海水利用技术及其在火电厂中的应用

早期海水淡化的应用大都集中在干燥且缺水的中东地区。如今，随着各国的用水需求快速增加，在传统水源开发的成本与困难程度逐年增加以及水资源供需日益紧张的情形下，各国开始纷纷寻找新的水源。地球表面71%的面积被海水覆盖，是一个亟待开发的水资源库。

火电厂利用海水的途径目前主要是用海水作为电厂的循环冷却水、脱硫塔洗涤水和海水淡化后作电厂锅炉补给水及工业用水。与利用海水冷却相关的技术还有导热金属材料的研制和合理选用，防治海生物在冷却器或输水管道内生长、繁殖污堵与清除技术(包含电解海水制氯)等。

(一)直接利用海水作火电厂的循环水

大多数海滨电厂采用了海水直流冷却系统，解决了电厂的主要耗水，使全厂淡水消耗量减少约4/5。

海水直流冷却系统在设计中需考虑海水与淡水水质特性的差异所产生的影响，如浓缩海水对冷却塔、凝汽器的热力阻力性能的影响、浓缩海水高湿热环境中混凝土及金属构件的腐蚀特点，海水冷却塔淋水填料等塔芯材料的选择、浓缩海水环境中混凝土结构的防腐蚀方案及混凝土材质的选择以及凝汽器管材的选择等问题。美国新泽西州亚特大市的B.L.England电厂是美国第一个用海水作循环水的火电厂，该厂为单机容量160MW 的机组建立了自然通风的海水冷却塔。该塔设计循环水量为14420m3/h、设计湿球温度为24.4℃、空气相对湿度为60%、水温降14.5℃、冷却幅度10.6℃、采用石棉水泥填料、塔高43.4m、塔底直径为54.9m。

开发利用海水不但是缓解我国沿海城市淡水水资源紧缺的重要途径，而且是我国沿海地区电力建设必由之路。天津大港发电厂、浙江镇海电厂、台州电厂等都是利用海水作直流式供水发电的燃煤电厂。华能大连电厂2台350MW火电机组使用海水冷却凝汽器及水热交换器并将其排水串联使用(冲灰)，其余用水为淡水。即化学用水、工业用水 (含杂用水)及生活用水使用淡水，总耗水量很少，仅204m3/h。

(二)利用海水脱硫

天然海水通常呈碱性，自然碱度为1.2～2.5mmol/L。这使得海水具有天然的酸碱缓冲能力及吸收SO2能力。利用海水这种特性洗涤并吸收烟气中的SO2，可达到减排SO2的目的，又节约了淡水。

海水脱硫的主要化学反应为：

以上反应中产生的H+与海水中的碳酸盐再发生如下反应：

海水脱硫的工艺流程为：将海水送入喷淋洗涤塔，在海水与烟气接触的过程中对烟气进行脱硫，脱硫之后的海水排入曝气池，经生化处理后返回海洋，如图5-11所示。

图5-11　海水脱硫系统

海水脱硫工艺主要由以下系统组成：

(1)供排海水系统。从循环冷却系统将部分海水引入脱硫系统并在使用完后排入海水恢复系统。

(2)烟气系统。锅炉排出的烟气经除尘器后，由FGD系统增压风机送入换热器 (多用气—气换热器即GGH，也有的用水预冷器)降温，净化后的烟气一般需再通过换热器升温后经烟囱排入大气。

(3)洗涤塔系统。海水在洗涤塔中对烟气进行洗涤，利用海水的碱性去除烟气中的SO2。

(4)海水恢复系统。通过曝气池(视情况也可添加一定量的石灰石粉或石灰粉)使脱硫后的海水恢复到同类海水水质的标准(PH值、COD等)后排入海域。

海水脱硫工艺适用燃用低、中硫煤的电厂，由于它具有系统简单；一般不需要添加任何化学物质；没有固体副产物排放；脱硫率可达90%以上；投资及运行费用低；建设周期短；便于维护及运行等特点，已被成为沿海火电厂烟气治理的首选工艺。

(三)海水淡化技术

建在沿海的火电厂，海水淡化技术被用来解决火电厂除冷却水外的其他工业用淡水的供应问题。(www.xing528.com)

海水淡化是指脱除海水中的大部分盐分，使处理后的水符合用水(如生活用水、和其他工业用水等)标准的水处理技术的总称。海水淡化技术近年来发展十分迅速，现在越来越多的建在海滨的电厂，利用海水淡化技术减少对淡水资源的压力。

海水淡化技术的种类很多，但目前适于产业化的主要有蒸馏法和反渗透法。

1.蒸馏法

蒸馏法都需要大量的蒸汽，而火电厂正好有大量可以利用的汽轮机低压抽汽。因此，用这种技术满足沿海电厂的淡水供应问题，已被世界上许多国家采用，尤其是海湾国家因石油天然气丰富，采用蒸馏法的比较多。蒸馏法又分为多级闪蒸 (MSF)、低温多效(MED)和压汽蒸馏(TVC和MVC)技术。

(1)多级闪蒸法(MSF)。MSF是蒸馏法海水淡化最常用的一种方法，在20世纪80年代以前，较大型的海水淡化装置多数采用MSF技术。其工作原理是将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室，由于该闪蒸室中的压力控制在低于热盐水温度所对应的饱和蒸汽压的条件下，故热盐水进入闪蒸室后立即成为过热水而急速的部分汽化，使自身的温度降低，产生的蒸汽凝结后即为所需的淡水。图5-12为短管式闪蒸室的剖面示意图。

图5-12　短管式闪蒸室的剖面示意图

MSF装置的优点是设备单机容量大、使用寿命长、出水品质好、热效率高。但由于装置浓缩海水的最高操作温度在110℃左右，对传热管和设备本体的腐蚀性较大，必须采用价格昂贵的铜镍合金、特制不锈钢及钛材，因此设备造价高。另外，为了减轻结垢和腐蚀，需对进入装置的海水加酸和进行脱气 (脱除CO2和O2)，因而也增加了造水成本。

天津大港电厂二期工程引进了美国的多级闪蒸 (MSF)海水淡化装置，是我国第一套大型的海水淡化装置。

(2)低温多效法(MED)。MED低温多效海水淡化技术是盐水最高温度低于70℃的淡化技术，是20世纪80年代成熟的高效淡化技术。其特点是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联布置。加热蒸汽被引入第一效，其冷凝热使几乎等量的海水蒸发，通过多次蒸发和冷凝，后面的蒸发温度均低于前面一效，从而得到多倍于蒸汽量的蒸馏水，最后一效的蒸汽在海水冷凝器中冷凝。第一效冷凝液返回锅炉，而其他效及海水冷凝器的冷凝液收集后作为产品水。

其原理如下：循环盐水通过喷淋装置在横管束上形成液膜，加热蒸汽(或前效产生的二次蒸汽)在管内凝结，循环盐水在管外壁蒸发，产生二次蒸汽。二次蒸汽去下一效重新利用。图 (5-13)为横管降膜式蒸发器纵剖面示意图。其特点为在管内淡水凝结时，管外侧也有水的相变。由于二次蒸汽具有较高的焓值，轻易冷凝或排掉都是浪费的，现在一般的低温多效都是和压气相结合的。图5-13是IDE公司的和热压缩结合的横管降膜式低温多效蒸馏装置示意图。

图5-13　横管降膜式低温多效蒸馏装置示意图 (和热压缩结合)

图5-13所示装置为五效，分两组循环，前四效为热回收效，最后一效为排热效 (冷凝器)。海水首先进入排热效预热、脱气，从排热效出来的冷却水大部分排走，小部分作为进料回到第三效、第四效在管外进行降膜蒸发，经过这二效浓缩过的盐水在打入第一效、第二效继续蒸发，最后的浓盐水经浓盐水泵排除。低压蒸汽和经高压蒸汽压缩过的二次蒸汽作为第一效的热源。

低温多效海水淡化装置的运行温度小于70℃，远远低于MSF装置的110℃，所以其能耗和管壁腐蚀及结垢速率均较低。和MSF相比，其设备本体和传热管的材质要求也较低。

(3)压汽蒸馏(TVC和MVC)技术。压汽蒸馏的淡化工艺同MED蒸馏法，不同的是压汽蒸馏应用热耗非常低的热泵，用压缩蒸汽作为蒸发器热管束的加热蒸汽，是一种高效的蒸馏淡化法。压缩可采用蒸汽喷射器，称为热压缩 (TVC)；或采用机械蒸汽压缩机，即机械压缩(MVC)，是仅仅依靠电能的淡化技术。

2.海水反渗透 （SWRO）淡化技术

海水反渗透即膜法海水淡化，由于RO膜材料的不断改进，SWRO淡化技术在20世纪70年代后获得了很大发展，无论海水、苦咸水，亦无论大型、中型或小型都适应，是海水淡化技术中近20年来发展最快的。除了中东国家，美洲、亚洲和欧洲，大中生产规模的装置都以反渗透淡化技术为首选。SWRO以投资最低，能耗最省，建造周期短等优势，成为从海水制取饮用水较有竞争力的方法。我国大亚湾核电厂6000m3/d和山东威海电厂2500m3/d海水反渗透淡化均已运行多年。

SWRO系统所需的能量决定于进水的含盐量、系统的浓缩倍率、进水温度及产品水的水质，其能耗一般为9～10kW·h/m3，若有能量回收装置，则所需能耗为3.77～4.5kW·h/m3。

随着各种海水淡化工艺的成熟，海水淡化已经成为沿海火电厂，特别是大型火电厂实施科学发展、持续发展的战略选择。我国海岸线长，具有利用海水的得天独厚的条件，了解各种海水淡化技术的特点，并结合自身的具体条件，选择适当的海水淡化工艺，将为我国电力工业的可持续发展提供一条新的出路。表5-5列出了各种海水淡化技术性能比较。

表5-5　各种海水淡化技术比较

国家重点工程华能玉环电厂，是国内第一个建设国产100万k W 超超临界机组的电厂。规划装机容量为4×100万k W 超超临界燃煤机组，一期建设两台100万k W 机组，是目前国内单机容量最大、运行参数最高的燃煤发电机组。华能玉环电厂全年生产需要淡水800万t，而电厂所在地浙江玉环县是一个淡水资源比较紧缺的地区，华能玉环电厂开创了国际上首次采用“双膜法(UF+RO)”海水淡化工艺的先例，投资2亿元建造制水量达1440t/h的海水淡化系统，使电厂所需淡水全部来自海水淡化。是中国目前最大的海水淡化工程。这套海水淡化系统将充分利用电厂的循环系统，以降低造价，同时可以利用发电厂余热使循环排放水温升高9～16℃的有利条件，降低海水淡化工程的能耗。电厂海水淡化制水成本将在4元/t左右，基本与目前的工业用水水价持平。该工程全部投产可产淡水近3.5万t/d，而此前国内在建的其他海水淡化工程最大处理能力仅为1万t/d。该海水淡化系统建成后，不仅能极大地满足华能玉环电厂正常生产所需的工业用水和生活用水，多余的淡化水还能通过市政管网提供给玉环县当地居民使用，以缓解海岛县用水紧缺的状况，可节约淡水资源800万t/a。