低温多效海水淡化工程材料的选用

44圣言乞扮拨DONGFANGTURBINE曹军瑞赵鹏众和海水淡化工程有限公司，天津。300457201O年第1期摘要通过对众和海水淡化工程有限公司参与设计并制造的三台低温多效海水淡化设备的研究，介绍了低温多效海水淡化工程用材料的选取，探讨了常用在低温多效海水淡化工程上的一些材料及其性能。在此基础上提出了对低温多效海水淡化工程材料选取的一些建议。关键词海水淡化；低温多效R程；材料MATERIALSELECTIONOFLOWTEMPERATUREMULTIEFFECTDISTILLATIONSEAWATERDESALINATIONSYSTEMCAOJUNRUI，ZHAOPENGZHONGHESEAWATERDESALINATIONENGINEERINGCO，LTDTIANJIN300457ABSTRACTBASEDO11THERESEARCHINGOFMULTIEFFECTDISTILLATIONSEAWATERDESALINATIONSYSTEMESTABLISHEDBYZHONGHESEAWATERDESALINATIONENGINEERINGCOLTD，THEAUTHORINTRODUCEDTHEMATERIALSELECTIONOFTHESYSTELNANDDISCUSSEDTHEPERFORMANCESOFTHEINCOMMONUSEMATERIALSONTHESEAWATERDESALINATIONEQUIPMENTTHEADVICEOFMATERIALSELECTIONOFLOWTEMPERATUREMULTIEFFECTDISTILLATIONSEAWATERDESALINATIONSYSTEMWASGIVENOUTATTHEENDKEYWORDSSEAWATERDESALINATION，LOWTEMPERATUREMULTIEFFECTDISTILLATIONSYSTEM，MATERIAL0引言随着世界各国经济的高速发展以及人口的迅速增长和集中世界各国对水的需求日益增加，而地球上的淡水资源非常有限，淡水资源缺乏已成为全球性的问题。在寻求淡水资源方面各国纷纷把目光投向大海。据统计目前世界已有100多个网家缺水，其中严重缺水的已达20个，中国就是其中之一。淡化海水是解决中周沿海地区淡水严重短缺的必然选择，把极为丰富的海水变为淡水也有望成为中国新兴的朝阳产业。众和海水淡化L丁程有限公司以下称为“众和公司”作为我国海水淡化产业中的骨干企业，拥有完全自主知识产权的大型海水淡化设备的制造和一1程经验，达到了国际先进水平，承担了我国第一台海水淡化设备的出口任务，赢得了国内外的广泛好评。目前世界上主流的海水淡化技术包括低温多效艺MED、多级闪蒸工艺MSF和反渗透_T艺RO。针对印度尼西亚INDRAMAYU3330MW燃煤电厂、PACITAN2315MW燃煤电厂和BANTEN3315MW燃煤电厂的海水淡化系统项目，众和公司根据T程的实际情况，结合自身的技术优势采用了MEDT艺进行设计施工。作者简介曹军瑞1976，男，山西阳泉人1998年毕业于北京化工大学机械工程系，高级工程师，现任众和海水淡化工程有限公司副总经理。用选的料材程工化淡水海效温低2O1O年第1期MEDT艺具有对海水适应能力强、预处理简单，可利用低品位热源、能耗低、设备不易结垢、产水质量稳定、操作弹性大、控制简单、维护维修量小等诸多特点。L低温多效海水淡化工艺描述如图1所示，MED3艺流程可被描述为首先，进料海水在冷凝器中被预热和脱气之后，分成两股物流。一股物流排回大海，另外一拍J十一骶一II气索盲汔论舷DONGFANGTURBINE45股物流变成蒸馏过程的进料液，加入阻垢剂后的料液被引入到蒸发器温度最低的一组中。喷淋系统把料液分布到各蒸发器的水平布置的顶排管上，在自上而下流动的过程中，部分海水吸收管内冷凝蒸汽的潜热而汽化。剩余料液用泵打入到蒸发器效的下一组中，该组的操作温度要比上一组高。在新的组中又重复了蒸发和喷淋过程。剩余的料液接着往前打，在温度最高的效组中以浓缩液的形式离开。蒸发器玲斑器一一一一一一一一一X一一|IJ图1MED的流程示意图其次，产生的蒸汽输入到温度最高一效的蒸发管内部。在管内冷凝的同时，在管外产生了基本等量的蒸发。二次蒸汽穿过捕沫装置后，进入下一效传热管内，第二效的操作温度和压力要略低于第一效。这种蒸发和冷凝过程沿着一串蒸发器的各效重复，最后一效的蒸汽在冷凝器被海水冷却液冷凝。第一效的冷凝液被收集起来，该蒸馏水的一部分又返回到蒸汽发生器，超过输入的生蒸汽量的部分流入到一系列特殊容器的首个容器中，每一个容器都连接到下一低温效的冷凝侧。这样使一部分蒸馏水产生闪蒸并使剩余的产品水冷却下来，同时把热量传回蒸发器。最后，产品水呈阶梯状流动并逐级闪蒸冷却，放出的热量提高了系统的总效率。被冷却的蒸馏水最后用产品水泵抽出并输入储罐，生产出淡水浓盐水冷由求的产品水是平均含盐量小于5RNGLTJ纯水。浓缩海水像蒸馏水一样，从第一效呈阶梯状流入一系列的浓盐水闪蒸罐中，闪蒸冷却以回收其热量。经过冷却之后，浓盐水排回大海。不凝性气体从冷凝管中抽出，并从一效流到另一效。这些不凝性气体最后在冷凝器富集，并用蒸汽喷射器或机械式真空泵抽出。众所周知，海水是一种复杂的天然平衡体系，具有高的盐量、导电性和生物活性，含有大量具有强腐蚀性的氯离子，而且腐蚀过程和现象极其复杂。所有与海水有关的机械设备，防止材料受到海水的腐蚀是首要解决的难题。结合海水淡化工程的T程实际，材料选择的原则是满足不同艺条件，包括介质、温度、压力的要求；根据不同的环境条件，以市场供货情况，选择经46豪言汽粉拽DONGFANGTURBINE济实用且性价比较优的材料。按MED海水淡化装置的组成分为蒸发器本体，管道及支架，加药系统三部分。2低温多效海水淡化工程材料的选择21蒸发器本体蒸发器本体是低温多效海水淡化设备中的主要组成部分，是海水与蒸汽进行热交换并产生相变的主要场所，所以是整个海水淡化设备的关键部分，而蒸发器内部则容易发生腐蚀、结垢等问题，这说明了对其材料的选择至关重要，蒸发器本体主要包括蒸发器筒体、管板、捕沫组件及换热管道等部分。211蒸发器筒体、管板及捕沫组件早期的淡化装置主要是用碳钢构造的，碳钢在有氧的条件下，与海水或海水蒸汽直接接触腐蚀尤其严重口。因为由二氧化碳产生的冷凝物，PH值较低，在有氧存在时，它的侵蚀性更强。当蒸发器内部有空气渗入时，碳钢管板经常2010年第1期被腐蚀破坏。因为在管板较低的部位，以及管束的冷端，聚集着不可凝气体，这些气体可产生具有腐蚀性的冷凝物，这些冷凝物可腐蚀碳钢管板。不锈钢则对这些冷凝物有抗腐蚀性。早期不锈铡材料只局限于浓盐水部分和捕沫网组件。捕沫网的材料为不锈钢，当夹带有海水的液滴蒸汽通过捕沫装置时，蒸汽可以通过捕沫装置，同时海水液滴撞到不锈钢上，被截留，因此捕沫装置主要起汽液分离以保证产品水纯度的作用。由于采用了不锈钢材料，因此在此部位看不到任何因腐蚀而造成的损坏。因此MED海水淡化设备中的管板及捕沫组件的选材上，考虑到海水腐蚀及加_工艺等因素，大都采用了耐腐蚀性很强的316L型不锈钢材料。316L型不锈钢是含钼2的耐腐蚀材料，”系列不锈钢比同类型不锈钢的含碳量要低，低含碳量使合金在焊接时，不会在热侵袭部位产生铬碳化合物，铬碳化合物会引起晶间腐蚀。海水淡化中常用的不锈钢成分见表1。表1海水淡化中常用的不锈钢牌号及化学成分钢种牌号CRNICMOTIWCUNO19900090003839007892800L13、6002125OOLL8O02721OO21504002819225745612873，5815OO607O2O48017由于不锈钢的价格要高于碳钢，因此从经济性考虑的话，使用碳钢材质的蒸发器简体及部分组件可以有效降低海水淡化设备的成本，因此目前可以采用高分子抗腐蚀涂料来提高碳钢材料的耐海水腐蚀特性，ITHD海水淡化蒸发器专用涂料等。针对印尼工程项目，由于抗腐蚀涂料对涂装要求较高，要求设备整体焊接后一次涂覆完成，并干燥保养1015天方可投入使用，而项目在海外，需经过海上长途运输，并且海外施工条件有限，因此本项目蒸发器筒体、管板、补沫装置仍采用316L不锈钢作为设备选材。212换热管道低温多效海水淡化是一个热交换过程，尽管很多种材料可作为热交换器管材，在此项目中，众和公司采用了钛材料及铝黄铜作为换热管道。在所有已经应用于海水淡化的材料中，钛材8LO卯OO舢O0川“M一一一一一唧一一一一一一201O年第1期料对海水耐蚀性最好，使用钛管制作热交换器的方案，可以使设备的使用寿命延长，并增加了运行的可靠性。这是因为钛自身有稳定的钝化膜。钛和钛合金耐湿氯气、氯化物溶液的腐蚀性也非常优良，使用温度小于110不会发生腐蚀或吸氢，但价格相对昂贵。在低温多效蒸馏装置中，热交换器管内走蒸汽，管外喷淋海水。考虑到技术条件、产品设计寿命和经济性等因素，在距离海水喷淋管最近的三排换热管道，全部采用钛圣言汔粉按DONGFANGTURBINE47管。钛管可以有效避免喷淋管道所喷淋出海水造成的冲刷腐蚀。众和公司在此次T程中所采用的钛管规格为TA2，19RAMX05RAMX51101RIM。铜合金管材作为淡化装置中最重要的材料之一，以其优良的耐蚀性、较好的传热性能，较钛管经济许多的价格优势，一直占据着海水淡化市场的主导地位。目前世界上海水淡化设备所采用的铜合金材料主要化学成分及机械性能要求如表2、表3所示。表2海水淡化中常用的铜合金的化学成分白铜管材ASTMB55298C70600美国C7L500C7164C72200O61H553603703015O61H554355153015O61H553103453015Y2M500320103314019090。130555000N00O3叭叭叭MN48圣言乞粉拔D0NGFANGTURBINE由于此次众和公司所承担的海水淡化T程位于气候炎热、变化多端的印度尼西亚，综合考虑了管材的寿命、当地的环境状况、设备的整体寿命及相关部件的匹配等因素后选择HA1772铝黄铜管材，规格为19RAMX075RAM5110RAM。由于在低温多效设备中系统最高温度不超过702，在真空状态下运行，国外研究表明铝合金材料即可满足系统耐腐蚀和使用寿命的要求，因为铝管本身可在其表面形成一层氧化膜能起保护作用使其本身不受进一步腐蚀。国外有关部门对5052铝合金在海水中的腐蚀性能进行了大量的实验，结果表明冷L5O52铝合金对层流和紊流状态下的海水均有较好的防腐作用，另外铝合金材料密度小、价格相对低廉，因此可大幅度降低装置制造成本。据分析采用铝合金管相对于铝黄铜换热管可使1程总投资降低约2540。国外一些海水淡化公司已经在工程中采用了铝合金材料，但我国在铝合金换热管材方面研究还比较薄弱，目前还停留在实验室试验阶段。22闪蒸罐及加药系统闪蒸罐分为浓水闪蒸罐和淡水闪蒸罐，除第一效外其它各效的冷凝液进入产品水闪蒸罐，各效产品水闪蒸罐相连。由于各效压力不同，产品水进入闪蒸罐后即闪蒸，并将热量带回蒸发器。这样，产品水呈阶梯状流动并被逐级闪蒸冷却，回收的热量可提高系统的总效率。被冷却的产品水由水泵输送到储罐。这样生产出来的产品水是平均含盐量小于5MGLFF纯水。浓盐水则从第一效呈阶梯状流入一系列的浓盐水闪蒸罐中，过热的浓盐水被闪蒸以回收其热量。经过闪蒸冷却之后的浓盐水最后经泵排回大海，因此闪蒸罐要求具有较高的抗腐蚀性和一定的机械强度。玻璃钢材料具有耐海水及酸碱腐蚀、防污耐磨性能优良的特点，并且耐热抗冻性好，在一40C120温度范同内使用良好，常被应用到低温多效海水淡化设备中。201O年第1期玻璃钢材料在海水淡化设备的应用上具有如下特点1耐腐蚀性能好。金属管罐输送或贮存介质时，金属材料极易与所输送或贮存的介质发生化学、电化学反应而产生腐蚀。另外，当周围环境恶劣时，这些金属管罐还会发生外表面的腐蚀。而缠绕成型玻璃钢管罐在结构上分内衬层、结构层及外保护层三部分，其中，内衬层及外保护层均富含树脂，介质对管罐的腐蚀与否及腐蚀程度主要取决于这两层中所用的树脂种类。通过对内衬层及外保护层所用树脂进行认真选择，可使缠绕玻璃钢管罐具有良好的内外防腐蚀性能，因而可广泛用于与酸、碱、盐、溶剂等不同介质相接触的场合。2内表面光滑、水力学性能优良。对于储罐而言，内表面光滑，则在使用过程中不会M现结垢现象；当被用作设备时，优良的水力学性能可减少搅拌器等工作时的阻力，延长设备使用寿命，提高功效。3质轻，安装、运输方便。缠绕玻璃钢管罐的密度为160GERA左右，仅为钢铁制品的1415，所以其壁厚虽较同规格的钢制品略厚，但其总重一般不到后者的12。质轻不但在运输时可节省油耗，而且还可降低对通行道路的要求，除此之外，装卸、安装也会快捷方便。对储罐而言，其本身较轻意味着对基座的压力减小，要求降低，从而使基座的造价适当减少。4热应力小、保温效果好。缠绕玻璃钢的热导率约为027WERA12，远低于钢制品的热导率约为628WCM，再加上缠绕玻璃钢储罐的壁厚，较钢铁等金属制品厚，所以输送、贮存介质时，在产品内外温差相同的情况下，使用玻璃钢制品导致的热量损失仅为钢铁制品的1100，玻璃钢的自身保温效果十分明显。使用玻璃钢管罐可较大幅度降低保温费用。另外，温差在玻璃钢管道上产生的热应力仅为钢2010年第1期管的1LL左右。这样，在实际使用中，钢管需增加膨胀接头以消除管线上的热应力集中，玻璃钢管一般却可以不予考虑。5可设计性强、连接方式多样灵活。根据使用情况可对缠绕玻璃钢管罐的具体性能及形状进行设计；可对缠绕时的缠绕角进行设计，以使管罐具有不同的纵环向强度分配；可对管罐壁厚进行设计，以使管罐可以承受不同的内外压；可对接头方式进行设计，适用不同的安装条件以提高工程安装速度；可对产品形状进行设计，以满足具体的形状需要。6可修复性强、维护方便。缠绕玻璃钢管罐不生锈、不结垢、耐腐蚀性好，一般情况下无需维护。即使需要维护，由于其质轻，维修也十分方便。基于以上特性，众和公司在此次海水淡化工程中采用玻璃钢材料作为闪蒸罐及加药系统的工程材料是符合项目要求和施工特点的。23管道系统及支架231蒸汽管道、抽不凝气管道及冷凝水排放管道蒸汽管道、抽不凝气管道及冷凝水排放管道，由于不直接接触海水，不需要采用316L不锈钢材质，但由于通过介质为蒸汽且温度较高，考虑成本及设计寿命等因素，采用具有耐腐蚀性优良且经济的304不锈钢作为蒸汽管道、抽不凝气管道及冷凝水排放管道。232鞍座及支架设备鞍座及支架由于不直接接触海水及海水蒸汽，因此选用碳钢材料即可，考虑到海边空气中湿度及盐度较高，在碳钢表面喷砂并涂覆防护油漆来提高材料耐腐蚀性。3总结综上所述，低温多效海水淡化设备的材料选择应遵循以下几项原则索玄乞粉拨DONGFANGTURBLNE491根据设备所处的