钛制板式换热器在海水淡化中的应用
1前言
板式换热器是一种高效、紧凑的换热设备，19世纪80年代首先作为连续低温杀菌器研制成功，到20世纪20年代开始应用于食品工业。由于板式换热器在制造和使用上都有一些独特之处，因此，目前板式换热器已经广泛应用于石油、化工、轻工、电力、冶金、机械、能源等工业领域，成为换热器家族中极具竞争力的品种。我国是从20世纪60年代开始生产板式换热器，至今板式换热器在我国很多领域都得到了广泛的应用。钛及钛合金是一种新兴的很有前途的金属材料，用钛制作换热器具有耐腐蚀性好、传热效率高、表面光洁无结垢层、比重小、强度高、设备体积和质量小等特点，广泛应用于航空、宇宙开发、海洋工程、石油、化工、冶金、电子、医药卫生、食品加工、仪器仪表等领域。
2板式换热器概述
板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。它与常规的管壳式换热器相比，在相同的流动阻力和泵功率消耗情况下，其传热系数要高出很多，在适用的范围内有取代管壳式换热器的趋势。
板式换热器、热交换器行业板片常用的材料主要有奥氏体不锈钢、钛及钛合金、镍及镍合金等冷轧薄板。工业纯钛127用于板式换热器，工业纯钛276和Ti-0.3Mo-0.8Ni345用于管式换热器。用TA1钛板制造的板式换热器，相比列管式换热器有许多优点，在市场上有很强的竞争力，主要用于化工、石油、舰船、海水淡化等热交换系统。
2.1板式换热器的基本结构
板式换热器主要由框架和板片2大部分组成。板片是把由各种材料制成的薄板用各种不同形式的模具压成形状各异的波纹，并在板片4个角上开有角孔，用于介质的流道。板片的周边及角孔处用橡胶垫片加以密封。框架由固定压紧板、活动压紧板、上下导杆和夹紧螺栓等构成。板式换热器是将板片以叠加的形式装在固定压紧板、活动压紧板中间，然后用夹紧螺栓夹紧而成。
2.2板式换热器的设计特点
板式换热器在设计上主要有以下特点：
1)高效节能：其换热系数在3000～4500kcal/m2·℃·h，比管壳式换热器的热效率高3~5倍。
2)结构紧凑：板式换热器板片紧密排列，与其它换热器类型相比，板式换热器的占地面积和占用空间较少，相同换热量的板式换热器的面积仅为管壳式换热器的1/5。
3)容易清洗拆装方便：板式换热器靠夹紧螺栓将夹固板板片夹紧，因此拆装方便，随时可以打开清洗，同时由于板面光洁，湍流程度高，不易结垢。
4)使用寿命长：板式换热器采用不锈钢或钛合金板片压制，可耐各种腐蚀介质，胶垫可随意更换，并可方便拆装检修。
5)适应性强：板式换热器板片为独立元件，可按要求随意增减流程，形式多样；可适用于各种不同工艺的要求。
6)不串液，板式换热器密封槽设置泄液道，各种介质不会串通，即使出现泄露，介质总是向外排出。
2.3板式换热器的应用场合
3钛制板式换热器产品系列
钛制板式换热器主要有汽-液型钛板冷凝器和液-液型钛板换热器2类。其型号规格主要有：板式换热器BR系列，BR02、BR035、BR046、BR080、BR10等；不等截面板式换热器BBR系列，BBR06、BBR08、BBR10等。传热板片有0.2、0.35、0.46、0.60、0.80、1.0、1.28、1.3m2(单片换热面积)等多种规格。各种型号换热器有相应的产品规格系数，依其技术性能可供选择。
以BR035型号板式换热器为例，其主要技术参数为：单片换热面积为0.35m2；板间距为3.2mm；板片厚度为0.8mm；角孔直径为120mm；单流道截面积为0.001136m2：最大处理量为120m3/h；传热系数为2500~5000W/(m2·℃)，工作压力为1.6MPa；工作温度为丁腈垫片<120℃，乙丙胶垫片<180℃，氟胶垫片<250℃；单台设备最大装机面积70m2。可以看出，板式换热器热效率很高。综上所述，在型号规格方面，我国已制造出大型单片换热面积1.28m2、1.3m2等液-液型换热器，这种大型板式换热器的板式外型尺寸为2.2m×0.81m，板厚为0.6mm，每台最大组合面积为350m2。这标志着我国已拥有较强的钛制板式换热器设备的设计、制造能力[1]。
4钛制板式换热器在海水淡化中的应用
淡水约占地球水资源的3%，通过海水淡化获取新的淡水资源是今后世界用水的一大趋势。在解决沿海地区淡水资源紧张的诸多方法当中，海水淡化是一种切实可行且有效的办法。其中多级闪蒸(Muiti-StageFlash，缩写为MSF)海水淡化技术占有主导地位。其生产能力为全世界海水淡化总产量的56%。世界上规模在4000t/d以上的海水淡化装置中，MSF装置占77.3%。目前，单机容量最大的MSF装置是意大利SIR/EU-TECO公司生产的，出力为36000t/d，安装在意大利本土[2]。
海水淡化技术在我国还处于起步阶段，目前仅有少量的小型反渗透装置，而大容量蒸馏装置(包括多级闪蒸MSF、多效蒸发ME、蒸汽压缩蒸馏VC等)的开发生产才刚刚开始。
4.1船用海水淡化技术分析
船用海水淡化技术的产业化发展始于20世纪50年代，至今已形成了蒸馏法、电渗析法和反渗透法等技术。从目前市场占有率来看，蒸馏和反渗透是主要型式。反渗透海水淡化装置能耗较少，近年来装船量增长较快。在出海船只中，蒸馏法海水淡化装置是主导产品，而且类型也比较多，既有多级闪发、沸腾蒸馏和压气蒸馏之分，也有管式、板式之分。多级闪发技术现已比较成熟，其热源主要是锅炉蒸汽。压气蒸馏法需要有附加的蒸汽压缩装置，适用于供汽不便、没有低品位热量可用的场合。沸腾蒸馏法具有其他方法不可比拟的特点，如设备简单可靠、原水不需要预处理、出水品质较高等。其中的板式蒸馏法虽然蒸发效率高，但板间流体通道容易被固体颗粒沉积所堵塞，不适用于尾气直接加热的蒸馏装置。
在商业用途上，淡水技术可分为2大类，一类为蒸馏法，另一类为薄膜法。蒸馏法又可细分为多级闪化法(Multi-StageFlash，MSF)、多效蒸馏法(Multi-EffectDistillation，MED)和蒸汽压缩法(VaporCompression，VC)3种。薄膜法主要有电透析法(ElectroDialysis，ED)、逆(反)渗透法(ReverseOsmosis，RO)与纳米过滤法(NanoFiltration，NF)等。在全世界海水淡化方法的应用上，逆(反)渗透法(RO)排名是第1位，日产量达1409.1×104t(43.5%)。多级闪化法(MSF)占第2位，为39.2%，日产量达1269.2×104t。电透析法(ED)日产量146.2×104t(4.5%)占第3位。其它还有蒸汽压缩法(VC)、多效蒸馏法(MED)、纳米过滤法等。多级闪化法和逆(反)渗透法是海水淡化领域的主流方法。
4.2钛是海水淡化设备换热器的首选材料钛对氯具有很强的抗腐蚀性，是海水淡化设备换热器的首选材料。随着沿海地区石化、电力等行业的迅速发展，应用海水取代日益紧张的淡水作为工业冷却介质，可以节约大量的淡水资源，获得显著的经济效益和社会效益。但是由于海水腐蚀性强，当管材使用普通碳钢或不锈钢时，海水作为冷却介质会对管材产生严重腐蚀，显著降低热交换器的使用寿命。这样，不仅增加了设备的更换次数，同时也由于设备失效引起停工过于频繁而使经济效益降低。一般情况下，为解决这一问题，需要对管子进行材料升级，升级材料常用的主要是钛管。
就材料种类而言，应用最广泛的是工业纯钛(ASTMGrade2)，温度比较高的海水加热器使用Grade7或者Grade12。Grade16(Ti-0.5%Pd)具有更高的抗腐蚀能力，但是成本较高。另外，事实表明，Grade1和Grade2等工业纯钛在天然水、海水和各种氯化物中具有特殊的抗应力腐蚀的能力。在海水流速为3～5m/s的钛制海水淡化设备中，生物污堵现象是最轻微的，钛换热器的污堵系数约为0.99～0.95[3]。
钛在海水淡化设备中的应用有海水淡化设备中的导热管、多级闪蒸法(即MSF法)海水淡化装置。占世界上78%的淡水造水量是采用蒸发法。现在最常用的是多级闪蒸法(即MSF法)。多级闪蒸海水淡化装置技术成熟、出水量大、淡水品质高、淡水成本低、适用范围广、运行稳定，再加上其利用电厂低品位热能，提高了能源利用率。伴随着国产MSF装置的开发成功，其必将成为近期沿海电厂首选的锅炉补给水设备。
选用工业纯钛TA1无缝管做闪蒸器的冷凝管和盐水加热器的热交换管，管板选用了TA1+16MnR+316L双面复合钢板。因为钛质轻、耐蚀、高强度，是良好的抗海水腐蚀材料，使用它的可靠性高。使用钛复合钢板，可以减少钛的使用量，且能满足使用要求，降低装置造价。
我国西北有色金属研究院、北京有色金属研究总院等单位也先后开发出了一系列海洋工程用耐蚀钛合金，如Ti75、Ti31和Ti631[4]。
4.3中国海水淡化业迅速崛起
我国海水淡化的研究起步较早，1958年开始电渗析(ED)的研究，1965年开始反渗透(RO)和蒸馏等的研究。海水淡化事业起步于1958年，50年来发展较快，取得了长足进步和显著成绩，已逐步形成了一门综合性的技术学科和水处理技术产业。包括蒸馏法、电渗析法、反渗透法、太阳能法等淡化技术在不同程度上得到较广泛的开发和应用，并已取得良好的社会、环境和经济效益。海水淡化工程不但在国内取得发展，而且还有技术输出，如多套装置已出口到印尼、中东、基里巴斯和马尔代夫等国家和地区。据不完全统计，全国拥有一支3000人以上的专业技术队伍，从事科研与开发的单位100多个，设备生产厂60多家。其中膜法技术所占比重最大，约占90%以上[5]。
随着沿海地区及岛屿的社会经济发展，及海水淡化技术的成熟与成本的降低，加上当地水资源的严重短缺，对海水淡化的需求会越来越大，近年来开始有迅速增长的势头，仅舟山和长岛近年内将逐步建成容量近2000m3/d的几个海水淡化站。大港电厂、大亚湾海水淡化装置建设，以及北方滨海城市如大连、烟台等也在考虑用海水淡化作为城市应急供水。除海水淡化之外，沿海地区(另有华北和西北地区)苦咸水资源也应列在可用水资源之列，由于苦咸水淡化成本低，现已有一定规模，有不断发展扩大的趋势，如沦化集团已建成18000m3/d的高盐度苦咸水淡化厂。
4.4国外钛制板式换热器在海水淡化上的应用
海水淡化技术经过半个多世纪的发展，从技术上讲，已经比较成熟，大规模地把海水变成淡水，已经在世界各地出现，并以海湾地区为主。目前主要的海水淡化方法有多级闪蒸(MSF)、反渗透(SWRO)、多效蒸发(MED)和压汽蒸馏(VC)等，而适用于大型海水淡化的方法只有SWRO、MSF和MED，最大的MSF淡化厂规模达30×104m3/d，最大的SWRO淡化厂规模为20×104m3/d。
商用和军用航空用钛占欧洲市场总需求量的50%，这部分比较稳定。而工业用钛等领域不太稳定，化学工业、电力、脱盐业及其它占28%，热交换器占11%，海洋业占8%，装甲占3%[7]。在国外，钛热交换器的市场也极为可观。美国在海洋油气、天然气、海水淡化等领域开发钛换热器、钛冷凝器、钛制采油平台钛蒸发器等。美国Delaware炼油厂用钛管取代了所有换热器的铜、镍合金管，总长度达300km以上，其脱硫分离塔塔顶钛冷凝器已运行15年尚未腐蚀。
日本1999年制造热交换器的用钛量为2100t，估计2009年将达5000t。日本钛应用的特点仍是民用。化工、电力和海水淡化是日本钛市场的主要领域。日产1.3×105t的MSF型海水淡化装置需用钛1500t。在耐蚀钛合金方面开发了以Co，Ru，Ni等代替价格高的Pd的SMI-ACE，AKOT，TiCOREX等钛合金，用于发电、海水淡化、制盐等的热交换器[8]。Ti-0.5Ni-0.05Ru、Ti-0.005Pd-0.13Cr、Ti-0.4Ni-0.016Pd-0.025Ru-0.13Cr、Ti-Ni等新型耐蚀合金已被推向市场，Ti-0.5NI-0.05Ru已广泛用于制作热交换器，Ti-0.05Pd-0.3Co具有耐缝隙腐蚀性能，也用于热交换器。
日本在薄壁钛焊管的开发和应用方面建立了海水淡化和电站冷凝器钛薄壁焊管用带卷的批量生产体系，相应开发了薄壁焊管的生产技术。日立，三菱及东芝生产的电站冷凝器，使用了厚0.5mm的钛焊管，三菱、川崎、日立、三井以及神户制钢等公司生产的海水淡化装置，使用了厚0.5~0.7mm的钛焊管。
以电站应用为主，钛焊管作为海水淡化、炼铁、船舶、石油精炼、化工等领域的传热管已广泛使用。据报道，日产100t的海水淡化装置用钛管达6万根。从1967年至1994年，在近30年的时间里，共生产了52套原子能级火力发电用冷凝器和7套海水淡化设备，共计使用钛焊管11000t[9]。
5结语
由于沿海地区淡水需求量的日益增大和我国海洋资源配合利用呼声的升高，以多级闪蒸为龙头的大型蒸馏海水淡化装置(包括MSF、ME、VC)的开发生产必将成为我国的一项新兴产业，向大海要效益是今后一段时期我国一个新的经济增长点，海水淡化将成为我国2l世纪的朝阳产业。
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