0 引言當前，淡水資源供應(yīng)已經(jīng)成為 21 世紀的主要問題。自然界的水資源是有限的。隨著農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，隨著發(fā)展中國家的人口膨脹和人民生活水平的不斷提高，全球的用水量急劇上升，差不多每 20 年就增長一倍。面對這些問題，海水淡化作為一種補足性的方案，不論從技術(shù)還是從經(jīng)濟的角度，都變得越來越重要。海水淡化技術(shù)的發(fā)展，在效率、可靠性和經(jīng)濟性方面都有了很大提高。低溫多效是海水淡化的一種技術(shù)，本文就其原理和技術(shù)特點進行闡述。 1 蒸餾主要的蒸餾方法包括： (1)單效或多效蒸餾，采用或不采用蒸汽壓縮 (2)閃蒸。蒸餾法最主要的優(yōu)點就是不需要對海水進行預(yù)處理，僅需進行標準過濾和簡單的加氯處理（或其它相應(yīng)處理）以殺死水中微生物。即使在懸浮物含量很高的情況下（例如數(shù)百 ppm），就可以對海水進行淡化。海水的取水口必須設(shè)置在適當?shù)奈恢?，以避免被海藻或泥沙所阻塞。蒸餾淡化裝置在正確操作和維護的條件下每年的有效工作時間超過 8300 小時，其使用壽命超過 20 年。目前全球共計日產(chǎn) 1600 萬立米的海水淡化裝置中，超過 80 是采用蒸餾法取得，這一成就在很大程度上是由上述的優(yōu)點實現(xiàn)的。 2 單效和多效蒸餾 2.1 單效蒸餾單效蒸發(fā)器是應(yīng)用蒸餾技術(shù)的淡化裝置中最簡單的配置形式（見圖 1）。在一個絕熱的容器中裝置一組水平的管道，管道中通入熱的介質(zhì)，一臺抽氣機來保持容器內(nèi)的真空。經(jīng)過預(yù)處理的海水補給水從上方噴淋到管束的表面，由于進行抽真空，內(nèi)部壓力低，在管道內(nèi)高溫介質(zhì)的作用下，再較低溫度就已經(jīng)沸騰。在容器中還裝置有一組使海水降溫的冷卻管道，沸騰的蒸汽在冷卻管束的表面凝結(jié)成水。從凝結(jié)器流下的水被收集到底盤中，并由水泵抽出。海水補給水量遠遠大于產(chǎn)品水，其中的大部分用于形成噴淋在管束上的水幕。海水中剩余的濃鹽水也在容器的底部收集，由鹽水泵抽出。 圖 1 單效蒸餾裝置 式中：Q:蒸汽和海水的交換熱量 P:淡水產(chǎn)量 r：汽化潛熱 k：海水補給量與淡水產(chǎn)量的比值 dt：蒸發(fā)器內(nèi)部與凝汽器出口的端差 Y：單位產(chǎn)品淡化水所需要的熱量如果 r＝560kcal/kg，k＝3.5，dt＝7°C，那么 Y≈585kcal/kg，基本上等于汽化潛熱。如果認為造水比就是產(chǎn)品水量和蒸汽量的比值，不難證明這個值大約等于 1。如此低的產(chǎn)水率只在能源價格足夠低廉的情況下才有利用價值。在船用淡化裝置中，為追求設(shè)計的簡單化可能采取單效的設(shè)計。 2.2 多效蒸餾顯然，使用單效蒸餾的方法無法進行大規(guī)模的廉價的海水淡化。為了減少熱能消耗以降低成本，將蒸汽的熱能進行循環(huán)并多次重復(fù)利用，是多效蒸餾的基本原理。水的沸點和它所受到的壓力有關(guān)，壓力越低，水的沸點就越低。第 1 效蒸發(fā)海水所得的蒸汽可以用作第 2 效的熱源（見圖 2）。第 2 效的沸點溫度和壓力比第 1 效低，效與效之間的熱量再生利用可以重復(fù)數(shù)次。這樣，供給蒸發(fā)器的熱量只需在第 1 效中將海水補給水加熱并將產(chǎn)品水汽化。不考慮熱量損失和其它輔助設(shè)備的消耗，一臺 N 效的蒸發(fā)器的每效產(chǎn)水量近似相同。 圖 2 多效蒸餾裝置 如果效數(shù) n＝4,k＝3.5，dt＝7°C， 那么 Y≈164kcal/kg 造水比為 3.5 左右如果采用熱壓縮噴射器，最后一效的部分（大約一半）蒸汽經(jīng)過壓縮，回到第一效，利用余熱，可進一步提高造水比，造水比可以達到 8 左右，國華滄東電廠就是這種模式。 3 效數(shù)的確定在確定淡化裝置效數(shù)時，需要考慮以下的因素： 1、為了最大限度減少水垢的沉積，濃鹽水的最大溫度不應(yīng)超過 63°C； 2、最后一效的水溫應(yīng)略高于冷卻海水的溫度； 3、在符合上述條件的溫度范圍內(nèi)，計算蒸發(fā)器的效數(shù)需要考慮所需的單位熱量消耗。這樣有利于實現(xiàn)投資成本與運行成本的優(yōu)化，以生產(chǎn)出最廉價的淡水。事實上較低的能量消耗通常需要更高的投資。因為在符合條件的溫度范圍內(nèi)效數(shù)越多，則兩個連續(xù)效之間的凈溫度差就越小。根據(jù)熱能交換方程，這個差值越小，為達到要求的熱交換效果所需的熱交換面積就越大。因此在效數(shù)增加時，為了達到規(guī)定的產(chǎn)水量，需要增加熱交換器的面積，這也意味著需要采用更大的蒸發(fā)器并相應(yīng)地增加建設(shè)投資。目前普遍采用的多效裝置一般為 4 效，它的單位熱消耗量接近每千克 150 千卡。不過有很多大型淡化廠的業(yè)績表明，多效蒸餾的效數(shù)完全可以繼續(xù)提高（目前可達 12 效）。 4 低溫多效蒸餾裝置的主要優(yōu)點 4.1 較低的結(jié)垢可能與工作在高溫環(huán)境的閃蒸裝置不同的是，多效蒸發(fā)器的鹽水溫度最高不能超過 63°C。這種差別是由多效蒸發(fā)器的工作原理決定的。熱蒸汽管蔟上的濃鹽水在重力的作用下向下流動，相反在多級閃蒸裝置中，鹽水循環(huán)是通過冷凝器的管束強制進行的。因此當使用可靠的阻垢劑時，多效蒸發(fā)器的水垢沉積率非常低。在正常的操作條件下，裝置一般可以持續(xù)工作很長時間，只需每一年或更長的時間進行一次酸洗。 4.2 腐蝕控制只需使用標準不銹鋼或敷有適當涂層的碳鋼就可以將腐蝕完全地控制住。 4.3 高純度的產(chǎn)品水大部分用于冷凝產(chǎn)生蒸餾水的蒸汽是在熱管蔟上產(chǎn)生，而不是由鹽水的閃蒸形成的。這種完美的蒸發(fā)作用使得蒸汽中攜帶的鹽水成分極為有限，因此可以產(chǎn)出純度很高的蒸餾水。 4.5 簡單的工藝泵通常情況下，多效蒸發(fā)器中不需要鹽水循環(huán)泵，因此在設(shè)備中沒有高壓回路和高壓泵。蒸發(fā)器所用的工藝泵，包括鹽水泵、產(chǎn)品水泵和冷凝水泵等，大多是簡單的臥式離心泵，這使得地面基礎(chǔ)工作更加簡單。 4.6 能耗更低有效減少熱能消耗。由于第 1 效的冷凝溫度只有約 65°C，所需的加熱蒸汽壓力也非常低，絕對值只有約 0.35bar，這將有利于降低能耗。此外，由于取消了鹽水的循環(huán)泵，實際的電能消耗也減至每立米產(chǎn)水大約 0.7–1.0kWh。 4.7 操作與維護更輕松淡化裝置的啟動非常方便快捷，運行也很穩(wěn)定，全部控制操作只用很少的儀表和開關(guān)就可以完成。裝置的高適應(yīng)性可以完全滿足低負荷時的運行要求。停機時啟動保存模式，以避免產(chǎn)生殘渣或廢棄物。只需要對主要的機械設(shè)備和包覆材料進行維護。 4.8 緊湊設(shè)計小型淡化裝置（日產(chǎn)水少于 2500 立米）可以使用撬裝的緊湊設(shè)計，以便最大限度地減輕土建工程和設(shè)備安裝的工作量。 5 水垢的形成 5.1 水垢形成的機理及后果水垢是海水溫度上升時所產(chǎn)生的礦物質(zhì)與鹽分的沉積，它的主要成份是碳酸鈣。碳酸鈣是由海水中溶解的碳酸氫鈣在高溫的作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的。反應(yīng)的速度主要受海水溫度的影響，超過 60°C 時反應(yīng)非常劇烈。在蒸發(fā)器內(nèi)釋放出的二氧化碳導(dǎo)致鹽水的 pH 值上升，加速了氫氧化鎂的反應(yīng)，也會形成沉淀。另一方面，硫酸鈣的溶解性隨溫度升高而降低，它在某些時候也會發(fā)生沉淀，開始產(chǎn)生沉淀的溫度和海水中的含鹽量有關(guān)。管蔟的結(jié)垢會使熱傳導(dǎo)系數(shù)大大降低。最糟糕的情況下，24 小時內(nèi)熱交換的容量可能減少 40。因此對海水進行處理最關(guān)鍵的要點就是降低其含鹽量，并以此來防止結(jié)垢。淡化裝置的最高工作溫度也是一個很重要的臨界參數(shù)，可以確保其性能指標不會隨著時間的推移而降低。 5.2 防止水垢的形成的措施 5.2.1 阻垢劑目前通常使用兩種化學(xué)藥劑來消除蒸餾裝置中水垢的沉積，它們分別是水垢控制劑和酸化劑。 5.2.2 定期酸洗持續(xù)向海水中添加阻垢劑并不能完全避免結(jié)垢，所產(chǎn)生的少量水垢仍需要進行定期的清理。定期使用腐蝕性較低的酸溶液在管束中進行數(shù)小時的循環(huán)，可以溶解管道內(nèi)碳酸鹽的沉積而不損傷管道。以使用鹽酸為例，它將和管道內(nèi)的碳酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶于水的氯化鈣和二氧化碳氣體。 當 該反應(yīng)可以通過監(jiān)測酸溶液的 pH 值進行控制， pH 值長時間保持不變時，除垢基本完成。除垢的周期取決于源海水的含鹽量、運行時間與淡化條件等。一臺低溫多效裝置根據(jù)設(shè)計條件和運行情況不同，必須每 1 到 1.5 年進行一次酸洗。 6 結(jié)束語隨著當前淡水資源的缺乏，海水淡化勢必成為解決這一問題的有效方法。低溫多效的海水淡化技術(shù)也必將得到廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的推廣價值。