曹开智,李 燕

(上海电站辅机厂有限公司,上海200090)

余热利用低温多效蒸馏海水淡化技术发展探讨

曹开智,李 燕

(上海电站辅机厂有限公司,上海200090)

低温多效蒸馏海水淡化装置,是采用高品位的中低压汽轮机蒸汽作为动力蒸汽。通过设置蒸汽喷射器和减温装置,实现与加热蒸汽热源参数的相互匹配。在常规设计方案中,存在吨水当量电耗偏高问题,导致低温多效蒸馏海水淡化的运行成本较高,从而缺乏市场竞争力。探讨了利用低品位乏汽和热水余热进行低温多效蒸馏海水淡化的工艺方案,为低温多效蒸馏海水淡化技术的发展提供借鉴和参考。

海水淡化;低温多效蒸馏;汽轮机;喷射器;电耗;热水;余热;成本

0 概 述

据统计,当前仍有10多亿人生活在水资源匮乏的地区。至2025年,预计人数可能上升至18亿。根据国际脱盐协会(IDA)预测,未来10年,海水淡化市场仍将维持较高速度增长。我国淡水资源的总量,约为2.8万亿m3,但人均水资源量仅为2 220 m3,被联合国列为13个贫水国家之一。在全国657个城市中,有300个多城市存在淡水资源短缺的问题。我国“十三五”发展规划中,已明确将海水淡化作为水资源的重要补充和战略储备。发展海水淡化技术,可增加水资源的总量、改善水资源的结构,也是解决我国沿海地区淡水短缺问题的重要途径。

1 海水淡化主流技术

目前,大型海水淡化的主流技术较为多样,主要采用的是多级闪蒸(MSF)、低温多效(MED)和反渗透(RO)海淡技术。虽然,MSF的单台规模大,运行稳定可靠,但吨水投资和吨水电耗较高,工程应用主要集中在中东地区。MED同MSF相比,不仅拥有操作温度低(TBT<70℃),结垢腐蚀倾向小、传热效率高,产品水水质好(TDS<5 mg/L)和负荷调节范围大(40%~110%)等优点,还有电耗比MSF低约3.0 k W·h/t的绝对优势。所以,MED是业内公认的第二代热法海水淡化厂的主流技术,是热法海水淡化技术发展的方向。

低温多效蒸馏海水淡化通常采用高品位中低压汽轮机蒸汽作为其动力蒸汽,通过设置的蒸汽喷射器(TVC)和减温装置配套设计实现MED加热蒸汽热源参数的匹配,形成水电联产模式。该设计方案存在吨水当量电耗偏高问题,导致低温多效蒸馏海水淡化运行成本缺乏市场竞争力。根据文献[2]测算,对于抽取660 MW机组0.55 MPa、320℃的蒸汽进行制水,吨水当量电耗约为19 k W·h/t。在文献[3]中,当300 MW机组处于不同排汽背压时,分析了相对应的吨水单量电耗的变化趋势。对于MED和RO的海淡技术,如果考虑较长运行周期(20~30年),并考虑反渗透膜元件的更换周期,在整个使用周期内,设备折旧费用所占的吨水成本比例较小。所以,影响MED吨水成本大小的关键变量,是热源的成本。通过开发低成本甚至零成本的余热利用技术,可大大降低热源的成本,也是提升MED市场竞争力的重要手段。在MED工程应用方面,可利用余热主要包括低品位乏汽和热水两种。

2 乏汽配套低温多效蒸馏技术

2.1 后置机配套低温多效蒸馏

由于MED加热蒸汽温度低,通常绝压为35 k Pa之内的饱和蒸汽即可满足加热蒸汽要求。所以中低压蒸汽在进入MED装置前设置高背压汽轮机(后置机)发电,发完电后的乏汽作为MED的加热蒸汽。与传统MED-TVC方案最大的不同在于,后置机方案取消TVC设置,增设后置机、发电机等设备。

现以火力发电机组为例,在系统布置时,采用与TVC方案相同的蒸汽源,从中压缸引出蒸汽,通过管路输送至后置机,推动汽机做功发电。后置机排放的乏汽,通过喷水减温调节后,进入至MED系统制水。MED系统生产淡水一般经离子交换后,输送回除氧器作为锅炉补给水,再循环使用,也可经矿化处理后,直接输送至生活水管网或工业用户。电厂和后置机系统工艺流程简图,如图1所示。

后置机配套MED技术,是将发电后排放的乏汽用于生产淡水,可明显降低吨水当量电耗。但是相应地需要增加后置机及其配套设备等投资,同时两系统的运行控制及运行维护需要考虑增加后置机,后的变化和应急措施,但技术方案完全是可行的。

图1 MED配后置机及电厂原则性热力系统

关于后置机配套MED技术的经济性方面,现以某350 MW亚临界机组热电厂配套2×1万t/d建设项目为例:汽轮机抽汽压力0.4 MPa.a,温度245℃。后置机配套MED和MED-TVC方案蒸发器效数均为七效,后置机方案造水比5.6,MEDTVC方案造水比10.2。两种方案蒸发器首末效的参数完全一致,因此,最大程度地避免了因蒸发器本身的变量,造成对海淡效果的影响。后置机方案的最终凝汽量较大,不可避免地使凝汽器的体积增大,同时,配备的水泵容量也需加大,但两种方案的总投资相差不多。蒸汽价格可按照实际焓降法计算,后置机配套MED与MED-TVC方案的经济性计算结果,如表1所示。

从表1可知,同MED-TVC方案相比,后置机配套MED方案的吨水运行成本更具竞争优势。后置机配套MED方案配套两套后置机新增配套投资预估4 000万元估算,年利用用率为95%条件下,按理论计算,约2年半就能收回新增投资成本。另外需指出的是,后置机配套MED方案与MED-TVC方案的经济性还受年利用率的影响,系统年利用率降低,直接体现为吨水设备折旧费的升高。具体变化趋势,如图2所示。

表1 后置机配套MED方案与MED-TVC方案的经济性对比

图2 后置机方案吨水价格优势与年利用率的关系

从图2可知,当年利用率为70%时,后置机方案的吨水成本优势较为明显。如果年利用率小于50%,后置机方案的吨水成本反而比MED-TVC方案的吨水成本高。

2.2 高背压汽轮机配套低温多效蒸馏技术

高背压汽轮机配套MED技术主要是指适当提高汽轮机低压缸排汽压力,乏汽参数条件实现与MED的匹配设计,可以形成水电联产模式。对于水电联产项目整体而言,高背压汽轮机配套MED方案通过利用发完电的乏汽作为MED的加热蒸汽,实现能量的梯级利用,能量利用效率高。但是现今并没有大型工业化工程应用案例,整个机组采用高背压排汽方案时,还存在某些问题。

(1)高背压低压缸排汽量比较大,仅适用于大容量海水淡化项目。

(2)高背压低压乏汽蒸汽比容大,现有汽机厂房排汽管道布置存在较大困难。

(3)电厂机组和MED系统联动匹配、运行可靠性和安全性存在不确定性,特别是电厂机组变负荷运行、联锁保护和突发故障切换等相关运行控制技术有待解决。

高背压排汽方案配套MED技术虽然能量利用效率高,并且可以实现水电联产整体解决方案,但是未来如果要实现工业化应用,必须首先解决这些相关问题。

3 热水闪蒸配套低温多效蒸馏技术

热水闪蒸配套MED技术,主要是热水闪蒸出来的蒸汽作为MED的加热蒸汽,热水闪蒸系统和MED系统进行耦合设计。以带间接换热器的热水闪蒸配套MED工艺流程为例,高温热水来水通过设置间接换热加热闭式循环水,换热后的高温闭式循环水进入热水闪蒸罐闪蒸,闪蒸出来的蒸汽作为MED蒸发器第一效的加热蒸汽,蒸发器第一效的凝结水与闪蒸罐中未闪蒸的循环水混合后再次进入间接换热器。具有间接换热器的热水闪蒸配套MED简单工艺流程,如图3所示。

图3 带间接换热器的热水闪蒸配套MED工艺流程

热水闪蒸配套MED的真空系统,也可以设置成水环真空,以满足系统真空度的要求,此时,仅需具备热水热源,不需要蒸汽就可以生产高品质的淡水,MED有望延伸应用至沿海石油化工、钢铁等热水资源丰富领域。经调研,在国内钢铁、化工等行业,拥有丰富的低品位热水余热资源,其成本几乎可以忽略不计,甚至需要设置额外的冷却装置来进行冷却。所以热水热源(如考虑热效率,热水温度最好在80℃以上)与MED相结合,将实现余热资源回收再利用,提高MED的市场竞争力。以国内某石化厂配套海水淡化项目为例,热水闪蒸配套MED方案与MED-TVC方案经济性比较,如表2所示。

从表2可知,如果热水成本忽略不计,那么热水闪蒸配套MED吨水运行成本约为2.17元/吨,同MED-TVC方案相比,经济性指标拥有非常显著的价格优势。采用热水闪蒸配套MED技术比较经济,且节能环保。但是,国内外有关热水配套MED技术,基本上还停留在基础研究和实验研究阶段。目前,单机万吨级大型装置的工程案例比较少。经过多年自主开发和工程经验的积累,上海电气自主开发的热水闪蒸一体化配套MED专利技术,已获得工程订单,有望在2018年,实现热水闪蒸配套MED单机万吨级工程示范项目的突破。

表2 热水闪蒸配套MED与MED-TVC方案对比

在理论上,热水的余热回收利用配套MED技术,就是余热回收换热设备和闭式循环水配套MED工艺的耦合。通过余热回收换热设备,将回收的热量传递给冷侧的闭式循环水,其它工艺与热水闪蒸配套MED技术相同。如果热源拥有乏汽、热水和中压蒸汽,那么系统的整体方案和运行模式将更复杂,需要根据热源条件和运行模式,按切换要求进行系统的匹配设计。但在经济性的评估上,需要增加余热回收设备的投资成本和项目的运行成本。

4 结 语

低温多效蒸馏海水淡化通常采用高品位中低压汽轮机蒸汽作为其动力蒸汽,通过设置的蒸汽喷射器和减温装置配套设计来实现MED加热蒸汽热源参数的匹配,但存在吨水当量电耗偏高问题,导致运行成本缺乏市场竞争力。相同容量的后置机配套MED方案与MED-TVC方案相比,海水淡化部分项目总投资可以近似认为相同,后置机配套MED方案的经济指标具有一定优势,但还受年利用率的影响,并且年利用率降低对后置机配套MED方案的影响更大。虽然在高背压排汽方案配套MED方案中,能量的利用效率高,并可实现水电联产的整体解决方案,但要实现工业化应用,还需解决相关问题。热水闪蒸配套MED技术主要是实现热水闪蒸罐与MED耦合设计。如果热水成本忽略不计,其吨水运行成本拥有显著的竞争优势。

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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

曹开智(1980-),工程师,研究生,毕业于大连理工大学,从事海水淡化技术开发及工程设计方面的工作。