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        核能海水淡化

        发布时间: 2014-06-29 16:47:39   作者:无   来源:
        第一部分:概述
        第二部分:技术原理
        第三部分:国内应用和发展
        第四部分:国外应用和发展
        第五部分:经典案例
        第六部分:参考文献
         
        概述
        海水淡化即利用海水脱盐生产淡水。是实现水资源利用的开源增量技术,可以增加淡水总量,且不受时空和气候影响,水质好、价格渐趋合理,可以保障沿海居民饮用水和工业锅炉补水等稳定供水。从海水中取得淡水的过程谓海水淡化。现在所用的海水淡化方法有海水冻结法、电渗析法、蒸馏法、反渗透法,目前应用反渗透膜的反渗透法以其设备简单、易于维护和设备模块化的优点迅速占领市场,逐步取代蒸馏法成为应用最广泛的方法。
         
        技术原理
        核电站和低温核供热堆都能够向海水淡化系统提供热源;对海水淡化装置的选择,要求是热能利用效率高、传热性能好,造价较低,产水量大,工艺运行稳定安全,所以目前可
        供选择的工艺主要是多级闪蒸、多效蒸馏和反渗透法。
        a)   多效蒸馏海水淡化技术
        多效蒸馏又称作多效蒸发(MEDMultiEffect Distillation),是最古老的一种海水淡化
        工程技术。1)按工艺流程主要有:顺流、逆流、平流,此外还有混和流程。顺流就是原料海水和原加热蒸汽从高温效(第一效)加入,然后按照第一效、第二效、第三效、??依次顺序,最后海水浓溶液从末效排出;逆流是原料海水流动路线方向和原加热蒸汽流向相反;平流是原料海水分别从各效加入,浓溶液从各效单独排出。对于海水淡化系统来说,常见的是逆流进液,顺流蒸馏的混和流程。2)按蒸馏设备,可以分为强制对流蒸发器、自然循环蒸发器和膜式蒸发器。其中膜式蒸发器又可以分为升膜式和降膜式蒸发器,而降膜式蒸发器又分为竖管降膜蒸发(VTE)和水平管降膜蒸发(HTE)。如果按设备的连接方式,多效蒸馏又可以分为水平式多效蒸馏和塔式多效蒸馏。水平式多效蒸馏设备采用水平连接方式,塔式多效蒸馏设备采用垂直安装。3)按多效蒸馏的最高沸腾温度(TBTTop Brine Temperature),可以分为低温多效蒸馏和高温多效蒸馏。高温多效蒸馏的最高蒸发温度高于90℃,其可以安排较多效数,热效率较高,具有较高造水比。缺点是前几效蒸发温度较高,传热管表面容易结垢,腐蚀速度也快,对设备材质和海水预处理要求较高。低温多效蒸馏技术于20世纪70年代初开发,盐水最高沸腾蒸发温度不超过70℃,可以大大减缓设备的腐蚀;且由于盐水蒸发温度低,可以使用廉价传热材料,投资规模效益更好。
        b)   温多效海水淡化设计
            多效蒸馏工艺由多个蒸馏装置组成,即前一个蒸发器蒸发出来的二次蒸汽导人下一个蒸发器作为加热蒸汽并在本蒸发器中冷凝成为蒸馏水,依此类推。每一个蒸发器及其配套设备称为一效,这样就可以组成二效、三效、多效。原料海水首先进入终端冷凝器中预热、脱气,而后被分成两股物流:一股作为冷却水排回大海,另一股作为蒸馏过程的进料海水。进料海水加入阻垢剂后被泵引入到各效的预热器中进行预热,最后由第一效预热器
        进入第一效蒸发器。进料海水在蒸发器中,经喷嘴被均匀分布到蒸发器的顶排管上,然后沿顶排管以薄膜形式向下流动,部分水吸收管内冷凝蒸汽的潜热而蒸发:产生的二次蒸汽在下一效蒸发器中冷凝成产品水;剩余海水料液由泵也输送到下一效蒸发器中,重复喷淋、蒸发、冷凝过程。在这个过程中,由于第二效的操作压力要低于第一效,二次蒸汽在经过汽液分离器后,进入下一效传热管。蒸发、冷凝过程在各效重复,最后一效的蒸汽在终端冷凝器中被原料海水冷凝。
        在第一效,原加热蒸汽冷凝成水返回核电站或者低温核供热堆继续使用,而其余各效的冷凝水进入产品水罐。在这个过程中,由于各效压力不同会使产品淡水闪蒸,并将热量带回蒸发器。这样,产品水呈阶梯状流动并被逐级闪蒸冷却,回收的热量可提高系统的总效率。被冷却的产品水由产品水泵输送到产品水储罐收集。浓盐水从第一效呈阶梯状流人下一效,同时过热的浓盐水被闪蒸以回收其热量;经过闪蒸冷却之后的浓盐水最后经浓盐水泵排回大海。不凝气从每一效的冷凝管中抽出,最后在冷凝器富集,由真空泵抽出。
         
        国内发展和应用现状
        我国科学家已在海水淡化的工艺流程上取得突破性进展, 利用多级多效蒸馏结合或压缩多效蒸馏技术, 可使造水比例达到目前的2 倍以上, 淡化水成本可降到每立方米1 元人民币左右, 从而为核能海水淡化厂的建立奠定了坚实的技术基础。
        中国的核能海水淡化规划,包括耦合自主开发的核热反应堆,以及综合效果蒸馏法的海水淡化工厂。第一个5兆瓦热的热反应堆自1989年开始运行。3500立方米/日的MED工厂耦合到汕头5兆瓦热的热反应堆上。已经批准在中国北方建设200兆瓦热输出的热反应堆样板项目。商业化的核能海水淡化工厂,基于耦合200兆瓦热的热核反应堆以及150000立方米/MED工厂,计划本世纪末建于大连。
         
        国外发展和应用现状
        世界上已有11个核电站安装了海水淡化装置, 提供饮水和核电站补水。在国外内核反应堆技术成熟的条件下, 核能海水淡化在技术上已经不存在障碍。
        核能与淡化功能耦合工厂的技术,日本和哈萨克斯坦已经在用,在那里,从1970年代就开始商业运营。印度也在寻求国内及国际经验合作的扩张基础,在卡尔巴卡姆(Kalpakkam)建了一个示范工厂,位于印度东南部。其它考虑核能海水淡化的国家还有南韩、俄罗斯、巴基斯坦、伊朗、埃及、沙特阿拉伯、印度尼西亚、摩洛哥、突尼斯、阿根廷、加拿大,还有中国。
         
        经典案例
        摩洛哥坦坦地区核能海水淡化示范项目
        a) 概述
        核能海水淡化示范工程主要包括一座10MW核供热堆(HNR-10)及其辅助系统,一座采用高温MED工艺的海水淡化厂和备用燃油锅炉等其它辅助设施。上述所有装置均座落在同一厂址内。该示范厂拟建在摩洛哥南部坦坦地区。该地区人口约6万,经中、摩及IAEA专家考察评审,初步选定两个推荐厂址。两个厂址均不存在妨碍示范厂建造和安全运行的任何因素。环境影响分析表明,NHR-10的运行对环境和坦坦港海域的影响完全可以忽略不计。
        NHR-10作为淡化厂的热源,通过主回路—中间回路—蒸汽供应回路输出105~135℃饱和蒸汽。淡化厂采用竖管塔式布置的高温MED工艺,共28效。新蒸汽在第一效内被海水冷凝后作为给水返回蒸汽发生器。海水被加热并部分蒸发成二次蒸汽,这些蒸汽将作为下一效的主要热源去加热蒸发海水。如此蒸发—冷凝过程一直重复至最后一效。第二效以后的凝结水就是生产的淡水,再经硬度调整,添加人体需要的微量元素及终端检验后输送至饮用水管网。
        核能海水淡化示范厂主要设计参数
        名称
        参数
        主回路系统
        压力/MPa
        温度(堆芯入/出口)/
         
        3.0
        130/180
        中间回路
        压力/MPa
        温度(蒸汽发生器出/入口
         
        3.0
        130/180
        蒸汽回路
        温度(饱和蒸汽)/
        流量/kg.s-1
         
        130
        4.37
        海水淡化厂
        产水容量/m3.d-1
        工艺
        效数
        海水温度/
        流量/t.h-1
         
        8000
        高温MED(竖管)
        28
        25
        680
        b)   NHR-10主要设计特点和安全特性
        1. 一体化布置,大大降低冷却剂压力边界泄漏机率及其后果;2. 自稳压设计,利用蒸汽分压原理及渗入非凝结气体实现各种功率下自稳压运行,省去了复杂的需要加热和喷淋调节的稳压器;3. 全功率自然循环冷却,无主循环泵,不需要外部动力,简化主回路系统,增加运行的安全性和可靠性;4.非能动安全系统,余热排出系统为自然循环冷却,不需要外电源就可保证执行其安全功能,使反应堆处于安全状态;5. 控制棒动压水力驱动,简化堆体结构,排除了弹棒事故,是一种安全、经济、先进的新型驱动方式;6. 冷却剂不含硼溶液,可保证在全寿期内,具有负的慢化剂温度系数,确保堆功率的自保护和自稳定的能力,并且简化了系统,减少了腐蚀,有利于运行安全和退役处理;7. 纵深设防,多重屏障,防止放射性物质外漏;8. 先进的控制、保护系统,操作简便,对任何设计基准事故,保护逻辑只自动触发简单的动作,不需要操纵员干预,大大降低误操作的可能性;9. 运行参数低,设计裕度大,宽容时间长。在瞬态或事故工况下,过程参数变化平缓。
        c)   海水淡化厂
        淡化厂包括海水提取和预处理、淡化系统,防结垢系统、真空系统、饮用水调制及分配等。海水淡化工艺采用塔式布置的竖管发泡多效蒸馏技术。这是一种高温低能耗的先进淡化工艺,也是与核供热堆直接耦合的较佳工艺。淡化系统按两列设计,每列由四塔组成,共28效,日产淡水4080 m3
        d)   NHR-10与淡化厂的耦合界面设计考虑
        为避免生产的淡水受到放射性物质的污染及提高淡及供应的保证率,将采取下述技术措施:1. 在反应堆与淡化厂之间设置( 道实体隔离屏障;2. 中间回路运行压力高于反应堆冷却剂系统压力,以此形成又一道压力屏障,防止放射性水外漏;3. 中间回路及蒸汽供应系统均设置放射性监测及隔离措施;4. 中间回路、蒸汽回路和淡化系统均为双列设置,以提高可运行性;5. 选择合适的耦合参数,以提高效率并防止结垢;6. 反应堆和淡化厂均设计成具有良好的自调性;7. 设置备用燃油锅炉,保障淡水供应。
        e)   投资与经济分析
        NHR-10核能海水淡化示范厂总投资约为4300万美元。其中,中方优惠贷款计息按3%其余出口信贷计息按5%。同时,摩方对该示范站进口关税和增值税等按免税处理。由此算得30年平均淡水生产成本为1.51美元/m 3,投资利润率约8.6%,投资回收期约为12年。如按商用淡化厂条件,即考虑所有税率,同时贴现率按10%、建设期利率按6.5%计,则平准化水生产成本约为2.8美元/m3,与当地相同规模的燃油淡化厂产水价相当。为了研究大型商用核能海水淡化厂的经济性,特对200MW核供热堆与日产16000 m3淡化装置相耦合的核能海水淡化厂作了经济评价。分析参数按所有税率不免及贴现率为10%考虑。平准化淡水生产成本约为1.0美元/m3
         
        参考文献
        [1] 姬文状,贾海军,适于核能海水淡化的低温多效蒸馏技术研究,原子能科学技术,20069
        [2]郑文祥董铎张达芳,摩洛哥坦坦地区核能海水淡化示范项目,核动力工程,20002月第一期
        [3] 文斌,海水淡化前景诱人,中国税务报 200012 15 日第005