2效100吨日海水淡化装置研究Word格式文档下载.docx
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ClassifiedIndex:
U.D.C:
DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineering
Candidate：
YueHaipeng
Supervisor：
Prof.ZhouShaoxiang
AcademicDegreeAppliedfor：
DoctorofEngineering
Speciality：
powerengineering
School：
Schoolofenergypowerandmechanicalengineering
DateofDefence：
June,2012
Degree-Conferring-Institution：
NorthChinaElectricPowerUniversity
华北电力大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：
此处所提交的硕士学位论文《2效100吨/日海水淡化装置研究》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。
据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
华北电力大学硕士学位论文使用授权书
《2效100吨/日海水淡化装置研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。
本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。
本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。
本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√”）：
保密□，在年解密后适用本授权书
不保密□
导师签名：
年月日
摘要
我国的人均淡水资源量仅为世界平均值的1/4，属于贫水国家，沿海城市和岛屿地区缺水更为突出。
水污染和水资源短缺已成为制约社会进步和经济发展的世界性问题。
海水淡化作为一种解决水资源短缺的重要战略手段，在世界范围内正发挥着越来越重要的作用。
海水淡化技术受到越来越多的重视，海水淡化是将来解决淡水资源缺乏的必由之路。
海水淡化技术目前主要有低温多效蒸馏法和膜法。
低温多效蒸馏海水淡化技术具有淡化水品质商，设备构造简单，不受原水浓度限制，对预处理无特殊要求等特点，是世界应用最广泛的淡化技术之一。
低温多效蒸馏海水淡化技术以明显的技术优势及装置组合的灵活性，使它可以利用各种形式的低位热源，在海水淡化的各种方法占有一定的优势。
论文以100吨/日2效海水淡化装置的研究对象，通过该装置的设计和运行，解决低温多效海水淡化过程中工程数据及设备等方面尚不被我们掌握的工程技术问题，为低温多效海水淡化的建设提供技术保障和积累建设经验。
本文针对装置开展了基础性试验、装置的设计以及运行试验等研究工作。
关键字：
海水淡化；
低温多效；
造水比。
ABSTRACT
China'
spercapitafreshwaterisonlyaworldaverageof1/4.Chinaisawater-poorcountry.Watershortageincoastalcitiesandislandareasaremoreprominentsewage.Waterpollutionandshortagehasbecomeacriticalandseriouschallengetosocietyprogressandeconomydevelopmentintheworld.Asanimportantstrategicsolutiontowatershortage，seawaterdesalinationhasbeenplayinganincreasinglymomentousrole.Desalinationtechnologiesaresubjecttomoreandmoreattention．Desalinationistheonlywaytosolvethelackoffleshwaterresourcesinthefuture.Desalinationtechnologyiscurrentlymainlydistillationandmembrane.
Low-temperaturemulti-effectdistillationhasbeenonekindofmaincommercialseawaterdesalinationtechnologywhichisduetothehighpurityofpotablewaterthesimplicityofapparatus，theindependenceonthesaltconcentrationofrawseawaterandtheeasypretreatment.TheLow-temperaturemulti-effectdistillationdesalinationtechnologyoccupyanimportantstatusinindustrialdesalinationprocesses，forithasacleartechnologicaladvantageandtheflexibilityofdevicecombinations，anditcanmakeuseofvariousformsoflowlevelheatenergy．
Inthispaperwedecidedtofirstsetup100t/d2effectseawaterdesalinationforthedemonstrativeproject.Duringthedesignsetupandoperationsomeengineeringproblemthatwedidn’tmasteratnowweredissolvedandtheseexperienceswerehelpfulforthedemonstrativeproject.inthispaperthebasicexperimentsthedesignandfabricationofapparatusandtheoperationandtestofthispilotapparatusweredescribed.
KEYWORDS:
SeaWaterDesalination；
LowTemperatureMulti-Effectdistillation；
Gainedoutputration.
目录
中文摘要
英文摘要
主要符号表
第一章引言1
1.1海水淡化的背景和意义1
1.2海水淡化技术方法2
1.3全球海水淡化技术发展现状5
1.4我国海水淡化产业发展现状与趋势11
1.5低温多效海水淡化技术与其他技术相比的特点及优势错误！
未定义书签。
1.6本论文研究主要内容21
第二章2效100吨/日海水淡化装置的设计23
2.1蒸发器选型23
2.2蒸汽热力喷射器32
2.32效100吨/日海水淡化装置的工艺流程36
第三章海水淡化装置调试42
3.1海水淡化装置调试概述42
3.22效100吨/日海水淡化装置整套启动试运44
第四章2效100吨/日海水淡化装置试验及分析50
4.1物料水温度变化试验50
4.2蒸汽压缩喷射器（TVC）性能试验52
4.3喷淋量与喷淋密度调整试验57
第五章结论61
参考文献62
致谢65
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果66
攻读硕士学位期间参加的科研工作67
●多效蒸馏multipleeffectdistillation，海水淡化MED
●低温多效蒸馏lowtemperaturemultipleeffectdistillation，LT-海水淡化
●蒸汽热压缩thermalvaporcompression，TVC
●蒸汽热压缩低温多效蒸馏lowtemperaturemultipleeffectdistillationwiththermalvaporcompression，海水淡化-TVC
●蒸发器evaporator
●效effect
●凝汽器condenser
第1章绪论
1.1海水淡化的背景和意义
1.1.1世界水资源概况
水是生命的摇篮，水是人类赖以生存和发展的珍贵资源。
地球上虽然“三分陆地七分水”，水资源总量达14亿立方公里，但海洋咸水占97.2%，淡水仅占2.8%，储量仅3.7亿亿立方米，其中绝大部分蕴藏在南极冰原和北极冰山中，人类生产和生活能利用的地表淡水仅为105万亿立方米[1]。
水是地球上不可替代的宝贵的基础自然资源，是生态环境的控制性要素之一，同时也是战略性的经济资源，水资源是一个国家综合国力的有机组成部分。
展望未来，水资源匮乏正日益影响全球的经济发展与生态环境，在世界上许多国家和地区，可供人类使用水的数量和质量已经受到很大限制。
在21世纪，随着气候变化和人口增加，淡水供求的差距越来越大。
在21世纪头30年内，可利用的淡水量增加将不可能超过10%，而地球上的人口增幅仍将较大。
随着人口的增长和经济的发展，人类对水的需求增长越来越快，许多国家陷入缺水困境，经济发展也受到制约。
因此，除非人类更加有效地利用水资源，供求之间的不平衡将会降低淡水生态系统的服务功能，导致更多的水生物种灭绝，进一步导致更多的江河、三角洲、河口和湿地支离破碎。
联合国有关机构指出“供水不足将成为一个深刻的社会危机，世界上在石油危机之后的下一个危机便是水的危机。
”缺水问题是一个世界性问题，并直接威胁着人类的生存和发展。
1.1.2我国水资源概况
我国是水资源大国，2007年全国水资源总量为25255亿m3，同时也是人均水资源贫国，人均水资源量为2220立方米，为世界人均的1/4，居世界第121位，被联合国列为13个最贫水国之一[2]。
特别是我国北方地区，如天津、宁夏、北京、河北、山东、山西、河南、陕西、辽宁等缺水问题更为严重。
北方六区水资源总量4923亿m3，占全国的19.5%；
南方四区水资源总量20332亿m3，占全国的80.5%。
全国水资源总量占降水总量的43.7%，平均每平方公里产水26.7万m3[3]。
水是经济社会可持续发展的重要战略资源。
缺水也已成为制约我国社会进步和经济发展的一大瓶颈，所以解决水资源的供需矛盾，对我国的可持续发展是非常迫切和重要的。
从发展角度看，水的需求随着区域经济的发展和人民生活水平的提高，必将呈现刚性，跨流域调水只是水的空间转换而无法解决缺水的根本问题，同时其长途调水带来的经济性差和生态环保问题也不容忽视。
资源综合利用，是我国一项重大的技术经济政策，也是国民经济和社会发展中一项长远的战略方针。
因此，鼓励节约用水，大力推行节水技术，合理利用和综合开发水资源，将是缓解我国淡水资源短缺的重要途径。
随着我国经济的快速增长，采用海水淡化解决水资源短缺问题已是发展的必然选择。
海水淡化存在着巨大的发展空间，海水淡化技术和产业化正面临着重要的发展机遇。
1.2海水淡化技术方法
海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。
是实现水资源利用的开源增量技术，可以增加淡水总量，且不受时空和气候影响，水质好、价格渐趋合理，可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。
从海水淡化技术的应用和发展情况来看，海水淡化方法主要包括低温多效蒸馏（LT-MED）、多级闪蒸（MSF）、海水反渗透（SWRO）和压汽蒸馏技术（MVC）这些技术已在世界各地因地制宜地得到了比较广泛的研究和应用[4]，其中MSF和MED目前使用最广[5]。
1.2.1低温多效蒸馏技术
将一系列蒸发器串联起来，加热蒸汽进入第一效蒸发器，与海水热交换后，自身冷凝成淡化水，并使海水蒸发，所产生的二次蒸汽作为加热蒸汽，进入第二效蒸发器凝结成产品淡水，并使其海水蒸发。
这一过程一直重复到最后一效，连续产出淡化水[6][7][8][9]。
多效蒸馏分为低温和高温多效蒸馏。
高温多效蒸馏可安排更多的蒸发器效数，以达到较高的造水比，热效率较高。
MED系统前几效的海水蒸发温度较高，传热管易结垢与腐蚀相对较重，对设备的材料要求高，需频繁清洗设备，对海水预处理要求也高。
针对高温多效蒸馏的缺点，发展了低温多效蒸馏技术，其特点是盐水的蒸发温度不超过70℃，减缓了设备的腐蚀和结垢，并得到10左右的造水比。
同时由于使用了较低价的传热材料，使得同样的投资规模可以安排更多的传热面积[10]。
1.2.2多级闪蒸技术
多级闪蒸是将海水加热到一定温度后，引入到一个闪蒸室，其室内的压力低于海水所对应的饱和蒸汽压，海水处于过热的不稳定状态，部分海水发生闪急蒸馏（简称闪蒸），产生的蒸汽冷凝后即为所需淡水，凝结释放的潜热预热海水以达到节能的目的；
未闪蒸的海水温度降低，流入下一级压力更低的闪蒸室，又重复上述闪蒸过程。
将多个闪蒸室串联起来，构成多级闪蒸系统。
多级闪蒸系统有贯流式与循环式之分，如图1-1和图1-2所示[6][11][12][13][14]。
贯流式MSF系统比较简单，其冷却用的原海水全部流往预热器和海水加热器，并经逐级闪蒸后被全部排放。
在循环式MSF系统中，整个闪蒸级分为两段，即回热段与排热段。
与此相应，海水也分为两股，一股是供冷却用的原海水，它流过排热段的各级后被排放，另一部分作为补给水补充到循环海水中去，以满足物质平衡的要求，从而维持循环海水的初始浓度与初始水量不变。
循环海水经回热段逐级预热提高温度后进入海水加热器接受外热，使其达到顶值温度，接着逐级流经闪蒸室，随压力逐级降低而发生闪蒸现象。
闪蒸所产生的蒸汽则在相应级预热器中冷凝为淡水。
闪蒸到最后，浓度最大的海水一部分被排放，另一部分与被补给的原海水混合后再重复上述过程，以减少对原海水的需要，从而减少原海水预处理的费用[15]。
图1-1贯流式多级闪蒸（MSF）系统流程图
图1-2循环式多级闪蒸（MSF）系统流程图
MSF装置技术成熟、单机容量大，目前最大的可达到9万吨/日；
产品水盐度一般为3-10mg/l。
其突出优点是技术的成熟程度及对原海水水质的适应能力。
到上世纪末，此法一直是世界海水淡化市场的主流技术。
目前在世界海水淡化市场，尤其是海湾地区MSF仍具有很强的竞争力。
多级闪蒸的造水比一般为10左右，大型装置甚至高达10以上。
但是，单位淡水产量的电耗较高[16]。
MSF系统可用于以火电厂或核电厂的背压或抽汽式透平的低位蒸汽为热源的大型海水淡化工程，为高中压锅炉提供优质脱盐水，也可是生活用淡水[17]。
1.2.3海水反渗透技术
海水反渗透属于膜分离技术。
膜分离技术通常又称为膜法、过滤法。
膜法兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征。
海水经过膜过滤生成淡水，海水反渗透是膜法的代表技术。
反渗透是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。
在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。
此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。
如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。
反渗透膜组件有多种结构形式，最常用的是中空纤维和螺旋卷式两种。
根据膜材料或成膜工艺又可分为非对称反渗透膜、复合反渗透膜。
目前，反渗透膜组件的使用寿命一般为3-5年[9]。
为确保反渗透系统的稳定运行，需配置严格的预处理系统，其作用是防止膜被污染和污堵，以保证其出水水质达到反渗透装置进水水质要求：
污染指数（SDI）<
3。
1.2.4压汽蒸馏技术
海水蒸发过程所产生的二次蒸汽，经压缩机增压，蒸汽饱和温度相应提高，再输入到蒸发器管束内，作为进料海水蒸发的热源，并自身冷凝为淡化水[18]。
这一海水淡化过程有时被称为热泵式海水淡化。
压汽蒸馏按操作温度可分为常压压汽蒸馏和负压压汽蒸馏两种，其中海水蒸发与蒸汽凝结过程可以与MED过程完全相同，也可以采用水平管喷淋降膜式和竖管降膜蒸馏两种形式。
前者优点是海水经喷嘴或淋水盘均匀分布在水平管上形成液膜，在重力作用下实现降膜流动。
这种蒸发器结构相对简单，在海水淡化领域得到了广泛应用[19]。
MVC海水淡化系统的一大优点是仅需要电力就可以实现海水淡化。
但所配蒸汽压缩机投资较大，装置造水成本较高。
由于蒸汽压缩机容量的限制，使MVC装置单机容量适合中小型规模的海水淡化需要，由于其单位淡水产量的电耗明显高于RO系统，致使其市场占有率不高，且呈逐渐降低趋势（但其在含盐污水浓缩回收处理系统中得到广泛采用）。
目前已研究开发出适合于仅可供电能的岛屿和地区的低温压汽蒸馏技术，可以长期无故障运行。
人工和维修费用较低，可靠性好[20]。
1.3全球海水淡化发展现状
1.3.1国外海水淡化发展现状
根据国际脱盐协会IDA年鉴2008年-2009年版[21]，全球海水淡化装置2007年全年合同总量在2006年全年合同总量4.1×
106（m3/d）的基础上净增43%，达5.9×
106（m3/d），增加1.8×
106（m3/d），可供5000多万人的饮水。
IDA报告称这种增长趋势在2008年继续保持。
2008年头6个月，新增合同容量净增39%。
到2008年6月30日，全球海水淡化装置的累计合同容量达到62.6×
106（m3/d）。
其中62%的新签合同容量是海水淡化，其余为苦咸水淡化，容量达12.2×
针对水再利用的脱盐技术废水应用进展迅速，目前达到总容量的5%。
到2008年6月30日，全球已签合同数量海水淡化装置总量从前一年的13080台上升到13869台，如图1-3所示。
图1-3海水淡化装置合同容量及安装容量年增长图
2008年-2009年海水淡化年鉴还提供了目前正在建造的一个新的重型海水淡化装置。
目前，世界上已投运的最大单机容量的是服役于阿拉伯联合酋长国Fujairah的456000m3/d海水淡化装置。
然而有另5台容量超过500000m3/d的正在中东地区修建，其中最大的是安装于沙特阿拉伯的880000m3/dShoaiba3装置。
2008年年末，第一个容达量1000000m3/d的海水淡化厂有望建成交付使用[21]。
尽管不能与这种大型量级相比，但是美国也正在计划建造大规模的海水淡化装置。
例如，最近被核准的加州Carlsbad海水淡化装置是西半球最大的，可供应50×
106gallons/d（189.3m3/day）高品质引用水。
目前全世界有130多个国家在进行海水淡化，淡化能力一半以上集中在中东海湾国家。
占中东淡水来源70%。
世界海水淡化80%用于饮用水。
解决了世界1/50人口的供水问题。
世界排名前十位的海水淡化大国的见表1-1。
表1-1世界排名前十位海水淡化大国
序号
国家
总容量（m³
/d）
比例（%）
（1）
沙特阿拉伯
10759693
17%
（2）
阿拉伯联合酋长国
8428456
13%
（3）
美国
8133415
（4）
西班牙
5249536
8%
（5）
科威特
2876625
5%
（6）
阿尔及利亚
2675958
4%
（7）
中国
2259741
（8）
卡塔尔
1712886
3%
（9）
日本
1493158
2%
（10）
澳大利亚
1184812
目前国际海水淡化市场上，主要有①反渗透RO技术；
②低温多效蒸馏LT-MED技术；
③多级闪蒸MSF技术。
这些技术在国际上已经成熟。
从目前市场发展，MSF单机容量已达9万吨/日，而且更成熟可靠，适应不同海水水质的能力强，但装置本体电耗高（4.5kWh/t）；
MED单机容量已达2万吨/日，本体电耗（1.2kWh/t）；
RO单机7.6万吨/日，本体电耗（4kWh/t），但对海水水质要求高。
因此，比较而言，MED和RO更具有发展前景[21]。
全球海水淡化技术的利用比例如图1-4所示。
图1-4全球海水淡化技术分布图
1.3.2一些主要国家海水淡化技术的发展现状
第一个陆基海水脱盐工厂是1560年建在突尼斯的一座海岛上。
在1675年和1683年的英国专利No.184和No.226提出了海水蒸馏淡化，18世纪提出了冰冻法海水淡化。
英国在1812-1840年开发了单效和真空多效蒸馏，也开始了闪蒸的研究和设计工作，1852年开始提出了水平管喷膜蒸发[22]。
1898年，俄国巴库日产淡水1230吨的多效蒸馏海水淡化工厂投入运行。
到1900年提出了多级闪蒸（MSF）的专利，1930年机械蒸汽压缩蒸馏有很大的改进。
1942年出现了适用于船用的浸没管蒸馏，1943年出现了适用于船舶及海岛使用的蒸汽压缩蒸馏，这使该装置和多效蒸馏在二战期间得到大力发展。
1944年又提出了人工冷冻法。
同时在1930年提出了反渗透和电渗析的概念，但1954年电渗析才实用化，主要用于苦咸水脱盐[23]。
1957年R.5.Slver和A.Farknel发明了多级闪蒸，由于克服了多效蒸馏中易结垢和腐蚀的问题，所以在中东等缺水地区获得很快的发展，这可作为海水淡化技术大规模应用的开始。
1960年反渗透（R0）膜获得突破性进展，但在海水淡化中应用是美国Dupont公司[20]。
进入20世纪后，海水淡化技术随着水资源危机的加剧得到了加速发展，70年代以来，更多的沿海国家由于水资源匮乏而加快了海水淡化的产业化。
目前，无论是中东的产油国还是西方的发达国家都建有相当规模的海水淡化厂。
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