鈦制板式換熱器在海水淡化中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間：2010-1-7 瀏覽：2916

      1前言

　　板式換熱器是一種高效、緊湊的換熱設(shè)備，19世紀(jì)80年代首先作為連續(xù)低溫殺菌器研制成功，到20世紀(jì)20年代開(kāi)始應(yīng)用于食品工業(yè)。由于板式換熱器在制造和使用上都有一些獨(dú)特之處，因此，目前板式換熱器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工、電力、冶金、機(jī)械、能源等工業(yè)領(lǐng)域，成為換熱器家族中極具競(jìng)爭(zhēng)力的品種。我國(guó)是從20世紀(jì)60年代開(kāi)始生產(chǎn)板式換熱器，至今板式換熱器在我國(guó)很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。鈦及鈦合金是一種新興的很有前途的金屬材料，用鈦制作換熱器具有耐腐蝕性好、傳熱效率高、表面光潔無(wú)結(jié)垢層、比重小、強(qiáng)度高、設(shè)備體積和質(zhì)量小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋工程、石油、化工、冶金、電子、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品加工、儀器儀表等領(lǐng)域。

　　2板式換熱器概述

　　板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過(guò)半片進(jìn)行熱量交換。它與常規(guī)的管殼式換熱器相比，在相同的流動(dòng)阻力和泵功率消耗情況下，其傳熱系數(shù)要高出很多，在適用的范圍內(nèi)有取代管殼式換熱器的趨勢(shì)。

　　板式換熱器、熱交換器行業(yè)板片常用的材料主要有奧氏體不銹鋼、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金等冷軋薄板。工業(yè)純鈦127用于板式換熱器，工業(yè)純鈦276和Ti-0.3Mo-0.8Ni 345用于管式換熱器。用TA1鈦板制造的板式換熱器，相比列管式換熱器有許多優(yōu)點(diǎn)，在市場(chǎng)上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，主要用于化工、石油、艦船、海水淡化等熱交換系統(tǒng)。

　　2.1板式換熱器的基本結(jié)構(gòu)

　　板式換熱器主要由框架和板片2大部分組成。板片是把由各種材料制成的薄板用各種不同形式的模具壓成形狀各異的波紋，并在板片4個(gè)角上開(kāi)有角孔，用于介質(zhì)的流道。板片的周邊及角孔處用橡膠墊片加以密封�？蚣苡晒潭▔壕o板、活動(dòng)壓緊板、上下導(dǎo)桿和夾緊螺栓等構(gòu)成。板式換熱器是將板片以疊加的形式裝在固定壓緊板、活動(dòng)壓緊板中間，然后用夾緊螺栓夾緊而成。

　　2.2板式換熱器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　板式換熱器在設(shè)計(jì)上主要有以下特點(diǎn)：

　　1)高效節(jié)能：其換熱系數(shù)在3000～4500 kcal/m2·℃·h，比管殼式換熱器的熱效率高3~5倍。

　　2)結(jié)構(gòu)緊湊：板式換熱器板片緊密排列，與其它換熱器類型相比，板式換熱器的占地面積和占用空間較少，相同換熱量的板式換熱器的面積僅為管殼式換熱器的1/5。

　　3)容易清洗拆裝方便：板式換熱器靠夾緊螺栓將夾固板板片夾緊，因此拆裝方便，隨時(shí)可以打開(kāi)清洗，同時(shí)由于板面光潔，湍流程度高，不易結(jié)垢。

　　4)使用壽命長(zhǎng)：板式換熱器采用不銹鋼或鈦合金板片壓制，可耐各種腐蝕介質(zhì)，膠墊可隨意更換，并可方便拆裝檢修。

　　5)適應(yīng)性強(qiáng)：板式換熱器板片為獨(dú)立元件，可按要求隨意增減流程，形式多樣；可適用于各種不同工藝的要求。

　　6)不串液，板式換熱器密封槽設(shè)置泄液道，各種介質(zhì)不會(huì)串通，即使出現(xiàn)泄露，介質(zhì)總是向外排出。

　　2.3板式換熱器的應(yīng)用場(chǎng)合

　　板式換熱器的主要應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)用情況如表1所示。

　　3鈦制板式換熱器產(chǎn)品系列

　　鈦制板式換熱器主要有汽-液型鈦板冷凝器和液-液型鈦板換熱器2類。其型號(hào)規(guī)格主要有：板式換熱器BR系列，BR02、BR035、BR046、BR080、BR10等；不等截面板式換熱器BBR系列，BBR06、BBR08、BBR10等。傳熱板片有0.2、0.35、0.46、0.60、0.80、1.0、1.28、1.3 m2(單片換熱面積)等多種規(guī)格。各種型號(hào)換熱器有相應(yīng)的產(chǎn)品規(guī)格系數(shù)，依其技術(shù)性能可供選擇。

　　以BR035型號(hào)板式換熱器為例，其主要技術(shù)參數(shù)為：?jiǎn)纹瑩Q熱面積為0.35 m2；板間距為3.2 mm；板片厚度為0.8mm；角孔直徑為120 mm；單流道截面積為0.001 136 m2：最大處理量為120 m3/h；傳熱系數(shù)為2500~5000 W/(m2·℃)，工作壓力為1.6 MPa；工作溫度為丁腈墊片<120℃，乙丙膠墊片<180℃，氟膠墊片<250℃；單臺(tái)設(shè)備最大裝機(jī)面積70 m2。可以看出，板式換熱器熱效率很高。綜上所述，在型號(hào)規(guī)格方面，我國(guó)已制造出大型單片換熱面積1.28 m2、1.3 m2等液-液型換熱器，這種大型板式換熱器的板式外型尺寸為2.2 m×0.81 m，板厚為0.6 mm，每臺(tái)最大組合面積為350 m2。這標(biāo)志著我國(guó)已擁有較強(qiáng)的鈦制板式換熱器設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造能力[1]。

　　4鈦制板式換熱器在海水淡化中的應(yīng)用

　　淡水約占地球水資源的3%，通過(guò)海水淡化獲取新的淡水資源是今后世界用水的一大趨勢(shì)。在解決沿海地區(qū)淡水資源緊張的諸多方法當(dāng)中，海水淡化是一種切實(shí)可行且有效的辦法。其中多級(jí)閃蒸(Muiti-Stage Flash，縮寫(xiě)為MSF)海水淡化技術(shù)占有主導(dǎo)地位。其生產(chǎn)能力為全世界海水淡化總產(chǎn)量的56 %。世界上規(guī)模在4000 t/d以上的海水淡化裝置中，MSF裝置占77.3%。目前，單機(jī)容量最大的MSF裝置是意大利SIR/EU-TECO公司生產(chǎn)的，出力為36 000 t/d，安裝在意大利本土[2]。

　　海水淡化技術(shù)在我國(guó)還處于起步階段，目前僅有少量的小型反滲透裝置，而大容量蒸餾裝置(包括多級(jí)閃蒸MSF、多效蒸發(fā)ME、蒸汽壓縮蒸餾VC等)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)才剛剛開(kāi)始。

　　4.1船用海水淡化技術(shù)分析

　　船用海水淡化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展始于20世紀(jì)50年代，至今已形成了蒸餾法、電滲析法和反滲透法等技術(shù)。從目前市場(chǎng)占有率來(lái)看，蒸餾和反滲透是主要型式。反滲透海水淡化裝置能耗較少，近年來(lái)裝船量增長(zhǎng)較快。在出海船只中，蒸餾法海水淡化裝置是主導(dǎo)產(chǎn)品，而且類型也比較多，既有多級(jí)閃發(fā)、沸騰蒸餾和壓氣蒸餾之分，也有管式、板式之分。多級(jí)閃發(fā)技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，其熱源主要是鍋爐蒸汽。壓氣蒸餾法需要有附加的蒸汽壓縮裝置，適用于供汽不便、沒(méi)有低品位熱量可用的場(chǎng)合。沸騰蒸餾法具有其他方法不可比擬的特點(diǎn)，如設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、原水不需要預(yù)處理、出水品質(zhì)較高等。其中的板式蒸餾法雖然蒸發(fā)效率高，但板間流體通道容易被固體顆粒沉積所堵塞，不適用于尾氣直接加熱的蒸餾裝置。

　　在商業(yè)用途上，淡水技術(shù)可分為2大類，一類為蒸餾法，另一類為薄膜法。蒸餾法又可細(xì)分為多級(jí)閃化法(Multi-Stage Flash，MSF)、多效蒸餾法(Multi-Effect Distillation，MED)和蒸汽壓縮法(Vapor Compression，VC)3種。薄膜法主要有電透析法(Electro Dialysis，ED)、逆(反)滲透法(Reverse Osmosis，RO)與納米過(guò)濾法(Nano Filtration，NF)等。在全世界海水淡化方法的應(yīng)用上，逆(反)滲透法(RO)排名是第1位，日產(chǎn)量達(dá)1409.1×104 t(43.5%)。多級(jí)閃化法(MSF)占第2位，為39.2%，日產(chǎn)量達(dá)1269.2×104 t。電透析法(ED)日產(chǎn)量146.2×104 t(4.5%)占第3位。其它還有蒸汽壓縮法(VC)、多效蒸餾法(MED)、納米過(guò)濾法等。多級(jí)閃化法和逆(反)滲透法是海水淡化領(lǐng)域的主流方法。

　　4.2鈦是海水淡化設(shè)備換熱器的首選材料鈦對(duì)氯具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，是海水淡化設(shè)備換熱器的首選材料。隨著沿海地區(qū)石化、電力等行業(yè)的迅速發(fā)展，應(yīng)用海水取代日益緊張的淡水作為工業(yè)冷卻介質(zhì)，可以節(jié)約大量的淡水資源，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是由于海水腐蝕性強(qiáng)，當(dāng)管材使用普通碳鋼或不銹鋼時(shí)，海水作為冷卻介質(zhì)會(huì)對(duì)管材產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，顯著降低熱交換器的使用壽命。這樣，不僅增加了設(shè)備的更換次數(shù)，同時(shí)也由于設(shè)備失效引起停工過(guò)于頻繁而使經(jīng)濟(jì)效益降低。一般情況下，為解決這一問(wèn)題，需要對(duì)管子進(jìn)行材料升級(jí)，升級(jí)材料常用的主要是鈦管。

　　就材料種類而言，應(yīng)用最廣泛的是工業(yè)純鈦(ASTM Grade 2)，溫度比較高的海水加熱器使用Grade 7或者Grade 12。Grade 16(Ti-0.5%Pd)具有更高的抗腐蝕能力，但是成本較高。另外，事實(shí)表明，Grade 1和Grade 2等工業(yè)純鈦在天然水、海水和各種氯化物中具有特殊的抗應(yīng)力腐蝕的能力。在海水流速為3～5 m/s的鈦制海水淡化設(shè)備中，生物污堵現(xiàn)象是最輕微的，鈦換熱器的污堵系數(shù)約為0.99～0.95[3]。

　　鈦在海水淡化設(shè)備中的應(yīng)用有海水淡化設(shè)備中的導(dǎo)熱管、多級(jí)閃蒸法(即MSF法)海水淡化裝置。占世界上78%的淡水造水量是采用蒸發(fā)法。現(xiàn)在最常用的是多級(jí)閃蒸法(即MSF法)。多級(jí)閃蒸海水淡化裝置技術(shù)成熟、出水量大、淡水品質(zhì)高、淡水成本低、適用范圍廣、運(yùn)行穩(wěn)定，再加上其利用電廠低品位熱能，提高了能源利用率。伴隨著國(guó)產(chǎn)MSF裝置的開(kāi)發(fā)成功，其必將成為近期沿海電廠首選的鍋爐補(bǔ)給水設(shè)備。

　　選用工業(yè)純鈦TA1無(wú)縫管做閃蒸器的冷凝管和鹽水加熱器的熱交換管，管板選用了TA1+16MnR+316L雙面復(fù)合鋼板。因?yàn)殁佡|(zhì)輕、耐蝕、高強(qiáng)度，是良好的抗海水腐蝕材料，使用它的可靠性高。使用鈦復(fù)合鋼板，可以減少鈦的使用量，且能滿足使用要求，降低裝置造價(jià)。

　　我國(guó)西北有色金屬研究院、北京有色金屬研究總院等單位也先后開(kāi)發(fā)出了一系列海洋工程用耐蝕鈦合金，如Ti75、Ti31和Ti631[4]。

　　4.3中國(guó)海水淡化業(yè)迅速崛起

　　我國(guó)海水淡化的研究起步較早，1958年開(kāi)始電滲析(ED)的研究，1965年開(kāi)始反滲透(RO)和蒸餾等的研究。海水淡化事業(yè)起步于1958年，50年來(lái)發(fā)展較快，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步和顯著成績(jī)，已逐步形成了一門(mén)綜合性的技術(shù)學(xué)科和水處理技術(shù)產(chǎn)業(yè)。包括蒸餾法、電滲析法、反滲透法、太陽(yáng)能法等淡化技術(shù)在不同程度上得到較廣泛的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，并已取得良好的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。海水淡化工程不但在國(guó)內(nèi)取得發(fā)展，而且還有技術(shù)輸出，如多套裝置已出口到印尼、中東、基里巴斯和馬爾代夫等國(guó)家和地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)擁有一支3000人以上的專業(yè)技術(shù)隊(duì)伍，從事科研與開(kāi)發(fā)的單位100多個(gè)，設(shè)備生產(chǎn)廠60多家。其中膜法技術(shù)所占比重最大，約占90%以上[5]。

　　隨著沿海地區(qū)及島嶼的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，及海水淡化技術(shù)的成熟與成本的降低，加上當(dāng)?shù)厮�資源的嚴(yán)重短缺，對(duì)海水淡化的需求會(huì)越來(lái)越大，近年來(lái)開(kāi)始有迅速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，僅舟山和長(zhǎng)島近年內(nèi)將逐步建成容量近2000 m3/d的幾個(gè)海水淡化站。大港電廠、大亞灣海水淡化裝置建設(shè)，以及北方濱海城市如大連、煙臺(tái)等也在考慮用海水淡化作為城市應(yīng)急供水。除海水淡化之外，沿海地區(qū)(另有華北和西北地區(qū))苦咸水資源也應(yīng)列在可用水資源之列，由于苦咸水淡化成本低，現(xiàn)已有一定規(guī)模，有不斷發(fā)展擴(kuò)大的趨勢(shì)，如淪化集團(tuán)已建成18 000 m3/d的高鹽度苦咸水淡化廠。海水和苦咸水淡化需求初步預(yù)測(cè)如表2所示[6]。

　　4.4國(guó)外鈦制板式換熱器在海水淡化上的應(yīng)用

　　海水淡化技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，從技術(shù)上講，已經(jīng)比較成熟，大規(guī)模地把海水變成淡水，已經(jīng)在世界各地出現(xiàn)，并以海灣地區(qū)為主。目前主要的海水淡化方法有多級(jí)閃蒸(MSF)、反滲透(SWRO)、多效蒸發(fā)(MED)和壓汽蒸餾(VC)等，而適用于大型海水淡化的方法只有SWRO、MSF和MED，最大的MSF淡化廠規(guī)模達(dá)30×104 m3/d，最大的SWRO淡化廠規(guī)模為20×104 m3/d。

　　商用和軍用航空用鈦占?xì)W洲市場(chǎng)總需求量的50%，這部分比較穩(wěn)定。而工業(yè)用鈦等領(lǐng)域不太穩(wěn)定，化學(xué)工業(yè)、電力、脫鹽業(yè)及其它占28%，熱交換器占11%，海洋業(yè)占8%，裝甲占3%[7]。在國(guó)外，鈦熱交換器的市場(chǎng)也極為可觀。美國(guó)在海洋油氣、天然氣、海水淡化等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)鈦換熱器、鈦冷凝器、鈦制采油平臺(tái)鈦蒸發(fā)器等。美國(guó)Delaware煉油廠用鈦管取代了所有換熱器的銅、鎳合金管，總長(zhǎng)度達(dá)300 km以上，其脫硫分離塔塔頂鈦冷凝器已運(yùn)行15年尚未腐蝕。

　　日本1999年制造熱交換器的用鈦量為2100 t，估計(jì)2009年將達(dá)5000 t。日本鈦應(yīng)用的特點(diǎn)仍是民用�；���、電力和海水淡化是日本鈦市場(chǎng)的主要領(lǐng)域。日產(chǎn)1.3×105 t的MSF型海水淡化裝置需用鈦1500 t。在耐蝕鈦合金方面開(kāi)發(fā)了以Co，Ru，Ni等代替價(jià)格高的Pd的SMI-ACE，AKOT，TiCOREX等鈦合金，用于發(fā)電、海水淡化、制鹽等的熱交換器[8]。Ti-0.5Ni-0.05Ru、Ti-0.005Pd-0.13Cr、Ti-0.4Ni-0.016Pd-0.025Ru-0.13Cr、Ti-Ni等新型耐蝕合金已被推向市場(chǎng)，Ti-0.5NI-0.05Ru已廣泛用于制作熱交換器，Ti-0.05Pd-0.3Co具有耐縫隙腐蝕性能，也用于熱交換器。

　　日本在薄壁鈦焊管的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面建立了海水淡化和電站冷凝器鈦薄壁焊管用帶卷的批量生產(chǎn)體系，相應(yīng)開(kāi)發(fā)了薄壁焊管的生產(chǎn)技術(shù)。日立，三菱及東芝生產(chǎn)的電站冷凝器，使用了厚0.5 mm的鈦焊管，三菱、川崎、日立、三井以及神戶制鋼等公司生產(chǎn)的海水淡化裝置，使用了厚0.5~0.7 mm的鈦焊管。

　　以電站應(yīng)用為主，鈦焊管作為海水淡化、煉鐵、船舶、石油精煉、化工等領(lǐng)域的傳熱管已廣泛使用。據(jù)報(bào)道，日產(chǎn)100 t的海水淡化裝置用鈦管達(dá)6萬(wàn)根。從1967年至1994年，在近30年的時(shí)間里，共生產(chǎn)了52套原子能級(jí)火力發(fā)電用冷凝器和7套海水淡化設(shè)備，共計(jì)使用鈦焊管11 000 t[9]。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　由于沿海地區(qū)淡水需求量的日益增大和我國(guó)海洋資源配合利用呼聲的升高，以多級(jí)閃蒸為龍頭的大型蒸餾海水淡化裝置(包括MSF、ME、VC)的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)必將成為我國(guó)的一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，向大海要效益是今后一段時(shí)期我國(guó)一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，海水淡化將成為我國(guó)2l世紀(jì)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]金志一.鈦工業(yè)進(jìn)展[J], 1995, 12(4): 7

　　[2]馬計(jì)中,杜明.河北電力技術(shù)[J], 1998, 17: 4

　　[3]黃虹.稀有金屬快報(bào)[J], 1999, 18(9): 5

　　[4]胡耀君.鈦工業(yè)進(jìn)展[J], 1998, 15(4): 1

　　[5]李仲欽.南海研究與開(kāi)發(fā)[J], 2002, 1: 35

　　[6]高從楷.化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)[J], 2003, 21(11): 24

　　[7]高敬,寧興龍.輕金屬[J], 2000, 11: 48

　　[8]周廉.稀有金屬材料與工程[J], 2003, 32(8): 577

　　[9]郝斌.鈦工業(yè)進(jìn)展[J], 1999, 16(6): 36