海水淡化工艺设计的方案

1前言1.1概况我国淡水资源极为匮乏，电厂在生产电能的同时，可运用其便宜的热和电，进行海水淡化，不仅可满足其工业用水的需要，并且还可为周边地区提供淡水水源。在推动和运用海水淡化技术方面，电厂有着其得天独厚的有利条件。因此滨海电厂配套建设海水淡化妆置已成发展趋势。1.2水源及水质特点某电厂取水含有海域广阔、水量充沛、海水较清、悬浮物及有害微生物少等特点，可大大节省海水取水成本及原料海水预解决成本。海水水质分析报告以下：分析报告送样单位批号：样品类型：海水检测根据：GB17378.4-检测环境：检测温度25.5湿度63%分析编号101238101239分析编号101238101239原号码头取水口原号码头取水口水温18.619.1NO3-3.003.00盐度‰29.626.3NO2-0.100.10色度未检出未检出HCO3-138140SS8078CO32-0.000.00浊度<3<3Ba2+<0.01<0.01含沙量kg/m30.100.12Sr2+<0.001<0.001DO3.424.15Mn2+<0.01<0.01高锰酸盐指数CODMn1.541.64pH7.858.02BOD55.866.75fCO224.1518.64氨氮<0.01<0.01非碳酸盐硬度mmol/l104104TOC0.280.2碳酸盐硬度mmol/l1.181.16油0.0360.024负硬度mmol/l0.000.00硫化物<0.01<0.01甲基橙碱度mmol/l1.151.15化学需氧量(O2)9.258.76酚酞碱度mmol/l0.000.00K+524436灼烧减量45823864Na+51865241酸度mmol/l0.250.20Ca2+670664全硅量(SiO2)2.001.00Mg2+14571421溶硅量(SiO2)1.800.96Fe2＋0.000.00胶硅量(SiO2)0.200.04Fe3＋0.000.02全固形物3675239156Al3＋<0.01<0.01溶解固形物3683239243NH3<0.01<0.01总硬度mmol/l105107Cl-1635216478SO42-342835961.3海水淡化规模根据建厂地区的缺水状况，电厂可针对性地提出水电联产的方案，现在可解决电厂的淡水用水，后来可根据需要适时配套建设大规模的海水淡化厂，为地方经济发展提供淡水资源保障。本项目结合2×1000MW发电机组的建设规模，暂按配套建设2×104m3/d规模的海水淡化妆置设计；并对总规模为40×10本专项报告按本期工程厂内自用的2×104m3/d规模和规划容量的40×1042海水淡化技术概述海水淡化技术的种类诸多，但适于产业化的重要有蒸馏法（俗称热法）和反渗入法（俗称膜法）。蒸馏法重要有多级闪蒸(MSF)、低温多效蒸馏(LT－MED)技术。2.1蒸馏法淡化技术2.1.1多级闪蒸(MSF)MSF是蒸馏法海水淡化最惯用的一种办法，在20世纪80年代以前，较大型的海水淡化妆置多数采用MSF技术。大港电厂二期工程引进了美国的多级闪蒸(MSF)海水淡化妆置，是我国第一套大型的海水淡化妆置。MSF的典型流程示意图见图2-1。图2-1盐水再循环式多级闪蒸（MSF）原理流程多级闪蒸过程原理以下；将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后即成为过热水而急速地部分气化，从而使热盐水本身的温度减少，所产生的蒸汽冷凝后即为所需的淡水。MSF装置含有设备单机容量大、使用寿命长、出水品质好、造水比高、热效率高、寿命长等优点。但该装置海水的最高操作温度在110℃~120℃左右，对传热管和设备本体的腐蚀性较大，必须采用价格昂贵的铜镍合金、特制不锈钢及钛材，因此设备造价高；设备的操作弹性小，多级闪蒸的操作弹性是其设计值的80%～110%，不适应于产水量规定可变的场合。2.1.2低温多效蒸馏(LT－MED)低温多效蒸馏海水淡化技术是指盐水最高温度不超出70℃的淡化技术，是20世纪80年代成熟的高效淡化技术。其特点是将一系列的喷淋降膜蒸发器串联布置。加热蒸汽被引入第一效，其冷凝热使几乎等量的海水蒸发，通过多次蒸发和冷凝，背面的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水，最后一效的蒸汽在海水冷凝器中冷凝。第一效冷凝液返回锅炉，而其它效及海水冷凝器的冷凝液收集后作为产品水。为提高热效率，现在多采用压汽蒸馏的淡化工艺，压缩可采用蒸汽喷射器，称为热压缩（TVC）；或采用机械蒸汽压缩机，即机械压缩（MVC），由于受压缩机的限制，其单台装置的容量较其它蒸馏装置小。现在绝大多数低温多效蒸馏装置都采用热压汽蒸馏的方式来提高热能效率，即低温多效加蒸汽压缩喷射器（LT－MED－TVC）工艺。图2-2是LT－MED－TVC蒸馏装置的原理示意图。图2-2LT－MEDTVC蒸馏装置的原理示意图低温多效海水淡化妆置的运行温度远远低于MSF装置的110℃，因此其能耗和管壁腐蚀及结垢速率均较低。和MSF相比，其设备本体和传热管的材质规定较低，而热效率较高。多效蒸馏的操作弹性很大，负荷范畴从110%变到40%，皆可正常操作，并且不会使造水比下降。低温多效海水淡化妆置能够用70℃左右，0.030-0.035MPa(a)的蒸汽作为热源，当提供的汽机抽汽参数高于低温多效加热蒸汽的压力和温度的规定时，可采用热压缩装置，能够进一步提高系统的热效率。国外近几年MED发展快速，MED单台最大产水量已达40000t/d，技术是成熟的。2.2海水反渗入(SWRO)淡化技术海水反渗入(SWRO)淡化技术在20世纪70年代后获得了很大发展。由于RO膜材料的不停改善，以及能量回收效率的不停提高，SWRO技术越来越引发人们的关注，现也已成为蒸馏海水淡化系统的重要竞争对手。反渗入是用一种特殊的膜，在外加压力的作用下使溶液中的某些组分选择性透过，从而达成淡化、净化或浓缩分离的目的。典型的海水反渗入解决工艺流程见图2-3。预解决预解决反渗入膜组件保安过滤器产品水原水池澄清池海水电动机能量回收浓水混凝剂杀菌剂杀菌剂除氯还原剂消毒剂高压泵图2-3典型的海水反渗入工艺流程图海水反渗入(SWRO)系统所需的能量决定于进水的含盐量、系统的浓缩倍率、进水温度及产品水的水质，其能耗普通为9～10kW•h/m3，若有能量回收装置，则所需能耗为3.5～6kW•h/m3。海水反渗入SWRO设备除膜组件、高压泵、能量回收装置需要进口外，其它设备和器件均能够在国内加工制造，设备投资以及制水成本相对较低。2.3海水淡化工艺重要技术性能对比惯用的海水淡化工艺重要技术性能见表2-1。表2-1海水淡化工艺技术比较海水淡化工艺比较SWROLT－MED－TVCMSF产品水水质(mg/L)200500110110电耗(kW•h/m3)3.56.0（有能量回收）121.54装置热耗（kJ/kg）190400190400进水预解决需设立完善的预解决系统规定进水浊度不大于20mg/L300mg/L进水水质规定较低海水运用率（或回收率）35％55%25％40％（含冷却水量）排出海水的浓度原海水的1.61.9倍原海水的1.51.8倍原海水的1.72.2倍最大单机产水量（m3/d）相对较小6819091000操作弹性（％）不限40～11080～110从表2-1能够看出，蒸馏法与反渗入法的重要技术区别在于：对进水水质的规定不同；单机产水量的不同；变工况能力的不同；能（热）耗的不同等。蒸馏法在装置规模、预解决系统的规定、出水水质、运行可靠性以及电耗方面含有明显优势，但蒸馏法的总能耗比SWRO法高；从海水用量上看，由于SWRO法水的运用率高，因此取水量较少。在变工况能力上，SWRO法则没有限制。与LT－MED－TVC相比，MSF装置单机容量大，对进水的水质规定低，但其变工况能力差，抽汽参数高，工作温度高，设备投资大，因而运行费用高。因此对于蒸馏法工艺推荐选用LT－MED－TVC方案。本专项将对SWRO和LT－MED－TVC两种工艺进行技术经济比较，结合各淡水顾客的用水需求拟定海水淡化工艺。3电厂海水淡化方案选择3.1海水淡化系统设计条件按满足电厂自用的2X104m3/d海水淡化规模及向地方供水的40X103.2反渗入膜法（SWRO）海水淡化技术方案(方案一)3.海水反渗入，其预解决的目的是避免悬浮杂质、有机物、胶体物质、细菌、微生物等附着在膜表面或堵塞膜元件水流通道，避免海水膜表面结垢沉淀，确保海水膜免受机械和化学损失，使膜保持良好的性能和足够长的使用寿命。根据海水的取水方式不同、所处的水域水质不同，以及采用的海水淡化技术不同，采用的预解决方式不同。预解决系统的形式有：混凝、沉淀（澄清）、过滤（活性炭过滤器、多介质过滤器微滤、超滤、纳滤）等。常规的混凝澄清、介质过滤的预解决方式在现在已运行的海水反渗入系统中应用较多、运行使用时间较长，但其占地面积大，系统复杂，操作费力，运行维护都需特别精心才干使反渗入膜不受到污染。超滤（微滤）预解决方式在水解决领域已应用数年，也有许多成功的经验。微滤（超滤）对海水中的胶体、悬浮颗粒、色度、浊度、细菌、大分子有机物含有良好的分离能力，其去除率好于常规的预解决方式，采用微滤(或超滤)作为海水反渗入的预解决，能够满足反渗入的进水水质规定。此技术由于改善了反渗入进水水质，不仅延长了海水反渗入的清洗周期、反渗入膜的使用寿命，并且有助于提高系统的回收率、减少运行费用。且新技术占地面积小，操作、维护简朴。电厂普通状况下海水水质较好、悬浮物及泥沙含量较少，根据有关工程的经验，海水反渗入淡化系统预解决可采用直接超（微）滤装置。3.2.21）工艺流程海水—自清洗过滤器—超滤—海水反渗入—淡水箱—顾客2）SWRO系统配备及设计参数制水规模：2X104m3/d单机容量：200m3/h设备套数：5套；50套反渗入海水淡化的回收率：40%~45%产品水水质：TDS(固体溶解物总量)300~500mg/L设计水温：15℃~3.海水淡化站建（构）筑物涉及：超滤、反渗入设备间，设备间内设立控制室、加药间、过滤间、水泵间、配电间等，室外设立各类水箱(池)等设施。海水淡化站占地分别约105m×50m，105mX3.3低温多效（LT－MED－TVC）蒸馏法海水淡化技术方案(方案二)3.3.1低温多效淡化妆置对进水的水质规定不高，鉴于本工程取水海域水质较清、泥沙含量少，进入海水淡化站的海水水质较好。因此，本工程不设立预解决。为避免设备结垢，在进料液中加入聚磷酸盐类阻垢剂。为避免海生物孳生，设立次氯酸钠加药系统，以对进入的海水进行杀菌灭藻解决。工艺流程为：海水——海水取水泵——MED装置——淡水箱/池——顾客3.3.2制水规模：2X104m3/d单机容量：10000m3/d；设备台数：2台；16台造水比：12.5产品水水质：TDS(固体溶解物总量)5mg/L。抽汽量：两台机共67t/h；1334t/h抽汽参数：压力为0.55MPa（暂定），温度为300℃3.3低温多效设备露天布置，另设控制室、加药间、配电间等。室外布置淡水池和水箱等设施。淡化站占地分别约130m×80m；180m×560m。4海水淡化方案的经济比较4.1自用型海水淡化厂的经济比较对于与发电工程配套的自用型0m4.1）年发电量按发电年运用小时5500h计算，为110×108kW•h。2）厂用电厂用电涉及发电厂用水电和淡化用电两部分，两个方案的发电厂用电率差别很小，均按5％考虑。反渗入方案耗电：淡化站电耗3.5kW•h/m3，用于锅炉补给水解决的淡水反渗入0.5kW•h/m3（为便于计算比较，淡水反渗入电耗按淡化站产淡水量进行了折算），总电耗4.0kW•h/m3低温多效蒸馏方案耗电：淡化站电耗1.5kW•h/m33）工程投资根据近期国内海水淡化项目的实施状况，LTMEDTVC海水淡化妆置投资约为800010000元•d/m3，SWRO海水淡化妆置为40005000元•d/m3，淡水反渗入为600~650元•d/m3。本报告暂按上限取值，即：方案一取5000元•d/m3，方案二取10000元•d/m3。4）运行维护费用两个方案的发电部分维修费用基本相似。海水淡化妆置的运行维护费用：反渗入方案取：药品及膜更换费1.20元/m3淡水(涉及淡水反渗入部分)低温多效蒸馏方案取：药品费0.20元/m3淡水5）其它条件标煤价：1000元/吨蒸汽价格：按53.24元/吨计电费：厂用电价按0.29元/kWh计算。基本折旧费：低温多效设备属于热力设备，使用年限相对较长，因此其固定资产折旧年限取25年；海水反渗入设施使用年限相对低温多效设备较短，因此其固定资产折旧年限取。按电厂实际耗水量计算运行费用4.按上述条件，两个方案的经济指标计算成果见表4-1。表4-1海水淡化方案经济指标项目单位方案一方案二海水淡化站投资万元1289022890制水成本(元/吨)5.158.39从表4-1数据能够看出：与方案二相比，方案一含有投资省、制水成本低的优点。4.2外供型海水淡化方案的经济比较4.2.1经济比较模式外供淡水时，海水淡化方案的经济比较办法有两种。一种是仅就不同的淡化妆置方案计算其投资、成本，在相似的资本金内部收益率的条件下，计算出不同方案的水价。此办法存在两个问题，第一是对于蒸馏法的热价如何拟定。热价是影响蒸馏法水价的重要因素，而热价的拟定涉及到热电联产带来的效益以及固定资产折旧在热和电中两种产品如何分摊，带有很大的人为因素。第二是热价的高低以及发电量的不同对发电部分（厂）的经济效益的影响没有考虑。基于上述分析，本报告提出第二种比较模式，即将发电部分与制淡水部分捆成一种厂来进行分析计算，即电厂有两种产品：电和淡水。不同方案在锅炉蒸发量、年供淡水量以及投资方内部收益率相似的条件下，通过财务分析，假定电价计算水价，或假定水价计算电价，取其低者为优。此种比较模式就避免了前述第一种办法的问题。4.2.2比较计算的条件4.2.2.4.2.2.2年发电量按发电年运用小时5500h计算。年供淡水量按淡化妆置年运用小时7600h计算。4.2.2.1）方案一：发电厂用电率5%淡化厂用电率3.5kW•h/m32）方案二：发电厂用电率5.66%淡化厂用电率1.5kW•h/m34.2.2.4财务分析的其它条件标煤价：650元/吨（惠安电厂煤价）投资方内部收益率：10％假定水价（不含税）从4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0元/m3计算对应的电价4.2.34X104m3按上述条件，两个方案的技术指标计算成果见表4-2。表4-2技术指标项目单位方案一（SWRO）方案二（LT-MED-TVC）总投资发电部分万元924659.94924659.94海水淡化部分万元211024.58427577.67累计万元=SUM(ABOVE)1135684.52=SUM(ABOVE)1352237.61发电出力MW2×10002×857.74年发电量108kW•h110104.31年供电量108kW•h100.0796.51年供淡水量1012666.6712666.67平均发电标煤耗kg/kW•h0.28260.2358制淡水能（标煤）耗kg/m31.0418.815年耗煤量供电部分104t/a297.71241.18供淡水部分104t/a13.18106.91累计104t/a310.89348.09表4-3方案一（SWRO）财务分析计算成果表水价（元/m3）电价（元/MWh）投资方内部收益率（％）投资回收期（年）备注不含税含税不含税含税4.55.07328.31383.671011.195.05.64321.96376.261011.195.56.2315.61368.841011.196.06.77309.25361.421011.196.57.33302.9354.011011.197.07.9296.55346.591011.194.064.59333.79390.061011.19注注：本行数据是以假定本工程不设海水淡化时的电厂计算电价来计算水价。表4-4方案二（LT-MED-TVC）财务分析计算成果表水价（元/m3）电价（元/MWh）投资方内部收益率（％）投资回收期（年）备注不含税含税不含税含税4.55.08387.95453.251011.195.05.65381.37445.561011.195.56.21374.78437.871011.196.06.77368.19430.181011.196.57.34361.61422.491011.197.07.9355.02414.81011.198.619.72333.79390.011011.19注注：本行数据是以假定本工程不设海水淡化时的电厂计算电价来计算水价。图4-1水价与电价关系曲线上述计算成果阐明，两个方案在经济效益相似的条件下，随着水价上升，电价随之下降；在相似的水价下，方案一的电价明显低于方案二的电价，或者说，在相似的电价下，方案一的水价明显低于方案二的水价；由于方案二的制水能耗远不不大于方案一的制水能耗，两个方案在年供水量相似，方案二的供电量比方案一少3.56×108kW•h的状况下，方案二年用煤量比方案一多37.2×104t（标煤），对应多排放二氧化碳约84.7×104t。现