曹開(kāi)智,李 燕

(上海電站輔機(jī)廠有限公司,上海200090)

余熱利用低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)發(fā)展探討

曹開(kāi)智,李 燕

(上海電站輔機(jī)廠有限公司,上海200090)

低溫多效蒸餾海水淡化裝置,是采用高品位的中低壓汽輪機(jī)蒸汽作為動(dòng)力蒸汽。通過(guò)設(shè)置蒸汽噴射器和減溫裝置,實(shí)現(xiàn)與加熱蒸汽熱源參數(shù)的相互匹配。在常規(guī)設(shè)計(jì)方案中,存在噸水當(dāng)量電耗偏高問(wèn)題,導(dǎo)致低溫多效蒸餾海水淡化的運(yùn)行成本較高,從而缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。探討了利用低品位乏汽和熱水余熱進(jìn)行低溫多效蒸餾海水淡化的工藝方案,為低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)的發(fā)展提供借鑒和參考。

海水淡化;低溫多效蒸餾;汽輪機(jī);噴射器;電耗;熱水;余熱;成本

0 概 述

據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)前仍有10多億人生活在水資源匱乏的地區(qū)。至2025年,預(yù)計(jì)人數(shù)可能上升至18億。根據(jù)國(guó)際脫鹽協(xié)會(huì)(IDA)預(yù)測(cè),未來(lái)10年,海水淡化市場(chǎng)仍將維持較高速度增長(zhǎng)。我國(guó)淡水資源的總量,約為2.8萬(wàn)億m3,但人均水資源量?jī)H為2 220 m3,被聯(lián)合國(guó)列為13個(gè)貧水國(guó)家之一。在全國(guó)657個(gè)城市中,有300個(gè)多城市存在淡水資源短缺的問(wèn)題。我國(guó)“十三五”發(fā)展規(guī)劃中,已明確將海水淡化作為水資源的重要補(bǔ)充和戰(zhàn)略儲(chǔ)備。發(fā)展海水淡化技術(shù),可增加水資源的總量、改善水資源的結(jié)構(gòu),也是解決我國(guó)沿海地區(qū)淡水短缺問(wèn)題的重要途徑。

1 海水淡化主流技術(shù)

目前,大型海水淡化的主流技術(shù)較為多樣,主要采用的是多級(jí)閃蒸(MSF)、低溫多效(MED)和反滲透(RO)海淡技術(shù)。雖然,MSF的單臺(tái)規(guī)模大,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,但噸水投資和噸水電耗較高,工程應(yīng)用主要集中在中東地區(qū)。MED同MSF相比,不僅擁有操作溫度低(TBT<70℃),結(jié)垢腐蝕傾向小、傳熱效率高,產(chǎn)品水水質(zhì)好(TDS<5 mg/L)和負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大(40%~110%)等優(yōu)點(diǎn),還有電耗比MSF低約3.0 k W·h/t的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。所以,MED是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的第二代熱法海水淡化廠的主流技術(shù),是熱法海水淡化技術(shù)發(fā)展的方向。

低溫多效蒸餾海水淡化通常采用高品位中低壓汽輪機(jī)蒸汽作為其動(dòng)力蒸汽,通過(guò)設(shè)置的蒸汽噴射器(TVC)和減溫裝置配套設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)MED加熱蒸汽熱源參數(shù)的匹配,形成水電聯(lián)產(chǎn)模式。該設(shè)計(jì)方案存在噸水當(dāng)量電耗偏高問(wèn)題,導(dǎo)致低溫多效蒸餾海水淡化運(yùn)行成本缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)文獻(xiàn)[2]測(cè)算,對(duì)于抽取660 MW機(jī)組0.55 MPa、320℃的蒸汽進(jìn)行制水,噸水當(dāng)量電耗約為19 k W·h/t。在文獻(xiàn)[3]中,當(dāng)300 MW機(jī)組處于不同排汽背壓時(shí),分析了相對(duì)應(yīng)的噸水單量電耗的變化趨勢(shì)。對(duì)于MED和RO的海淡技術(shù),如果考慮較長(zhǎng)運(yùn)行周期(20~30年),并考慮反滲透膜元件的更換周期,在整個(gè)使用周期內(nèi),設(shè)備折舊費(fèi)用所占的噸水成本比例較小。所以,影響MED噸水成本大小的關(guān)鍵變量,是熱源的成本。通過(guò)開(kāi)發(fā)低成本甚至零成本的余熱利用技術(shù),可大大降低熱源的成本,也是提升MED市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段。在MED工程應(yīng)用方面,可利用余熱主要包括低品位乏汽和熱水兩種。

2 乏汽配套低溫多效蒸餾技術(shù)

2.1 后置機(jī)配套低溫多效蒸餾

由于MED加熱蒸汽溫度低,通常絕壓為35 k Pa之內(nèi)的飽和蒸汽即可滿足加熱蒸汽要求。所以中低壓蒸汽在進(jìn)入MED裝置前設(shè)置高背壓汽輪機(jī)(后置機(jī))發(fā)電,發(fā)完電后的乏汽作為MED的加熱蒸汽。與傳統(tǒng)MED-TVC方案最大的不同在于,后置機(jī)方案取消TVC設(shè)置,增設(shè)后置機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備。

現(xiàn)以火力發(fā)電機(jī)組為例,在系統(tǒng)布置時(shí),采用與TVC方案相同的蒸汽源,從中壓缸引出蒸汽,通過(guò)管路輸送至后置機(jī),推動(dòng)汽機(jī)做功發(fā)電。后置機(jī)排放的乏汽,通過(guò)噴水減溫調(diào)節(jié)后,進(jìn)入至MED系統(tǒng)制水。MED系統(tǒng)生產(chǎn)淡水一般經(jīng)離子交換后,輸送回除氧器作為鍋爐補(bǔ)給水,再循環(huán)使用,也可經(jīng)礦化處理后,直接輸送至生活水管網(wǎng)或工業(yè)用戶。電廠和后置機(jī)系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖,如圖1所示。

后置機(jī)配套MED技術(shù),是將發(fā)電后排放的乏汽用于生產(chǎn)淡水,可明顯降低噸水當(dāng)量電耗。但是相應(yīng)地需要增加后置機(jī)及其配套設(shè)備等投資,同時(shí)兩系統(tǒng)的運(yùn)行控制及運(yùn)行維護(hù)需要考慮增加后置機(jī),后的變化和應(yīng)急措施,但技術(shù)方案完全是可行的。

圖1 MED配后置機(jī)及電廠原則性熱力系統(tǒng)

關(guān)于后置機(jī)配套MED技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性方面,現(xiàn)以某350 MW亞臨界機(jī)組熱電廠配套2×1萬(wàn)t/d建設(shè)項(xiàng)目為例:汽輪機(jī)抽汽壓力0.4 MPa.a,溫度245℃。后置機(jī)配套MED和MED-TVC方案蒸發(fā)器效數(shù)均為七效,后置機(jī)方案造水比5.6,MEDTVC方案造水比10.2。兩種方案蒸發(fā)器首末效的參數(shù)完全一致,因此,最大程度地避免了因蒸發(fā)器本身的變量,造成對(duì)海淡效果的影響。后置機(jī)方案的最終凝汽量較大,不可避免地使凝汽器的體積增大,同時(shí),配備的水泵容量也需加大,但兩種方案的總投資相差不多。蒸汽價(jià)格可按照實(shí)際焓降法計(jì)算,后置機(jī)配套MED與MED-TVC方案的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算結(jié)果,如表1所示。

從表1可知,同MED-TVC方案相比,后置機(jī)配套MED方案的噸水運(yùn)行成本更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。后置機(jī)配套MED方案配套兩套后置機(jī)新增配套投資預(yù)估4 000萬(wàn)元估算,年利用用率為95%條件下,按理論計(jì)算,約2年半就能收回新增投資成本。另外需指出的是,后置機(jī)配套MED方案與MED-TVC方案的經(jīng)濟(jì)性還受年利用率的影響,系統(tǒng)年利用率降低,直接體現(xiàn)為噸水設(shè)備折舊費(fèi)的升高。具體變化趨勢(shì),如圖2所示。

表1 后置機(jī)配套MED方案與MED-TVC方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

圖2 后置機(jī)方案噸水價(jià)格優(yōu)勢(shì)與年利用率的關(guān)系

從圖2可知,當(dāng)年利用率為70%時(shí),后置機(jī)方案的噸水成本優(yōu)勢(shì)較為明顯。如果年利用率小于50%,后置機(jī)方案的噸水成本反而比MED-TVC方案的噸水成本高。

2.2 高背壓汽輪機(jī)配套低溫多效蒸餾技術(shù)

高背壓汽輪機(jī)配套MED技術(shù)主要是指適當(dāng)提高汽輪機(jī)低壓缸排汽壓力,乏汽參數(shù)條件實(shí)現(xiàn)與MED的匹配設(shè)計(jì),可以形成水電聯(lián)產(chǎn)模式。對(duì)于水電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目整體而言,高背壓汽輪機(jī)配套MED方案通過(guò)利用發(fā)完電的乏汽作為MED的加熱蒸汽,實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用,能量利用效率高。但是現(xiàn)今并沒(méi)有大型工業(yè)化工程應(yīng)用案例,整個(gè)機(jī)組采用高背壓排汽方案時(shí),還存在某些問(wèn)題。

(1)高背壓低壓缸排汽量比較大,僅適用于大容量海水淡化項(xiàng)目。

(2)高背壓低壓乏汽蒸汽比容大,現(xiàn)有汽機(jī)廠房排汽管道布置存在較大困難。

(3)電廠機(jī)組和MED系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)匹配、運(yùn)行可靠性和安全性存在不確定性,特別是電廠機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行、聯(lián)鎖保護(hù)和突發(fā)故障切換等相關(guān)運(yùn)行控制技術(shù)有待解決。

高背壓排汽方案配套MED技術(shù)雖然能量利用效率高,并且可以實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)整體解決方案,但是未來(lái)如果要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,必須首先解決這些相關(guān)問(wèn)題。

3 熱水閃蒸配套低溫多效蒸餾技術(shù)

熱水閃蒸配套MED技術(shù),主要是熱水閃蒸出來(lái)的蒸汽作為MED的加熱蒸汽,熱水閃蒸系統(tǒng)和MED系統(tǒng)進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)。以帶間接換熱器的熱水閃蒸配套MED工藝流程為例,高溫?zé)崴畞?lái)水通過(guò)設(shè)置間接換熱加熱閉式循環(huán)水,換熱后的高溫閉式循環(huán)水進(jìn)入熱水閃蒸罐閃蒸,閃蒸出來(lái)的蒸汽作為MED蒸發(fā)器第一效的加熱蒸汽,蒸發(fā)器第一效的凝結(jié)水與閃蒸罐中未閃蒸的循環(huán)水混合后再次進(jìn)入間接換熱器。具有間接換熱器的熱水閃蒸配套MED簡(jiǎn)單工藝流程,如圖3所示。

圖3 帶間接換熱器的熱水閃蒸配套MED工藝流程

熱水閃蒸配套MED的真空系統(tǒng),也可以設(shè)置成水環(huán)真空,以滿足系統(tǒng)真空度的要求,此時(shí),僅需具備熱水熱源,不需要蒸汽就可以生產(chǎn)高品質(zhì)的淡水,MED有望延伸應(yīng)用至沿海石油化工、鋼鐵等熱水資源豐富領(lǐng)域。經(jīng)調(diào)研,在國(guó)內(nèi)鋼鐵、化工等行業(yè),擁有豐富的低品位熱水余熱資源,其成本幾乎可以忽略不計(jì),甚至需要設(shè)置額外的冷卻裝置來(lái)進(jìn)行冷卻。所以熱水熱源(如考慮熱效率,熱水溫度最好在80℃以上)與MED相結(jié)合,將實(shí)現(xiàn)余熱資源回收再利用,提高M(jìn)ED的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。以國(guó)內(nèi)某石化廠配套海水淡化項(xiàng)目為例,熱水閃蒸配套MED方案與MED-TVC方案經(jīng)濟(jì)性比較,如表2所示。

從表2可知,如果熱水成本忽略不計(jì),那么熱水閃蒸配套MED噸水運(yùn)行成本約為2.17元/噸,同MED-TVC方案相比,經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)擁有非常顯著的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。采用熱水閃蒸配套MED技術(shù)比較經(jīng)濟(jì),且節(jié)能環(huán)保。但是,國(guó)內(nèi)外有關(guān)熱水配套MED技術(shù),基本上還停留在基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)研究階段。目前,單機(jī)萬(wàn)噸級(jí)大型裝置的工程案例比較少。經(jīng)過(guò)多年自主開(kāi)發(fā)和工程經(jīng)驗(yàn)的積累,上海電氣自主開(kāi)發(fā)的熱水閃蒸一體化配套MED專利技術(shù),已獲得工程訂單,有望在2018年,實(shí)現(xiàn)熱水閃蒸配套MED單機(jī)萬(wàn)噸級(jí)工程示范項(xiàng)目的突破。

表2 熱水閃蒸配套MED與MED-TVC方案對(duì)比

在理論上,熱水的余熱回收利用配套MED技術(shù),就是余熱回收換熱設(shè)備和閉式循環(huán)水配套MED工藝的耦合。通過(guò)余熱回收換熱設(shè)備,將回收的熱量傳遞給冷側(cè)的閉式循環(huán)水,其它工藝與熱水閃蒸配套MED技術(shù)相同。如果熱源擁有乏汽、熱水和中壓蒸汽,那么系統(tǒng)的整體方案和運(yùn)行模式將更復(fù)雜,需要根據(jù)熱源條件和運(yùn)行模式,按切換要求進(jìn)行系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)。但在經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估上,需要增加余熱回收設(shè)備的投資成本和項(xiàng)目的運(yùn)行成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

低溫多效蒸餾海水淡化通常采用高品位中低壓汽輪機(jī)蒸汽作為其動(dòng)力蒸汽,通過(guò)設(shè)置的蒸汽噴射器和減溫裝置配套設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)MED加熱蒸汽熱源參數(shù)的匹配,但存在噸水當(dāng)量電耗偏高問(wèn)題,導(dǎo)致運(yùn)行成本缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。相同容量的后置機(jī)配套MED方案與MED-TVC方案相比,海水淡化部分項(xiàng)目總投資可以近似認(rèn)為相同,后置機(jī)配套MED方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有一定優(yōu)勢(shì),但還受年利用率的影響,并且年利用率降低對(duì)后置機(jī)配套MED方案的影響更大。雖然在高背壓排汽方案配套MED方案中,能量的利用效率高,并可實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)的整體解決方案,但要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用,還需解決相關(guān)問(wèn)題。熱水閃蒸配套MED技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)熱水閃蒸罐與MED耦合設(shè)計(jì)。如果熱水成本忽略不計(jì),其噸水運(yùn)行成本擁有顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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Discussion on Low Temperature Multiple Effect Distillation Coupled with Waste HeatTechnological Development

CAO Kai-zhi,LI Yan
(Shanghai Auxiliary Power Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 200090,China)

Low temperature multi effect distillation seawater desalination process system usually adopts medium and low-pressure turbine steam with high quality as its heating vapor,which is designed with thermal vapor compressor and desuperheater so as to meet the heating steam requirements.The traditional design has the high equivalent power consumption of product water problem that leads to high operational cost and lack market competition.The process proposal of low temperature multi effect distillation seawater desalination technology coupled with two types of waste heat utilization includes low grade steam and hot water are discussed that will help to provide reference for the low temperature multi effect distillation seawater desalination technology future development.

desalination;low temperature multiple effect distillation;steam turbine;thermal vapor compressor; power consumption;hot water;waste heat;cost

TP747

A

2017-06-07

曹開(kāi)智(1980-),工程師,研究生,畢業(yè)于大連理工大學(xué),從事海水淡化技術(shù)開(kāi)發(fā)及工程設(shè)計(jì)方面的工作。