海水淡化工藝設(shè)計(jì)的方案

1前言1.1概況我國淡水資源極為匱乏，電廠在生產(chǎn)電能的同時(shí)，可運(yùn)用其便宜的熱和電，進(jìn)行海水淡化，不僅可滿足其工業(yè)用水的需要，并且還可為周邊地區(qū)提供淡水水源。在推動(dòng)和運(yùn)用海水淡化技術(shù)方面，電廠有著其得天獨(dú)厚的有利條件。因此濱海電廠配套建設(shè)海水淡化妝置已成發(fā)展趨勢(shì)。1.2水源及水質(zhì)特點(diǎn)某電廠取水含有海域廣闊、水量充沛、海水較清、懸浮物及有害微生物少等特點(diǎn)，可大大節(jié)省海水取水成本及原料海水預(yù)解決成本。海水水質(zhì)分析報(bào)告以下：分析報(bào)告送樣單位批號(hào)：樣品類型：海水檢測(cè)根據(jù)：GB17378.4-檢測(cè)環(huán)境：檢測(cè)溫度25.5濕度63%分析編號(hào)101238101239分析編號(hào)101238101239原號(hào)碼頭取水口原號(hào)碼頭取水口水溫18.619.1NO3-3.003.00鹽度‰29.626.3NO2-0.100.10色度未檢出未檢出HCO3-138140SS8078CO32-0.000.00濁度<3<3Ba2+<0.01<0.01含沙量kg/m30.100.12Sr2+<0.001<0.001DO3.424.15Mn2+<0.01<0.01高錳酸鹽指數(shù)CODMn1.541.64pH7.858.02BOD55.866.75fCO224.1518.64氨氮<0.01<0.01非碳酸鹽硬度mmol/l104104TOC0.280.2碳酸鹽硬度mmol/l1.181.16油0.0360.024負(fù)硬度mmol/l0.000.00硫化物<0.01<0.01甲基橙堿度mmol/l1.151.15化學(xué)需氧量(O2)9.258.76酚酞堿度mmol/l0.000.00K+524436灼燒減量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膠硅量(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總硬度mmol/l105107Cl-1635216478SO42-342835961.3海水淡化規(guī)模根據(jù)建廠地區(qū)的缺水狀況，電廠可針對(duì)性地提出水電聯(lián)產(chǎn)的方案，現(xiàn)在可解決電廠的淡水用水，后來可根據(jù)需要適時(shí)配套建設(shè)大規(guī)模的海水淡化廠，為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供淡水資源保障。本項(xiàng)目結(jié)合2×1000MW發(fā)電機(jī)組的建設(shè)規(guī)模，暫按配套建設(shè)2×104m3/d規(guī)模的海水淡化妝置設(shè)計(jì)；并對(duì)總規(guī)模為40×10本專項(xiàng)報(bào)告按本期工程廠內(nèi)自用的2×104m3/d規(guī)模和規(guī)劃容量的40×1042海水淡化技術(shù)概述海水淡化技術(shù)的種類諸多，但適于產(chǎn)業(yè)化的重要有蒸餾法（俗稱熱法）和反滲入法（俗稱膜法）。蒸餾法重要有多級(jí)閃蒸(MSF)、低溫多效蒸餾(LT－MED)技術(shù)。2.1蒸餾法淡化技術(shù)2.1.1多級(jí)閃蒸(MSF)MSF是蒸餾法海水淡化最慣用的一種辦法，在20世紀(jì)80年代以前，較大型的海水淡化妝置多數(shù)采用MSF技術(shù)。大港電廠二期工程引進(jìn)了美國的多級(jí)閃蒸(MSF)海水淡化妝置，是我國第一套大型的海水淡化妝置。MSF的典型流程示意圖見圖2-1。圖2-1鹽水再循環(huán)式多級(jí)閃蒸（MSF）原理流程多級(jí)閃蒸過程原理以下；將原料海水加熱到一定溫度后引入閃蒸室，由于該閃蒸室中的壓力控制在低于熱鹽水溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓的條件下，故熱鹽水進(jìn)入閃蒸室后即成為過熱水而急速地部分氣化，從而使熱鹽水本身的溫度減少，所產(chǎn)生的蒸汽冷凝后即為所需的淡水。MSF裝置含有設(shè)備單機(jī)容量大、使用壽命長(zhǎng)、出水品質(zhì)好、造水比高、熱效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但該裝置海水的最高操作溫度在110℃~120℃左右，對(duì)傳熱管和設(shè)備本體的腐蝕性較大，必須采用價(jià)格昂貴的銅鎳合金、特制不銹鋼及鈦材，因此設(shè)備造價(jià)高；設(shè)備的操作彈性小，多級(jí)閃蒸的操作彈性是其設(shè)計(jì)值的80%～110%，不適應(yīng)于產(chǎn)水量規(guī)定可變的場(chǎng)合。2.1.2低溫多效蒸餾(LT－MED)低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)是指鹽水最高溫度不超出70℃的淡化技術(shù)，是20世紀(jì)80年代成熟的高效淡化技術(shù)。其特點(diǎn)是將一系列的噴淋降膜蒸發(fā)器串聯(lián)布置。加熱蒸汽被引入第一效，其冷凝熱使幾乎等量的海水蒸發(fā)，通過多次蒸發(fā)和冷凝，背面的蒸發(fā)溫度均低于前面一效，從而得到多倍于蒸汽量的蒸餾水，最后一效的蒸汽在海水冷凝器中冷凝。第一效冷凝液返回鍋爐，而其它效及海水冷凝器的冷凝液收集后作為產(chǎn)品水。為提高熱效率，現(xiàn)在多采用壓汽蒸餾的淡化工藝，壓縮可采用蒸汽噴射器，稱為熱壓縮（TVC）；或采用機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)，即機(jī)械壓縮（MVC），由于受壓縮機(jī)的限制，其單臺(tái)裝置的容量較其它蒸餾裝置小?，F(xiàn)在絕大多數(shù)低溫多效蒸餾裝置都采用熱壓汽蒸餾的方式來提高熱能效率，即低溫多效加蒸汽壓縮噴射器（LT－MED－TVC）工藝。圖2-2是LT－MED－TVC蒸餾裝置的原理示意圖。圖2-2LT－MEDTVC蒸餾裝置的原理示意圖低溫多效海水淡化妝置的運(yùn)行溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MSF裝置的110℃，因此其能耗和管壁腐蝕及結(jié)垢速率均較低。和MSF相比，其設(shè)備本體和傳熱管的材質(zhì)規(guī)定較低，而熱效率較高。多效蒸餾的操作彈性很大，負(fù)荷范疇從110%變到40%，皆可正常操作，并且不會(huì)使造水比下降。低溫多效海水淡化妝置能夠用70℃左右，0.030-0.035MPa(a)的蒸汽作為熱源，當(dāng)提供的汽機(jī)抽汽參數(shù)高于低溫多效加熱蒸汽的壓力和溫度的規(guī)定時(shí)，可采用熱壓縮裝置，能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)的熱效率。國外近幾年MED發(fā)展快速，MED單臺(tái)最大產(chǎn)水量已達(dá)40000t/d，技術(shù)是成熟的。2.2海水反滲入(SWRO)淡化技術(shù)海水反滲入(SWRO)淡化技術(shù)在20世紀(jì)70年代后獲得了很大發(fā)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技術(shù)越來越引發(fā)人們的關(guān)注，現(xiàn)也已成為蒸餾海水淡化系統(tǒng)的重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。反滲入是用一種特殊的膜，在外加壓力的作用下使溶液中的某些組分選擇性透過，從而達(dá)成淡化、凈化或濃縮分離的目的。典型的海水反滲入解決工藝流程見圖2-3。預(yù)解決預(yù)解決反滲入膜組件保安過濾器產(chǎn)品水原水池澄清池海水電動(dòng)機(jī)能量回收濃水混凝劑殺菌劑殺菌劑除氯還原劑消毒劑高壓泵圖2-3典型的海水反滲入工藝流程圖海水反滲入(SWRO)系統(tǒng)所需的能量決定于進(jìn)水的含鹽量、系統(tǒng)的濃縮倍率、進(jìn)水溫度及產(chǎn)品水的水質(zhì)，其能耗普通為9～10kW?h/m3，若有能量回收裝置，則所需能耗為3.5～6kW?h/m3。海水反滲入SWRO設(shè)備除膜組件、高壓泵、能量回收裝置需要進(jìn)口外，其它設(shè)備和器件均能夠在國內(nèi)加工制造，設(shè)備投資以及制水成本相對(duì)較低。2.3海水淡化工藝重要技術(shù)性能對(duì)比慣用的海水淡化工藝重要技術(shù)性能見表2-1。表2-1海水淡化工藝技術(shù)比較海水淡化工藝比較SWROLT－MED－TVCMSF產(chǎn)品水水質(zhì)(mg/L)200500110110電耗(kW?h/m3)3.56.0（有能量回收）121.54裝置熱耗（kJ/kg）190400190400進(jìn)水預(yù)解決需設(shè)立完善的預(yù)解決系統(tǒng)規(guī)定進(jìn)水濁度不大于20mg/L300mg/L進(jìn)水水質(zhì)規(guī)定較低海水運(yùn)用率（或回收率）35％55%25％40％（含冷卻水量）排出海水的濃度原海水的1.61.9倍原海水的1.51.8倍原海水的1.72.2倍最大單機(jī)產(chǎn)水量（m3/d）相對(duì)較小6819091000操作彈性（％）不限40～11080～110從表2-1能夠看出，蒸餾法與反滲入法的重要技術(shù)區(qū)別在于：對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的規(guī)定不同；單機(jī)產(chǎn)水量的不同；變工況能力的不同；能（熱）耗的不同等。蒸餾法在裝置規(guī)模、預(yù)解決系統(tǒng)的規(guī)定、出水水質(zhì)、運(yùn)行可靠性以及電耗方面含有明顯優(yōu)勢(shì)，但蒸餾法的總能耗比SWRO法高；從海水用量上看，由于SWRO法水的運(yùn)用率高，因此取水量較少。在變工況能力上，SWRO法則沒有限制。與LT－MED－TVC相比，MSF裝置單機(jī)容量大，對(duì)進(jìn)水的水質(zhì)規(guī)定低，但其變工況能力差，抽汽參數(shù)高，工作溫度高，設(shè)備投資大，因而運(yùn)行費(fèi)用高。因此對(duì)于蒸餾法工藝推薦選用LT－MED－TVC方案。本專項(xiàng)將對(duì)SWRO和LT－MED－TVC兩種工藝進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合各淡水顧客的用水需求擬定海水淡化工藝。3電廠海水淡化方案選擇3.1海水淡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件按滿足電廠自用的2X104m3/d海水淡化規(guī)模及向地方供水的40X103.2反滲入膜法（SWRO）海水淡化技術(shù)方案(方案一)3.海水反滲入，其預(yù)解決的目的是避免懸浮雜質(zhì)、有機(jī)物、膠體物質(zhì)、細(xì)菌、微生物等附著在膜表面或堵塞膜元件水流通道，避免海水膜表面結(jié)垢沉淀，確保海水膜免受機(jī)械和化學(xué)損失，使膜保持良好的性能和足夠長(zhǎng)的使用壽命。根據(jù)海水的取水方式不同、所處的水域水質(zhì)不同，以及采用的海水淡化技術(shù)不同，采用的預(yù)解決方式不同。預(yù)解決系統(tǒng)的形式有：混凝、沉淀（澄清）、過濾（活性炭過濾器、多介質(zhì)過濾器微濾、超濾、納濾）等。常規(guī)的混凝澄清、介質(zhì)過濾的預(yù)解決方式在現(xiàn)在已運(yùn)行的海水反滲入系統(tǒng)中應(yīng)用較多、運(yùn)行使用時(shí)間較長(zhǎng)，但其占地面積大，系統(tǒng)復(fù)雜，操作費(fèi)力，運(yùn)行維護(hù)都需特別精心才干使反滲入膜不受到污染。超濾（微濾）預(yù)解決方式在水解決領(lǐng)域已應(yīng)用數(shù)年，也有許多成功的經(jīng)驗(yàn)。微濾（超濾）對(duì)海水中的膠體、懸浮顆粒、色度、濁度、細(xì)菌、大分子有機(jī)物含有良好的分離能力，其去除率好于常規(guī)的預(yù)解決方式，采用微濾(或超濾)作為海水反滲入的預(yù)解決，能夠滿足反滲入的進(jìn)水水質(zhì)規(guī)定。此技術(shù)由于改善了反滲入進(jìn)水水質(zhì)，不僅延長(zhǎng)了海水反滲入的清洗周期、反滲入膜的使用壽命，并且有助于提高系統(tǒng)的回收率、減少運(yùn)行費(fèi)用。且新技術(shù)占地面積小，操作、維護(hù)簡(jiǎn)樸。電廠普通狀況下海水水質(zhì)較好、懸浮物及泥沙含量較少，根據(jù)有關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)，海水反滲入淡化系統(tǒng)預(yù)解決可采用直接超（微）濾裝置。3.2.21）工藝流程海水—自清洗過濾器—超濾—海水反滲入—淡水箱—顧客2）SWRO系統(tǒng)配備及設(shè)計(jì)參數(shù)制水規(guī)模：2X104m3/d單機(jī)容量：200m3/h設(shè)備套數(shù)：5套；50套反滲入海水淡化的回收率：40%~45%產(chǎn)品水水質(zhì)：TDS(固體溶解物總量)300~500mg/L設(shè)計(jì)水溫：15℃~3.海水淡化站建（構(gòu)）筑物涉及：超濾、反滲入設(shè)備間，設(shè)備間內(nèi)設(shè)立控制室、加藥間、過濾間、水泵間、配電間等，室外設(shè)立各類水箱(池)等設(shè)施。海水淡化站占地分別約105m×50m，105mX3.3低溫多效（LT－MED－TVC）蒸餾法海水淡化技術(shù)方案(方案二)3.3.1低溫多效淡化妝置對(duì)進(jìn)水的水質(zhì)規(guī)定不高，鑒于本工程取水海域水質(zhì)較清、泥沙含量少，進(jìn)入海水淡化站的海水水質(zhì)較好。因此，本工程不設(shè)立預(yù)解決。為避免設(shè)備結(jié)垢，在進(jìn)料液中加入聚磷酸鹽類阻垢劑。為避免海生物孳生，設(shè)立次氯酸鈉加藥系統(tǒng)，以對(duì)進(jìn)入的海水進(jìn)行殺菌滅藻解決。工藝流程為：海水——海水取水泵——MED裝置——淡水箱/池——顧客3.3.2制水規(guī)模：2X104m3/d單機(jī)容量：10000m3/d；設(shè)備臺(tái)數(shù)：2臺(tái)；16臺(tái)造水比：12.5產(chǎn)品水水質(zhì)：TDS(固體溶解物總量)5mg/L。抽汽量：兩臺(tái)機(jī)共67t/h；1334t/h抽汽參數(shù)：壓力為0.55MPa（暫定），溫度為300℃3.3低溫多效設(shè)備露天布置，另設(shè)控制室、加藥間、配電間等。室外布置淡水池和水箱等設(shè)施。淡化站占地分別約130m×80m；180m×560m。4海水淡化方案的經(jīng)濟(jì)比較4.1自用型海水淡化廠的經(jīng)濟(jì)比較對(duì)于與發(fā)電工程配套的自用型0m4.1）年發(fā)電量按發(fā)電年運(yùn)用小時(shí)5500h計(jì)算，為110×108kW?h。2）廠用電廠用電涉及發(fā)電廠用水電和淡化用電兩部分，兩個(gè)方案的發(fā)電廠用電率差別很小，均按5％考慮。反滲入方案耗電：淡化站電耗3.5kW?h/m3，用于鍋爐補(bǔ)給水解決的淡水反滲入0.5kW?h/m3（為便于計(jì)算比較，淡水反滲入電耗按淡化站產(chǎn)淡水量進(jìn)行了折算），總電耗4.0kW?h/m3低溫多效蒸餾方案耗電：淡化站電耗1.5kW?h/m33）工程投資根據(jù)近期國內(nèi)海水淡化項(xiàng)目的實(shí)施狀況，LTMEDTVC海水淡化妝置投資約為800010000元?d/m3，SWRO海水淡化妝置為40005000元?d/m3，淡水反滲入為600~650元?d/m3。本報(bào)告暫按上限取值，即：方案一取5000元?d/m3，方案二取10000元?d/m3。4）運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用兩個(gè)方案的發(fā)電部分維修費(fèi)用基本相似。海水淡化妝置的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用：反滲入方案?。核幤芳澳じ鼡Q費(fèi)1.20元/m3淡水(涉及淡水反滲入部分)低溫多效蒸餾方案取：藥品費(fèi)0.20元/m3淡水5）其它條件標(biāo)煤價(jià)：1000元/噸蒸汽價(jià)格：按53.24元/噸計(jì)電費(fèi)：廠用電價(jià)按0.29元/kWh計(jì)算?；菊叟f費(fèi)：低溫多效設(shè)備屬于熱力設(shè)備，使用年限相對(duì)較長(zhǎng)，因此其固定資產(chǎn)折舊年限取25年；海水反滲入設(shè)施使用年限相對(duì)低溫多效設(shè)備較短，因此其固定資產(chǎn)折舊年限取。按電廠實(shí)際耗水量計(jì)算運(yùn)行費(fèi)用4.按上述條件，兩個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算成果見表4-1。表4-1海水淡化方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)項(xiàng)目單位方案一方案二海水淡化站投資萬元1289022890制水成本(元/噸)5.158.39從表4-1數(shù)據(jù)能夠看出：與方案二相比，方案一含有投資省、制水成本低的優(yōu)點(diǎn)。4.2外供型海水淡化方案的經(jīng)濟(jì)比較4.2.1經(jīng)濟(jì)比較模式外供淡水時(shí)，海水淡化方案的經(jīng)濟(jì)比較辦法有兩種。一種是僅就不同的淡化妝置方案計(jì)算其投資、成本，在相似的資本金內(nèi)部收益率的條件下，計(jì)算出不同方案的水價(jià)。此辦法存在兩個(gè)問題，第一是對(duì)于蒸餾法的熱價(jià)如何擬定。熱價(jià)是影響蒸餾法水價(jià)的重要因素，而熱價(jià)的擬定涉及到熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的效益以及固定資產(chǎn)折舊在熱和電中兩種產(chǎn)品如何分?jǐn)?，帶有很大的人為因素。第二是熱價(jià)的高低以及發(fā)電量的不同對(duì)發(fā)電部分（廠）的經(jīng)濟(jì)效益的影響沒有考慮?；谏鲜龇治?，本報(bào)告提出第二種比較模式，即將發(fā)電部分與制淡水部分捆成一種廠來進(jìn)行分析計(jì)算，即電廠有兩種產(chǎn)品：電和淡水。不同方案在鍋爐蒸發(fā)量、年供淡水量以及投資方內(nèi)部收益率相似的條件下，通過財(cái)務(wù)分析，假定電價(jià)計(jì)算水價(jià)，或假定水價(jià)計(jì)算電價(jià)，取其低者為優(yōu)。此種比較模式就避免了前述第一種辦法的問題。4.2.2比較計(jì)算的條件4.2.2.4.2.2.2年發(fā)電量按發(fā)電年運(yùn)用小時(shí)5500h計(jì)算。年供淡水量按淡化妝置年運(yùn)用小時(shí)7600h計(jì)算。4.2.2.1）方案一：發(fā)電廠用電率5%淡化廠用電率3.5kW?h/m32）方案二：發(fā)電廠用電率5.66%淡化廠用電率1.5kW?h/m34.2.2.4財(cái)務(wù)分析的其它條件標(biāo)煤價(jià)：650元/噸（惠安電廠煤價(jià)）投資方內(nèi)部收益率：10％假定水價(jià)（不含稅）從4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0元/m3計(jì)算對(duì)應(yīng)的電價(jià)4.2.34X104m3按上述條件，兩個(gè)方案的技術(shù)指標(biāo)計(jì)算成果見表4-2。表4-2技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目單位方案一（SWRO）方案二（LT-MED-TVC）總投資發(fā)電部分萬元924659.94924659.94海水淡化部分萬元211024.58427577.67累計(jì)萬元=SUM(ABOVE)1135684.52=SUM(ABOVE)1352237.61發(fā)電出力MW2×10002×857.74年發(fā)電量108kW?h110104.31年供電量108kW?h100.0796.51年供淡水量1012666.6712666.67平均發(fā)電標(biāo)煤耗kg/kW?h0.28260.2358制淡水能（標(biāo)煤）耗kg/m31.0418.815年耗煤量供電部分104t/a297.71241.18供淡水部分104t/a13.18106.91累計(jì)104t/a310.89348.09表4-3方案一（SWRO）財(cái)務(wù)分析計(jì)算成果表水價(jià)（元/m3）電價(jià)（元/MWh）投資方內(nèi)部收益率（％）投資回收期（年）備注不含稅含稅不含稅含稅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：本行數(shù)據(jù)是以假定本工程不設(shè)海水淡化時(shí)的電廠計(jì)算電價(jià)來計(jì)算水價(jià)。表4-4方案二（LT-MED-TVC）財(cái)務(wù)分析計(jì)算成果表水價(jià)（元/m3）電價(jià)（元/MWh）投資方內(nèi)部收益率（％）投資回收期（年）備注不含稅含稅不含稅含稅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：本行數(shù)據(jù)是以假定本工程不設(shè)海水淡化時(shí)的電廠計(jì)算電價(jià)來計(jì)算水價(jià)。圖4-1水價(jià)與電價(jià)關(guān)系曲線上述計(jì)算成果闡明，兩個(gè)方案在經(jīng)濟(jì)效益相似的條件下，隨著水價(jià)上升，電價(jià)隨之下降；在相似的水價(jià)下，方案一的電價(jià)明顯低于方案二的電價(jià)，或者說，在相似的電價(jià)下，方案一的水價(jià)明顯低于方案二的水價(jià)；由于方案二的制水能耗遠(yuǎn)不不大于方案一的制水能耗，兩個(gè)方案在年供水量相似，方案二的供電量比方案一少3.56×108kW?h的狀況下，方案二年用煤量比方案一多37.2×104t（標(biāo)煤），對(duì)應(yīng)多排放二氧化碳約84.7×104t?，F(xiàn)