依慶文,郭 浩,邢兆強(qiáng),趙達(dá)維,張 萌

(1.天津國(guó)投津能發(fā)電有限公司, 天津 300480;2.自然資源部 天津海水淡化與 綜合利用研究所,天津 300192;3. 天津市中海水處理科技 有限公司,天津 300450)

海水淡化技術(shù)已成為解決日益嚴(yán)重的淡水危機(jī)的重要途徑之一。低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)(LE-MED),相比于多級(jí)閃蒸海水淡化,具有熱效率高、操作溫度低、不易結(jié)垢等特點(diǎn)[1],而且能夠有效利用電廠或者鋼廠的低品位工業(yè)余熱進(jìn)而降低造水成本,已經(jīng)成為目前最主要的海水淡化技術(shù)之一[2]。天津國(guó)投津能發(fā)電有限公司海水淡化工程規(guī)模為20萬(wàn)t/d,采用低溫多效蒸餾技術(shù),工藝流程采用總體逆流串聯(lián)、組內(nèi)并聯(lián)的方式(圖1)。低溫多效海水淡化系統(tǒng)以一系列水平管、降膜式蒸發(fā)器—冷凝器實(shí)現(xiàn)多效連接,在平衡的真空條件下通過(guò)連續(xù)的蒸發(fā)和冷凝,從給定量的低溫輸入蒸汽產(chǎn)生大量的產(chǎn)品水。其中,蒸發(fā)—冷凝器裝置分成四個(gè)效組,每個(gè)效組分別包含2、3、4和5效。按照它們?cè)谡舭l(fā)器列中的排列位置,下文中對(duì)這些效組的簡(jiǎn)稱(chēng)分別是:1效至2效(第Ⅰ效組)稱(chēng)“熱”效組,3效至5效(第Ⅱ效組)和6效至9效(第Ⅲ效組)稱(chēng)“溫”效組,10效至14效(第Ⅳ效組)稱(chēng)“冷”效組[3]。

圖1 北疆電廠低溫多效海水淡化工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of LT-MED

該裝置自2010年投產(chǎn)以來(lái),采用入料口單點(diǎn)加藥方式運(yùn)行。如果按照首效結(jié)垢情況設(shè)計(jì)最大阻垢劑投加量,會(huì)導(dǎo)致全流程藥劑投加量大增,且沿程損失較大,不僅達(dá)不到好的運(yùn)行效果,而且造成藥劑大量浪費(fèi)。通常日常運(yùn)行中,藥劑投加量采用折中方案,由于海水淡化系統(tǒng)各效體內(nèi)的溫度、水質(zhì)及運(yùn)行工況不同,導(dǎo)致各效體出現(xiàn)顯著差異的結(jié)垢情況,主要表現(xiàn)為:靠近首效的效體由于濃海水鹽度高、蒸發(fā)溫度高,出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)垢情況;而靠近末效的效體則由于海水濃縮倍率和溫度較低,僅出現(xiàn)輕微的沉積垢。從而造成了長(zhǎng)期運(yùn)行后的嚴(yán)重結(jié)垢情況,必須定期對(duì)結(jié)垢嚴(yán)重的效體進(jìn)行額外的酸洗作業(yè),大大增加了海水淡化系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

近年來(lái),國(guó)外學(xué)者除了針對(duì)LT-MED系統(tǒng)本身開(kāi)展工藝優(yōu)化研究[4]之外,還開(kāi)展了海水淡化和其他系統(tǒng)耦合的多目標(biāo)優(yōu)化研究,包括MED-TVC-RO混合淡化系統(tǒng)[5]、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)海水淡化[6]以及燃?xì)獍l(fā)電廠余熱海水淡化系統(tǒng)[7]等。國(guó)內(nèi)學(xué)者則在LE-MED系統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面[8-10]開(kāi)展了很多工作,同時(shí),對(duì)于LT-MED運(yùn)行優(yōu)化方面的研究工作也日臻完善,尤其在入料方式[11]、化學(xué)清洗[12-13]、腐蝕結(jié)垢分析[14]等方面取得了一定進(jìn)步。但是占據(jù)海水淡化日常運(yùn)行成本比重較大的藥劑使用效率的提升仍待完善。研究針對(duì)北疆電廠逆流式LT-MED系統(tǒng)各效組水質(zhì)特征、運(yùn)行工況存在顯著差異的情況下,開(kāi)展加藥系統(tǒng)優(yōu)化研究。首先,對(duì)不同效組進(jìn)行水質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià),然后根據(jù)不同效組結(jié)垢傾向差異開(kāi)展各效組最優(yōu)加藥量實(shí)驗(yàn)。然后,針對(duì)北疆電廠低溫多效海水淡化裝置特點(diǎn),將原來(lái)單一入料口加藥方式改變?yōu)橄虿煌ЫM同時(shí)差異化多點(diǎn)加藥方式,并完成現(xiàn)場(chǎng)改造。最后,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn),檢驗(yàn)加藥系統(tǒng)運(yùn)行效果,并結(jié)合運(yùn)行工況和水質(zhì)監(jiān)測(cè),對(duì)加藥系統(tǒng)優(yōu)化后的海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行效率及藥劑節(jié)約成本進(jìn)行評(píng)估。

因此,開(kāi)展低溫多效海水淡化加藥系統(tǒng)優(yōu)化研究具有良好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義,對(duì)于海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。研究對(duì)大型低溫多效蒸餾海水淡化加藥系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行起到了技術(shù)支撐和實(shí)踐指導(dǎo)作用,對(duì)提高我國(guó)海水淡化技術(shù)的運(yùn)行管理工作水平提供了有益嘗試。

1 海水淡化各效組蒸發(fā)器水質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1.1 水質(zhì)檢測(cè)方法

分別選取低溫多效海水淡化系統(tǒng)的入料水(對(duì)應(yīng)第Ⅳ效組)、中間入料水A(對(duì)應(yīng)第Ⅲ效組)、中間入料水B(對(duì)應(yīng)第Ⅱ效組)和中間入料水C(對(duì)應(yīng)第Ⅰ效組)四個(gè)點(diǎn)位的水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè),分別用于判斷海淡裝置各效組的水質(zhì)特征和變化規(guī)律。水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 水質(zhì)檢測(cè)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Items and standards for water quality testing

1.2 水質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

針對(duì)各效組的水質(zhì)特征,分別采用Langelier(LSI)[15]、Ryznar(RSI)[16]、Puckorius(PSI)[17]指數(shù)等進(jìn)行各效組水質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。三個(gè)指數(shù)均基于碳酸鈣沉淀溶解平衡而建立,其中LSI亦稱(chēng)飽和指數(shù),通過(guò)計(jì)算水的實(shí)際pH值與該水在碳酸鈣飽和時(shí)的pHs之差(LSI=pH值-pHs),判斷碳酸鈣是否結(jié)晶析出進(jìn)而評(píng)價(jià)水的結(jié)垢或腐蝕趨勢(shì);RSI又稱(chēng)穩(wěn)定指數(shù),RSI=2pHs-pH值,是LSI的半經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)指數(shù),該指數(shù)更適用于高硬度和高堿度的水質(zhì)條件,一般認(rèn)為pH值在6.5～8.0時(shí)較準(zhǔn)確[18];PSI亦稱(chēng)結(jié)垢指數(shù),PSI=2pHs-pHeq,該指數(shù)采用平衡pHeq代替實(shí)際pH值修正RSI,屬于純經(jīng)驗(yàn)指數(shù),對(duì)于pH值>8.0的水體結(jié)垢預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高[19]。

以海淡裝置各效組的典型水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果平均值作為計(jì)算依據(jù),進(jìn)行第Ⅰ效組至第Ⅳ效組的水質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為:LSI>0有產(chǎn)生碳酸鈣沉積的傾向;RSI<3.7嚴(yán)重結(jié)垢,3.7

圖2 低溫多效海水淡化各效組結(jié)垢傾向評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 Evaluation results of scaling tendency for different evaporators of LT-MED

2 海水淡化各效組蒸發(fā)器最優(yōu)加藥量試驗(yàn)

2.1 阻垢性能測(cè)試方法

阻垢性能測(cè)試參照《GB/T 16632-2008 水處理劑阻垢性能的測(cè)定 碳酸鈣沉積法》進(jìn)行。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),將1 L水樣倒入燒杯中,空白組不加阻垢劑,試驗(yàn)組加入定量的阻垢劑(2、4、6、8 mg/L),置于設(shè)定溫度(70、65、55和50 ℃)恒溫水浴鍋中敞口加熱蒸發(fā),體積濃縮至500 mL時(shí),用玻璃蓋片蓋住杯口保持液位恒定,持續(xù)加熱至24 h,取出燒杯,帶溫度降至室溫后檢測(cè)。

用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定試驗(yàn)前后溶液中鈣離子濃度,可以計(jì)算出每組試驗(yàn)的鈣離子損失率(Y1),見(jiàn)公式(1)。

Y1=(C1-C2)/C1×100%

(1)

式中:Y1為鈣離子損失率,單位%;C1為試驗(yàn)前溶液鈣離子濃度,單位mg/L;C2為試驗(yàn)后溶液剩余鈣離子濃度,單位mg/L。

此外,通過(guò)EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定加藥組和不加藥組的剩余鈣離子濃度,可以計(jì)算出不同加藥濃度的阻垢率(Y2),見(jiàn)公式(2)。

Y2=(C4-C0)/(C3-C0)×100%

(2)

式中:Y2為阻垢率,單位%;C0為未投加阻垢劑時(shí)剩余鈣離子濃度,單位mg/L;C3為初始溶液鈣離子濃度,單位mg/L;C4為投加阻垢劑時(shí)剩余鈣離子濃度,單位mg/L。

試驗(yàn)用阻垢劑為以色列IDE技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ID 206AS阻垢劑,淺黃色澄清液體,密度1.18 g/cm3,pH值2.35,固含量22.1%。

2.2 試驗(yàn)條件的確定

通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,確定了北疆海淡裝置各效組的典型運(yùn)行工況(濃縮倍率和最高運(yùn)行溫度),見(jiàn)表2。因此,采用表中所列條件進(jìn)行各效組阻垢劑最優(yōu)投加量試驗(yàn)研究。需要說(shuō)明的是,如果入料水質(zhì)和運(yùn)行工況發(fā)生變化,則需要重新對(duì)不同效組進(jìn)行取樣,通過(guò)水質(zhì)、水溫檢測(cè)確定各效組的實(shí)際濃縮倍率和濃鹽水溫度,進(jìn)而調(diào)整試驗(yàn)條件。

表2 低溫多效海水淡化各效組典型運(yùn)行工況Tab.2 Typical operating condition for different evaporators of LT-MED

2.3 阻垢性能測(cè)試結(jié)果

(1)鈣離子損失率

不同阻垢劑投加量條件下的鈣離子損失率變化情況見(jiàn)圖3。由圖3可知,不投加阻垢劑時(shí),第Ⅰ效組的鈣離子損失率可達(dá)12.1%左右,第Ⅱ效組約為9.3%,第Ⅲ效組約為5.1%,第Ⅳ效組約為2.0%。說(shuō)明第Ⅰ效至第Ⅲ效組結(jié)垢明顯,第Ⅳ效組結(jié)垢輕微。此外,各效組的鈣離子損失率隨阻垢劑投加量的增加呈顯著下降趨勢(shì),當(dāng)投加量為2 mg/L時(shí),四個(gè)效組的鈣離子損失率分別降低至為3.7%、1.5%、0.1%和0.1%,低于5%的運(yùn)行控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 低溫多效海水淡化各效組鈣離子損失率變化規(guī)律Fig.3 Variation of calcium ion loss rate for different evaporators of LT-MED

(2)阻垢率

不同阻垢劑投加量條件下的阻垢率變化情況見(jiàn)圖4。由圖4可知,各效組的阻垢率隨阻垢劑投加量的增加呈顯著上升趨勢(shì)。根據(jù)阻垢率不低于90%的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),第Ⅰ效組的阻垢劑投加量應(yīng)不低于6 mg/L,第Ⅱ效組的投加量應(yīng)不低于4 mg/L,第Ⅲ效和第Ⅳ效組的投加量應(yīng)不低于2 mg/L。因此,設(shè)定四個(gè)效組的最優(yōu)投加量分別為:6、4、2、2 mg/L。

圖4 低溫多效海水淡化各效組阻垢率變化規(guī)律Fig.4 Variation of scale inhibition rate for different evaporators of LT-MED

3 加藥系統(tǒng)優(yōu)化改造及運(yùn)行效果評(píng)價(jià)

3.1 加藥系統(tǒng)改造

根據(jù)低溫多效海水淡化裝置特征,確定加藥線路改造方案為:保留入料口加藥點(diǎn)位,直接對(duì)Ⅳ效組進(jìn)行加藥,然后通過(guò)在阻垢劑加藥罐新增三臺(tái)加藥泵,并通過(guò)不銹鋼管道分別引入中間入料水泵A、B、C進(jìn)水管段對(duì)第Ⅲ效組、第Ⅱ效組和第Ⅰ效組進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)加藥。加藥量由各加藥泵控制,并設(shè)置止回閥和人工閥門(mén),防止管道藥劑逆流。加藥線路改造方案示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 低溫多效海水淡化加藥線路改造示意圖Fig.5 Schematic diagram of dosing line modification of LT-MED

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行及效果評(píng)價(jià)

在北疆電廠5#海水淡化裝置上開(kāi)展多點(diǎn)加藥系統(tǒng)改造,并進(jìn)行為期四周的現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行,各效組的阻垢劑按照最優(yōu)投加量設(shè)置,運(yùn)行期間,定期采集水樣、監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù),并對(duì)運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)水質(zhì)及垢樣檢測(cè)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行期間,每周對(duì)入料水、中間入料水A、中間入料水B、中間入料水C和濃鹽水進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣并檢測(cè),用于評(píng)估裝置運(yùn)行期間各效組的結(jié)垢情況。具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 北疆電廠5#海水淡化裝置多點(diǎn)加藥試現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)—水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Water quality test results of multi-point dosing test for 5# desalination unit in Beijiang Power Plant %

由表3可知,試運(yùn)行期間,5#海水淡化裝置各效體的濃縮倍率穩(wěn)定,其中,第Ⅰ效組～第Ⅳ效組濃縮倍率始終穩(wěn)定,其平均濃縮倍率分別為1.59、1.46、1.25和1.13,且各效組的鈣離子損失率均處于1.0～1.9之間的超低水平,說(shuō)明各效組均不發(fā)生明顯結(jié)垢情況,多點(diǎn)加藥的阻垢方案是可行的。

此外,對(duì)改造前后,5#海水淡化裝置第Ⅰ效底部大致相同位置的垢樣進(jìn)行了采集,并通過(guò)X射線熒光分析儀(XRF)對(duì)垢樣元素組成進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,加藥系統(tǒng)優(yōu)化前后S和Ca元素占比顯著降低,即垢樣中難溶的硫酸鈣垢成分大大降低,說(shuō)明加藥系統(tǒng)優(yōu)化后能夠有效控制結(jié)垢傾向最嚴(yán)重的第Ⅰ效底部的結(jié)垢趨勢(shì)。

表4 加藥系統(tǒng)優(yōu)化前后Ⅰ效底部垢樣X(jué)RF分析結(jié)果Tab.4 XRF analysis of 1st-effect bottom scale samples before and after dosing system optimization %

(2) 運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估

現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行期間,每日對(duì)5#海水淡化裝置的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄,并將每周平均結(jié)果列于表5,用于運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估。

表5 北疆電廠5#海水淡化裝置多點(diǎn)加藥試現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)—運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄Tab.5 Operation data of multi-point dosing test for 5# desalination unit in Beijiang Power Plant

由表5可知,現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行期間,海淡裝置的入料水水量穩(wěn)定在41 000～42 000 m3/d范圍內(nèi),回收率介于0.35%～0.40%之間,造水比在14.5～16.0范圍內(nèi)變化,整體來(lái)看,海淡裝置各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)異常工況。

(3)加藥量核算

現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行期間,每天對(duì)5#海淡裝置的加藥量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并將每周平均結(jié)果和總藥劑節(jié)約量列于表6。

表6 北疆電廠5#海水淡化裝置多點(diǎn)加藥試現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)—加藥率統(tǒng)計(jì)Tab.6 Dosing rate statistics of multi-point dosing test for 5# desalination unit in Beijiang Power Plant

由表6可知,通過(guò)采用多點(diǎn)加藥的方式,北疆電廠低溫多效海水淡化5#系統(tǒng)的加藥率由改造前的8.32 mg/L,降低至6.88～7.59 mg/L,藥劑消耗量與平時(shí)單點(diǎn)加藥方式相比,平均降低約14.46%。

(4)經(jīng)濟(jì)性分析

通過(guò)增加三臺(tái)加藥蠕動(dòng)泵并布置加藥管線進(jìn)行加藥系統(tǒng)優(yōu)化,其投資成本僅為1.9萬(wàn)元/套,且蠕動(dòng)泵最大功率50 W,運(yùn)行成本相當(dāng)?shù)?。因?僅對(duì)改造前后阻垢劑加藥量節(jié)省成本進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知,通過(guò)實(shí)施加藥系統(tǒng)改造,可直接降低淡化水制水成本0.05元/t。

表7 加藥系統(tǒng)優(yōu)化前后阻垢劑成本估算結(jié)果Tab.7 Cost estimation results of scale inhibitor before and after dosing system optimization 元/t

4 結(jié)論

1)低溫多效海水淡化裝置四個(gè)效組的水質(zhì)特征差異明顯,具有不同程度的結(jié)垢傾向,尤其是第I效組,其結(jié)垢傾向嚴(yán)重,需要著重進(jìn)行結(jié)垢控制,而其后效組結(jié)垢傾向依次降低。

2)通過(guò)靜態(tài)阻垢性能評(píng)價(jià)試驗(yàn),確定低溫多效海水淡化裝置第Ⅰ效組至第Ⅳ效組的阻垢劑最優(yōu)投加量分別為:6、4、2、2 mg/L。

3)通過(guò)新增中間入料水泵A、B和C三個(gè)加藥點(diǎn)位對(duì)北疆電廠5#海水淡化裝置進(jìn)行改造,實(shí)現(xiàn)了加藥系統(tǒng)由單點(diǎn)單一劑量投加改變?yōu)槎帱c(diǎn)差異化投加方式。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn),結(jié)果顯示:試驗(yàn)期間水質(zhì)穩(wěn)定,各效組均不發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象,運(yùn)行工況穩(wěn)定,阻垢劑投加量平均節(jié)約14.46%,制水成本降低0.05元/t。

4)采用多點(diǎn)加藥的方式對(duì)加藥系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化,既可以對(duì)不同效組的結(jié)垢問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性控制,又能顯著降低系統(tǒng)加藥量,節(jié)約運(yùn)行成本,達(dá)到海淡系統(tǒng)運(yùn)行提質(zhì)增效的目標(biāo)。