對低溫多效海水淡化國產化工作技術難點的分析及建議
摘要：本文通過對海水淡化產業發展前景和低溫多效海水淡化技術發展前景的展望，對低溫多效裝置國產化技術難點的分析，總結吸收黃驊引進海水淡化工程經驗，提出了對國華電力公司海水淡化國產化工作的建議。
關鍵詞：海水淡化；低溫多效；國產化；難點；分析；建議
1 海水淡化產業發展前景
海水淡化是指脫除海水中的大部分鹽分，使處理后的水符合用水(如飲用水、鍋爐補給水)標準的水處理技術總稱。在21世紀人類將面臨嚴重的淡水緊缺問題。對沿海城市和地區海水利用和海水淡化是解決淡水資源的有效措施之一，因為海水具有取之不盡、用之不竭的特點，是真正可持續利用的資源。
海水淡化是世界各國竟相發展的朝陽產業。20世紀70年代以來，大多數沿海國家由于水資源問題日益突出都卷入了海水淡化的發展潮流。目前，全球海水淡化日產量約3500萬立方米左右，解決了1億多人的供水問題。美國、日本、法國、以色列和韓國等國家，紛紛從國際海水淡化市場中獲得了可觀的利潤。
我國是一個水資源嚴重短缺的國家。缺水已成為制約我國經濟社會可持續發展的重大瓶頸。沿海特別是北方沿海地區是我國最缺水地區之一，2003年，北方沿海地區人口約2.11億人，占全國總人口的16.3%，創造的GDP約占全國的23.9%。該地區人均水資源量僅為全國人均水平的19%，屬于極度缺水地區。預測2010、2020年北方沿海四省（市），缺水量將分別達到166～255億立方米和273～393億立方米。蓄水、跨流域調水等傳統措施，不能增加水資源總量，難以全面解決缺水的根本問題。北方沿海地區城市自來水價格相對較高，發展海水利用潛力巨大。
目前，隨著我國經濟的快速增長、綜合國力的不斷增強，我國海水淡化技術正面臨著重要的發展機遇。二〇〇五年八月國家發展和改革委員會、國家海洋局和財政部，為促進沿海地區水資源的可持續利用，引導海水利用快速健康發展，聯合頒布《海水利用專項規劃》，提出：2010年目標我國海水淡化能力達到80～100萬立方米／日，海水利用產業國產化率達60％以上，2020年目標我國海水淡化能力達到250～300萬立方米／日，海水淡化國產化率達到90％以上。
2 海水淡化技術發展方向
海水淡化技術的種類很多，但適于產業化的主要有海水反滲透法（SWRO）和熱力淡化法。熱力法主要有多級閃蒸（MSF）、低溫多效（MED）壓汽蒸餾（TVC和MVC）技術。多級閃蒸（MSF）技術發展較早，在國際海水淡化市場上所占份額最高，但現在已經逐步下降。蒸餾法操作溫度向低溫移動是蒸餾法海水淡化技術的發展方向，低溫化是降低造水成本的主要途徑。國內外業界對海水淡化技術的優點指數的比較順序為: MED＋TVC 、MVC、SWRO 、MSF。
低溫多效海水淡化技術在較低的溫度溫下操作（最高溫度不超過70℃），能耗低、設備材質腐蝕減輕，節省運行費用和設備投資。在水電聯產項目中更具優勢，可以利用汽輪機作過功的低壓參數作為海水淡化裝置的熱源，使低壓蒸汽的熱量得到了充分的利用，提高了機組的熱利用率，同時也大幅度地降低海水淡化的成本。因MED技術優勢突出，近幾年國應用外發展迅速，從資料顯示，MED單臺最大產水量超過25000立方米/天，并在世界各地已由多臺運行業績。國內近期建設的天津北疆電廠10萬噸/日海水淡化裝置和首鋼京唐公司曹妃甸項目5萬噸/日海水淡化裝置，經過技術經濟比較均選用了低溫多效海水淡化技術，可見MED技術在國內也極具發展潛力。
近年來，由于反滲透膜技術的發展和價格的降低，海水反滲透技術應用發展迅速，由于海水反滲透技術設備初投資相對較低，已成為蒸餾法海水淡化系統的主要競爭對手。大容量的淡化裝置一般在低溫熱力淡化（MED＋TVC）和海水反滲透淡化裝置之間進行選擇。大型海水淡化工程可綜合考慮用熱法與膜法技術，形成綜合優勢。
表1 “十一五”期間以提供城市（海島）居民用水為主要目標的海水淡化重點項目規劃表
| 序號 |
項目名稱及 主要內容 |
方 法 |
規 模 (m3/d) |
完成年份 |
| 1 | 天津市海水淡化項目 | 熱法/反滲透法（MED/RO） | 200,000 | 2009 |
| 2 | 山東煙臺核能淡化項目 | 核能熱法（MED） | 2×80,000 | 2008 |
| 3 | 遼寧葫蘆島市海水淡化工程 | 反滲透法（RO） | 30,000 | 2007 |
| 4 | 遼寧大連核能海水淡化項目 | 熱法/反滲透法（MED/RO） | 160,000 | 2010 |
| 5 | 山東青島黃島海水淡化項目 | 熱法/反滲透法（MED/RO） | 80,000 | 2009 |
| 6 | 浙江舟山、廣東南澳等海島海水淡化項目 | 反滲透法（RO） | 50,000 | 2006～2010 |
| 合計 | 680,000 | |||
3 低溫多效海水淡化裝置國產化技術難點分析
蒸發→冷凝的傳熱過程是低溫多效海水淡化基本工作原理，蒸餾淡化海水的工藝是容易實現的。但如何海水淡化技術能有實際應用價值，關鍵是如何降低裝置的能耗、降低淡水水價，其根本在于蒸發器的結構設計上和材料選擇上如何強化傳熱，提高熱能利用率。
蒸餾技術在不斷發展，黃驊海水淡化廠選用的水平管降膜結構的低溫多效蒸發器，是目前行業內公認的最新型的高效蒸發器，其換熱器內部結構見圖1，國際上知名的海水淡化制造商大都采用這種結構型式，海水淡化裝置的換熱管材主要采用銅合金和鋁合金兩種材料。在蒸發器總體結構設計和材料選擇這些主要的方面，我們可以分享蒸餾技術研究的基本成果。總結黃驊海水淡化工程經驗，推薦MED裝置選擇材料見表2。
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圖1 水平管降膜結構的低溫多效蒸發器內部結構示意圖
表2. MED裝置推薦材料選擇
| 項目 | 基本選擇 | 可替代選擇 |
| 蒸發器 | ||
| 殼體 | 316L不銹鋼 | 碳鋼加防腐涂層（需設計上留有足夠空間，方便及時檢修修補涂層） |
| 交換管（頂部） | 鈦 | |
| 交換管（其它） | 鋁黃銅 |
鈦； 鋁合金（對海水水質要求較嚴格） |
| 管板 | 316L不銹鋼 | |
| 除霧器 | 316L不銹鋼 | 聚丙烯 |
| 熱壓縮機 | ||
| 蒸汽噴嘴、噴頭和擴散器 | 316L不銹鋼 | |
| 冷凝器 | ||
| 殼體 | 254 SMO2 | 合金904L |
| 交換管 | 鈦 | |
| 管板 | 90/10銅鎳合金 | 254 SMO |
| 水箱 | 90/10銅鎳合金 | 254 SMO |
| 工藝泵 | ||
| 海水取水泵 | 316L不銹鋼或Ni－D3B鑄鐵 | |
| 鹽水泵 | 316L不銹鋼或Ni－D3B鑄鐵 | |
| 蒸餾水泵 | 316L不銹鋼 | |
| 管道 | ||
| 海水 | FRP（玻璃鋼） | |
| 鹽水 | FRP（玻璃鋼） | |
|
蒸餾水 水 |
316L不銹鋼 316L不銹鋼 |
FRP（玻璃鋼） |
3.1 蒸發器的工藝和結構設計是海水淡化裝置設計的核心
（1）工藝設計上蒸發器傳熱面積的計算及流體阻力計算是難點
通常的低溫多效蒸發設計計算步驟如下：確定設計的原始數據及選擇數據→進行全裝置的物料衡算及熱量衡算→確定設備的型式，進行傳熱計算及流體阻力的計算，確定設備的大小和形狀。
其中物料衡算及熱量衡算可以利用成熟的公式，蒸發器傳熱面積的計算及流體阻力計算是難點。
蒸發器傳熱面積計算中，難點是總傳熱系數Ｋ的確定，國際上還沒有很科學的得到公認的理論計算公式，需實驗實測得出經驗數據。因傳熱試驗很難控制，實驗條件不同，其結果各異，傳熱系數經驗數據通用性較差。往往在進行具體設計工作時，理論推算和收集現場實際操作數據是同樣重要的。通常獲得Ｋ有兩種方法：
①在類似設備上取得Ｋ的測定值，做出Ｋ隨溫度變化的曲線，為了便于計算可把它整理成公式；
②根據同類設備上的個別數據反推出壁和垢層的熱阻，按式計算。
為了確定蒸發器的傳熱面積和結構，必須進行傳熱計算和流體阻力計算。對于降膜式蒸發器，液膜流速是很重要的數據。在一定操作條件下有一個最小液膜速度，小于這個數值；即會出現所謂“干點”而結垢，從而破壞正常操作。
（2）蒸發器布水系統、換熱管排布置及不凝氣體排放結構的設計是難點
將海水噴淋在水平的管束上，并在熱交換器的表面形成很薄的水幕，可以提高熱交換的效果。通過噴嘴將海水進行均勻地噴灑，有利于去除水中的氣體并使海水以均勻的流量通過熱交換器。從頂層到底部，海水均勻分布是保證最優熱交換和防止結垢的必要條件。若布水系統的設計不合理，蒸發換熱不均勻，就會很快引發換熱面結垢問題。管束表面的水膜分布研究成果是各海水淡化制造商的關鍵技術。黃驊海水淡化供貨商SIDEM公司與巴黎物理化學高等工程學校（ESPCI ）合作進行“管路表面水膜的控制”研究，其合作伙伴Pierre-Gilles de GENNES教授是1991年諾貝爾物理學獎獲得者。通過分析制備海水在管路之間機械流動的特殊試驗裝置，研究管束的水膜狀態（見圖2），使得其制造的海水淡化裝置有較低的能耗，且裝置的運行可靠性得到保證。
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圖2 海水在蒸發器管路表面流動形成水膜的狀態
蒸發器海水進水分配的噴嘴也是各海水淡化設計制造商的專利產品。換熱管的排布和間隙布置，如何保證每根換熱管都形成均勻液膜以及達到最小液膜流速，是降低蒸發能耗的關鍵。
水平管式蒸發器冷凝傳熱強化研究表明，管內不凝氣體的順暢排除也是提高傳熱效率的關鍵，需研究應用新型高效的的不凝氣體排放結構方案。
(3) 高效熱蒸汽壓縮技術技術研究和應用是降低制水能耗的一項關鍵技術
MED蒸餾裝置與熱蒸汽壓縮技術相結合，利用蒸汽熱壓縮裝置來進一步提高淡化裝置的整體熱效率，可以實現更好的能耗指標。法國SIDEM公司與其國家空氣動力工程研究院（ONERA）合作“超音速汽流的控制技術”，其熱壓縮流體的完整模型見圖3。正是由于這項研究成果應用于MED海水淡化系統上，才使SIDEM公司在國際市場上保持了領先的技術優勢。
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圖3 熱壓縮流體的模型
國內“十五”期間對高效蒸汽熱壓縮裝置也進行了廣泛研究，并在MED示范裝置得到示范應用,但總的來說技術上還不夠完善，處理負荷上還有待進一步提高。對熱泵技術進行深入研究，重點解決蒸汽熱壓縮裝置的結構形式、熱力效率及與多效蒸餾淡化系統間耦合連接等關鍵問題，確定最佳的效間抽吸位置、動力生蒸汽物性參數（溫度、壓力）及用量。
（4）確定合理的造水比、級效數和換熱面積是蒸發器優化設計的重點
在設計淡化裝置效數時，需要考慮以下的因素：
為了最大限度減少水垢的沉積，濃鹽水的最大溫度不應超過63℃；
最后一效的水溫應略高于冷卻海水的溫度；
在符合上述條件的溫度范圍內，計算蒸發器的效數需要考慮所需的單位熱量消耗。這樣有利于實現投資成本與運行成本的優化，以生產出最廉價的淡水。
事實上較低的能量消耗通常需要更高的投資。因為在符合條件的溫度范圍內效數越多，則兩個連續效之間的凈溫度差就越小。根據熱能交換方程，這個差值越小，為達到要求的熱交換效果所需的熱交換面積就越大。因此在效數增加時，為了達到規定的產水量，需要增加熱交換器的面積，這也意味著需要采用更大的蒸發器并相應地增加建設投資。
造水比是海水淡化裝置經濟效益的直接體現，需結合能源費用和設備投資等多方面，經技術經濟比較確定。因換熱管材在設備費中的比例很高，因此從設計上必須盡量減少傳熱面積。在實際工程給定的條件下，需計算出造水比和總級效數n 種不同組合情況下，單位淡水產量所需傳熱面積，從而優化確定造水比和總級效數。
通過試驗研究，開發低溫多效海水淡化工藝的過程模擬計算軟件，可以獲得各效淡水流量、溫度、壓力、熱負荷等詳細的工藝參數，一方面可以對整個工藝設計的合理行進行分析，另一方面為具體的結構布置設計提供必要的基礎數據。
3.2 新型阻垢藥劑研究開發
多效蒸餾法海水淡化裝置由于蒸發和傳熱過程同時在換熱管表面進行，換熱管束表面一旦結垢對設備換熱效果的影響極大。海水淡化設備中的垢層主要有兩種類型：一種為硬垢，主要成分是CaSO4，這種垢層不溶酸，也不溶于堿，與傳熱表面的結構度非常牢固。這種硬垢一旦形成，只能通過機械方式去除。另一種為軟垢，主要成為分CaCO3，這種垢可通過對設備定期酸洗的方式得到去除。
MED技術通過控制頂效操作溫度低于70℃，使換熱設備上結垢的傾向性明顯降低，但必要的防垢措施是必須的。目前國際上普遍采用的方式是在進料海水中加入一定劑量的阻垢劑，以防止垢層的形成。目前國內尚沒有適用于蒸餾閥海水的淡化裝置的阻垢劑，隨著海水淡化技術的應用推廣，阻垢劑的研究開發工作有很好的應用前景。
3.3 MED制造技術的關鍵點
蒸發器制造的關鍵技術是保證嚴密性，以保持運行真空度。重點解決裝置工程放大設計、捕沫裝置設計和結構優化、傳熱管與管板的連接密封、蒸發器變形控制及裝置保溫等工程和技術問題，形成大型淡化設備的自主成套加工制造技術。
3.4 MED設計軟件、控制系統及運行維護規程等管理軟件的研發
MED海水淡化技術作為系統工程，涉及多學科、多領域。系統研究過程的熱力平衡，開發系統設計軟件，將為MED海水淡化工程的建設提供技術上的依據。運行監控軟件的開發，則將實時監測裝置的操作參數變化，調整操作狀態，優化系統操作。
國外也有因運行操作不當，蒸發器投運后很快嚴重結垢失效的案例。研究MED設備安裝調試導則、維修維護規程、運行操作規程等，為保證海水淡化裝置的穩定運行提供有力保障。
4 吸收黃驊海水淡化工程引進技術的意義
通過國產第一套3000噸/日MED設備運行情況的了解，可以看出國產MED設備還有很多技術難點沒有突破：國產MED設備的結垢問題控制不太理想，運行初期就發生了比較嚴重的不均勻結垢問題。雖經酸洗，除垢效果并不理想。結垢將惡化換熱，大大增加運行的能耗，降低淡水產量。因此，分析認為國產MED設備布水系統的布置還需優化。在黃驊MED設備冷態循環狀態下運行人員可以進入蒸發器直接觀察實際噴淋效果，有利于發現和處理噴淋不均問題，國產MED的設備沒有此方面考慮。國產MED設備對工藝過程的控制、監視、報警和保護不完善，例如沒有設計斷水停止進蒸汽的連鎖保護，試運過程曾發生海水進水事故中斷，蒸汽不能自動停止，造成換熱管材嚴重過熱故障。
可見，充分消化和吸收黃驊海水淡化引進的技術，在海水淡化設備的設計研發過程中，可以走很多捷徑。
（1）提供試驗、測試設備
黃驊海水淡化裝置采用了國際上的最新型的高效蒸發器，經運行考驗，各項性能都達到設計要求。通過對該設備的測量、計算，可以得到總傳熱系數Ｋ這一關鍵設計參數，并且對該設備設計參數的分析、計算，有助于我們編制低溫多效優化設計計算軟件，達到能夠根據不同原始數據作出最優化的設計，掌握低溫多效海水淡化裝置的核心設計技術。
對蒸發器換熱管束布置及噴嘴結構設計的特點進行研究，能夠提高設計的合理性。
（2）借鑒設備制造、安裝和運行維護的標準
收集國外海水設備在材料選擇、加工制造以及安裝施工依從的國際標準,研究和借鑒對國外海水淡化的運行維護規程，通過工程實踐應用加以完善，以形成國產海水淡化設備質量的技術保證體系。
（3）提供系統的P&ID圖
對工藝成熟的海水淡化系統的P&ID的分析研究，有助于完善控制系統的設計，提高裝置運行的可靠性。
（4）因熱法海水淡化的研究應用在國內剛剛起步，應用經驗較少。通過黃驊海水淡化工程實踐，積累了寶貴的實際工程經驗，培養了國華公司自己的海水淡化專業人才。
5 對國華電力海水淡化國產化工作的建議
二〇〇五年八月國家發展和改革委員會、國家海洋局和財政部，聯合頒布《海水利用專項規劃》，對海水利用和海水淡化工程提出很多鼓勵性政策。我國缺水沿海城市的經濟快速增長，也為海水淡化技術的發展提供重要的發展機遇。
黃驊電廠海水淡化工程得到國內外業界的廣泛關注，2×1萬噸/日大型海水淡化裝置的在國內率先成功運行，在海水淡化應用領域為國華電力贏得了良好聲譽。在國華電力正確決策的支持下，如能加快對引進技術的消化吸收，以熱法海水淡化成套設備的設計為核心，開展國產化創新研發工作，形成自主知識產權的海水淡化設備設計和制造技術。以國華內部海水淡化工程為依托，通過為海水淡化工程的提供咨詢或工程總承包的型式，逐步進入國內和國際市場，形成海水淡化產業的規模效益，將大大降低工程造價及制水成本。
但是受到國家對跨地區調水的政策性補貼，以及海水淡化技術發展的制約，雖然目前海水淡化制水成本已可以降低到5元/噸水左右，仍高于居民用水水價。另外，海水反滲透技術因初投資低的優勢，有很強的競爭力。從經濟效益方面考慮，對熱法海水淡化的技術研究應用規模和發展速度定位的還應慎重建議專題研究，。
對國華電力海水淡化國產化工作的建議如下：
（1）確定國華內部海水淡化的牽頭主體單位
國華內部海水淡化的牽頭單位，明確其職責為主體研發單位，研發單位必須有海水淡化的專業技術帶頭人，配備一定的專業人員，能夠組織協調研發工作有序開展。
（2）確定與研究機構的合作方式
為掌握海水淡化的核心技術，建議確定國華公司內部的牽頭單位為研發主體，自行獨立完成蒸發器設計及系統設計。在傳熱面積和流體阻力計算軟件的編制等難度較大的工作，可以分成幾個分項目，與國內的知名大學或研究機構合作開發，或委托開發，或直接購買研究成果及專利。
（3）合國內的制造廠
可以通過與正規機械制造廠聯合的方式，委托蒸發器的加工。考慮到低溫多效蒸發器體積龐大，陸地運輸成本很高，選擇的制造廠須靠近港口，便于運輸。
（4）爭取外部研究經費
國家發改委和科技部對海水淡化國產化研究工作均有一些的支持政策。如成功申請海水淡化國產化范示項目，不但爭取到外部的研究費用，減少工程的資金投入，還可以提高國華電力海水淡化技術國產化研究工作的知名度，有利于進入國內和國際市場。
（5）加快黃驊二期海水淡化工程進度
據悉，國內近期低溫多效海水淡化工程，仍然與黃驊一期工程一樣，采取國際招標方式引進進口設備。如國華電力抓緊消化吸收一期的引進技術，開展黃驊電廠二期工程海水淡化設備的研發設計工作，確保項目盡快投運。不但滿足黃驊電廠二期工程的用水需求，還可以通過此項目的成功，盡快開拓國內海水淡化市場。
參考資料：
[1] 《海水利用專項規劃》2005-08,國家發展和改革委員會、國家海洋局和財政部聯合頒布
[2] 《化工百科全書第六卷海水淡化》王世昌. 化學工業出版社，1994. 665~697
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