劉天柱，趙東風(fēng)，薛建良，李 石，劉 偉，張 華

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島266580；

2.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590）

目前，淡水資源的相對(duì)匱乏和用水量的增大嚴(yán)重制約著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。開發(fā)新的淡水資源和減少污水排放是當(dāng)前用水的主題。其中，含鹽水（包括海水和工業(yè)含鹽污水）的淡化或處理是解決當(dāng)前用水問(wèn)題的有效途徑[1－5］。

工業(yè)應(yīng)用較多的海水淡化技術(shù)包括多級(jí)閃蒸（MSF）、多效蒸發(fā)（MED）和反滲透（RO）等[6－7］。特別是低溫多效蒸發(fā)（LT－MED）技術(shù)由于操作溫度低、運(yùn)行穩(wěn)定[8－12］，近幾年發(fā)展較快。2007 年，全球13 869個(gè)海水淡化工程中，采用 MED技術(shù)的占到9%[13］。研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料方式、進(jìn)料鹽度和流量、加熱蒸汽的溫度和流量、系統(tǒng)效間壓力差等因素都會(huì)影響MED系統(tǒng)的性能，其中進(jìn)料方式?jīng)Q定著系統(tǒng)的布置方式，其重要性尤為突出。作者在此簡(jiǎn)述了LT－MED的原理、特點(diǎn)、系統(tǒng)分類，分析了不同進(jìn)料方式的應(yīng)用情況并進(jìn)行了比較，提出了LT－MED進(jìn)料方式的發(fā)展趨勢(shì)。

1 LT－MED技術(shù)的原理、特點(diǎn)、系統(tǒng)分類及應(yīng)用

1.1 LT－MED的原理

MED是應(yīng)用歷史最悠久的海水淡化技術(shù)[14］，具有非常高的熱效率[15］。它經(jīng)歷了浸沒(méi)管蒸發(fā)→垂直管降膜蒸發(fā)→橫管降膜蒸發(fā)的發(fā)展過(guò)程[16－17］。MED系統(tǒng)由多個(gè)蒸發(fā)器連接而成，其后一效的操作壓力和溶液沸點(diǎn)均較前一效低，僅在壓力最高的第一效加入加熱蒸汽，所產(chǎn)生的二次蒸汽作為后一效的加熱蒸汽，即后一效的加熱室成為前一效的二次蒸汽的冷凝器。MED系統(tǒng)的效數(shù)一般為4～21效，典型大型裝置的造水比為10～18[18］。

LT－MED原理與MED相同，只是首效蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度需要控制在70℃以下。

1.2 LT－MED的特點(diǎn)

與其它海水淡化技術(shù)相比，LT－MED技術(shù)有如下特點(diǎn)[19］：

（1）操作溫度低，可避免或減緩設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢；

（2）對(duì)進(jìn)料的預(yù)處理要求不高；

（3）系統(tǒng)的操作彈性大，安全性高。在高峰期，系統(tǒng)可以提供設(shè)計(jì)值110%的產(chǎn)品水；而在低谷期，系統(tǒng)可以穩(wěn)定地提供設(shè)計(jì)值40%的產(chǎn)品水；

（4）系統(tǒng)的熱效率高，動(dòng)力消耗少；

（5）產(chǎn)品水純度高。一般含鹽量小于20×10－6，可直接用于釀酒廠、市政、居民用水等，節(jié)省用水成本[20］。

1.3 LT－MED系統(tǒng)的分類

含鹽水與蒸汽進(jìn)入方式的不同直接影響到LTMED系統(tǒng)的性能。LT－MED系統(tǒng)按進(jìn)料方式（圖1）可分為順流、逆流、平流和混流。順流進(jìn)料：來(lái)自冷凝器的進(jìn)料鹽水首先進(jìn)入第一效蒸發(fā)器蒸發(fā)，蒸發(fā)后的濃鹽水作為下一效的入料鹽水繼續(xù)蒸發(fā)，如此逐效進(jìn)行；逆流進(jìn)料：來(lái)自冷凝器的進(jìn)料鹽水首先進(jìn)入最后一效蒸發(fā)器，蒸發(fā)后的濃鹽水進(jìn)入前一效蒸發(fā)器繼續(xù)蒸發(fā)，如此逐效進(jìn)行；平流進(jìn)料：來(lái)自冷凝器的進(jìn)料鹽水同時(shí)進(jìn)入各效蒸發(fā)器，蒸發(fā)后的濃鹽水直接進(jìn)入下一效蒸發(fā)器底部閃蒸出部分蒸汽后排出，而不作為下一效的入料鹽水；混流進(jìn)料：是介于順流進(jìn)料和平流進(jìn)料之間的一種流程，進(jìn)料鹽水在混流前段和混流后段都以平流的方式進(jìn)入蒸發(fā)器。

圖1 低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)的進(jìn)料流程Fig.1 Feed arrangement flow chart of LT－MED

1.4 LT－MED系統(tǒng)的應(yīng)用

LT－MED技術(shù)可與其它海水淡化技術(shù)耦合應(yīng)用。例如，LT－MED與太陽(yáng)能發(fā)電廠聯(lián)用系統(tǒng)的產(chǎn)品水日產(chǎn)量為47 918m3，蒸汽耗量為56.25kg·s－1，熱利用效率較高[21］。

Xue等[22］利用灰色系統(tǒng)理論對(duì)中國(guó)西北地區(qū)典型煉廠的5個(gè)生產(chǎn)裝置18條管線的低溫余熱進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)催化裂化裝置的油氣循環(huán)管線的余熱最適合作為L(zhǎng)T－MED系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)蒸汽。同時(shí)，LT－MED與MSF、RO 相比，制水成本明顯較低[23－25］。因此，LTMED為電廠、石化企業(yè)能源的有效綜合利用開辟了一條新途徑，有利于提高行業(yè)綜合利用能源的能力。

2 LT－MED系統(tǒng)不同進(jìn)料方式的應(yīng)用比較

不同的進(jìn)料方式適合于不同的操作環(huán)境，如平流進(jìn)料各效的進(jìn)料量理論上近似相等，順流進(jìn)料各效的進(jìn)料量有一定的差別，而混流進(jìn)料的進(jìn)料量介于兩者之間。選擇合適的進(jìn)料方式將會(huì)大大提高LT－MED系統(tǒng)的性能。

2.1 順流進(jìn)料

早期對(duì)順流進(jìn)料的研究是在考慮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的同時(shí)建立系統(tǒng)模型，為MED的優(yōu)化設(shè)計(jì)作參考[26－27］。Darwish等[28］對(duì) LT－MED 系 統(tǒng) 順流進(jìn)料進(jìn)行了簡(jiǎn)單的性能計(jì)算，同時(shí)列舉了不同進(jìn)料方式的典型的LT－MED系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。產(chǎn)水量為139kg·s－1的12效順流進(jìn)料系統(tǒng)，造水比為9.8，而將其改為2組6效系統(tǒng)，產(chǎn)水量為290kg·s－1，造水比為12.4；若增加進(jìn)料預(yù)熱器，系統(tǒng)的造水比可提高24.6%，蒸發(fā)器熱交換面積也明顯減小[29］。

孫小軍等[30］比較分析了LT－MED系統(tǒng)不同進(jìn)料方式：順流進(jìn)料蒸汽耗量為122.77t·h－1，造水比為3.39；逆流進(jìn)料蒸汽耗量為117.04t·h－1，造水比為3.56；平流進(jìn)料蒸汽耗量為114.18t·h－1，造水比為3.65；帶熱蒸汽壓縮（TVC）的平流進(jìn)料蒸汽耗量為51.90t·h－1，造水比為8.03。顯然，順流進(jìn)料性能較差。這是由于順流進(jìn)料鹽水全部進(jìn)入第一效蒸發(fā)器，加熱蒸汽冷凝過(guò)程中釋放的潛熱大部分用于將物料水加熱至沸騰，導(dǎo)致有效用于將物料水蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽的加熱蒸汽量所占比例減小，造成蒸汽耗量大、造水比小。

2.2 逆流進(jìn)料

逆流進(jìn)料可改善順流進(jìn)料制水經(jīng)濟(jì)性不高這一缺點(diǎn)，同時(shí)，造水比相對(duì)于順流進(jìn)料要高。但逆流進(jìn)料時(shí)鹽水在第一效以最高的含鹽量和溫度排出蒸發(fā)器，結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)較大。LT－MED第一效的最高蒸發(fā)溫度保持在70℃以下，再加入高效阻垢劑，可使結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。實(shí)例證明LT－MED系統(tǒng)運(yùn)行6年才需化學(xué)清洗1次[31］。盡管逆流進(jìn)料方式有顯著的優(yōu)勢(shì)，但各效間需多臺(tái)中間進(jìn)料泵，增大了系統(tǒng)的復(fù)雜性和運(yùn)行電耗。

2.3 平流進(jìn)料

平流進(jìn)料時(shí)各效鹽水逐級(jí)自流，無(wú)需中間進(jìn)料泵，因此，運(yùn)行與控制方便，電耗較少。意大利西西里島單元日產(chǎn)9 000m3的平流進(jìn)料MED－TVC系統(tǒng)，由4個(gè)單元組成，造水比為16.7，產(chǎn)品水電耗為1.0kWh·t－1，頂值鹽水溫度控制在62.2℃，可有效減少腐蝕和結(jié)垢[32］。同時(shí)，由于平流進(jìn)料的逐級(jí)閃蒸作用，熱效率較高。

EL－Dessouky等[33］對(duì)8效平流多效蒸發(fā)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。平流進(jìn)料熱交換面積為335m2，轉(zhuǎn)化率為0.325，循環(huán)冷凝水流量為8.9m3·h－1，與相同效數(shù)順流與混流系統(tǒng)比較，性能較差。此外，平流進(jìn)料的蒸發(fā)器的換熱面積大（原因在于平流進(jìn)料鹽水溫度低于飽和溫度，蒸發(fā)器管束上部面積部分用于加熱海水至飽和溫度），投資成本高，因此，平流進(jìn)料的應(yīng)用逐漸減少。

2.4 混流進(jìn)料

目前，混流進(jìn)料因抗結(jié)垢性強(qiáng)、蒸發(fā)器傳熱面積小、造水比大等優(yōu)點(diǎn)而逐漸受到關(guān)注。EL－Dessouky等[33］報(bào)道，混流進(jìn)料的蒸發(fā)器熱交換面積為255m2，轉(zhuǎn)化率為0.714，與其它3種進(jìn)料方式比較，混流進(jìn)料的性能比為5.8，運(yùn)行及投資成本最低。Liu等[34－35］根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律，建立了平流進(jìn)料和混流進(jìn)料LT－MED與熱蒸汽壓縮聯(lián)用系統(tǒng)模型。結(jié)果表明，熱蒸汽壓縮機(jī)被引流蒸汽的最佳位置位于混流進(jìn)料位置之后，這是由在此位置系統(tǒng)的造水比最大、蒸發(fā)器熱交換面積最小所決定的。然而，目前所研究的LT－MED混流系統(tǒng)的混流點(diǎn)只有一個(gè)，而理論上系統(tǒng)最優(yōu)混流點(diǎn)不止一個(gè)，應(yīng)當(dāng)可根據(jù)系統(tǒng)效數(shù)和性能的要求選擇多個(gè)最優(yōu)混流點(diǎn)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能比。

2.5 不同進(jìn)料方式的LT－MED系統(tǒng)特性比較（表1 ）

表1 不同進(jìn)料方式的低溫多效蒸發(fā)系統(tǒng)特性比較Tab.1 Comparison of the characteristics of LT－MED with different feed arrangement method

3 結(jié)語(yǔ)

LT－MED技術(shù)具有操作溫度低、可利用低溫廢熱、預(yù)處理要求低等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞。為提高LT－MED系統(tǒng)的性能比，需對(duì)不同進(jìn)料方式的LT－MED系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和完善：

（1）順流進(jìn)料系統(tǒng)消耗加熱蒸汽量較大，熱經(jīng)濟(jì)性能不高。若增加進(jìn)料鹽水預(yù)熱器，可顯著降低蒸汽耗量，有助于減小蒸發(fā)器的換熱面積進(jìn)而降低設(shè)備投資，提高制水經(jīng)濟(jì)性。

（2）逆流進(jìn)料系統(tǒng)雖有顯著優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)大，應(yīng)用較少?？稍诓挥绊扄}水蒸發(fā)的同時(shí)，控制進(jìn)入第一效鹽水的溫度和鹽度，同時(shí)研制經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型阻垢劑，降低系統(tǒng)能耗，充分發(fā)揮逆流進(jìn)料的優(yōu)勢(shì)。

（3）平流進(jìn)料一般要求各效蒸發(fā)器對(duì)鹽水的濃縮比近似相等，高溫下鹽水易結(jié)垢，因此鹽水濃縮比不能太大。且蒸發(fā)器換熱面積較大，系統(tǒng)投資成本高，應(yīng)用有限。

（4）未來(lái)研究要重點(diǎn)探索混流進(jìn)料中的多個(gè)最優(yōu)混流點(diǎn)，建立投資成本最少、運(yùn)行成本最低的混流LTMED系統(tǒng)將是大勢(shì)所趨。

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