果评价

在北疆电厂5#海水淡化装置上开展多点加药系统改造,并进行为期四周的现场试运行,各效组的阻垢剂按照最优投加量设置,运行期间,定期采集水样、监测运行数据,并对运行效果进行评价。

(1)水质及垢样检测结果

现场试运行期间,每周对入料水、中间入料水A、中间入料水B、中间入料水C和浓盐水进行现场取样并检测,用于评估装置运行期间各效组的结垢情况。具体检测结果见表3。

表3 北疆电厂5#海水淡化装置多点加药试现场试验—水质检测结果Tab.3 Water quality test results of multi-point dosing test for 5# desalination unit in Beijiang Power Plant %

由表3可知,试运行期间,5#海水淡化装置各效体的浓缩倍率稳定,其中,第Ⅰ效组～第Ⅳ效组浓缩倍率始终稳定,其平均浓缩倍率分别为1.59、1.46、1.25和1.13,且各效组的钙离子损失率均处于1.0～1.9之间的超低水平,说明各效组均不发生明显结垢情况,多点加药的阻垢方案是可行的。

此外,对改造前后,5#海水淡化装置第Ⅰ效底部大致相同位置的垢样进行了采集,并通过X射线荧光分析仪(XRF)对垢样元素组成进行检测,结果见表4。由表4可知,加药系统优化前后S和Ca元素占比显著降低,即垢样中难溶的硫酸钙垢成分大大降低,说明加药系统优化后能够有效控制结垢倾向最严重的第Ⅰ效底部的结垢趋势。

表4 加药系统优化前后Ⅰ效底部垢样XRF分析结果Tab.4 XRF analysis of 1st-effect bottom scale samples before and after dosing system optimization %

(2) 运行状态评估

现场试运行期间,每日对5#海水淡化装置的运行参数进行记录,并将每周平均结果列于表5,用于运行状态评估。

表5 北疆电厂5#海水淡化装置多点加药试现场试验—运行数据记录Tab.5 Operation data of multi-point dosing test for 5# desalination unit in Beijiang Power Plant

由表5可知,现场试运行期间,海淡装置的入料水水量稳定在41 000～42 000 m3/d范围内,回收率介于0.35%～0.40%之间,造水比在14.5～16.0范围内变化,整体来看,海淡装置各项运行指标稳定,没有出现异常工况。

(3)加药量核算

现场试运行期间,每天对5#海淡装置的加药量进行统计,并将每周平均结果和总药剂节约量列于表6。

表6 北疆电厂5#海水淡化装置多点加药试现场试验—加药率统计Tab.6 Dosing rate statistics of multi-point dosing test for 5# desalination unit in Beijiang Power Plant

由表6可知,通过采用多点加药的方式,北疆电厂低温多效海水淡化5#系统的加药率由改造前的8.32 mg/L,降低至6.88～7.59 mg/L,药剂消耗量与平时单点加药方式相比,平均降低约14.46%。

(4)经济性分析

通过增加三台加药蠕动泵并布置加药管线进行加药系统优化,其投资成本仅为1.9万元/套,且蠕动泵最大功率50 W,运行成本相当低。因此,仅对改造前后阻垢剂加药量节省成本进行计算,结果见表7。由表7可知,通过实施加药系统改造,可直接降低淡化水制水成本0.05元/t。

表7 加药系统优化前后阻垢剂成本估算结果Tab.7 Cost estimation results of scale inhibitor before and after dosing system optimization 元/t

4 结论

1)低温多效海水淡化装置四个效组的水质特征差异明显,具有不同程度的结垢倾向,尤其是第I效组,其结垢倾向严重,需要着重进行结垢控制,而其后效组结垢倾向依次降低。

2)通过静态阻垢性能评价试验,确定低温多效海水淡化装置第Ⅰ效组至第Ⅳ效组的阻垢剂最优投加量分别为:6、4、2、2 mg/L。

3)通过新增中间入料水泵A、B和C三个加药点位对北疆电厂5#海水淡化装置进行改造,实现了加药系统由单点单一剂量投加改变为多点差异化投加方式。经过现场运行试验,结果显示:试验期间水质稳定,各效组均不发生结垢现象,运行工况稳定,阻垢剂投加量平均节约14.46%,制水成本降低0.05元/t。

4)采用多点加药的方式对加药系统运行进行优化,既可以对不同效组的结垢问题进行针对性控制,又能显著降低系统加药量,节约运行成本,达到海淡系统运行提质增效的目标。