钛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。目前，海水淡化已成为像中东这样的水资源缺乏地区获取水源的主要方式 。

一、海水淡化方法

    早在50年代，就已采用海水淡化方法生产淡水。海水淡化的主要方法有： 

①蒸发法：多级闪蒸法、单级闪蒸法、立式多效法、横式多效法、浸管法、蒸气压缩法；  

②膜法：电透析法、逆浸透法；  

③复合法。 

其中，蒸发法占60％，逆浸透法占33％，电透析法占5.5％。

二、钛在海水淡化设备中的应用 

1、海水淡化设备中的导热管 

     原海水淡化设备导热管主要用铜合金管，由于铜合金管存在很多不足，现已被可靠性高且免于维护的钛管所替代．

  (1)钛管的壁厚 

导热管壁厚由使用条件，管板材料、扩管作业的施工能力、管端的焊接技术等来决定，由于导热管直径小，对强度要求不高，因此实际使用中采用壁厚较薄的管材，一般，铜合金管等壁厚为0.9mm-1.2mm；用钛管代替，在腐蚀性小的地方，可用壁厚为0.3mm的薄壁焊管。 

 （2）钛管的导热性 

     由于导热管的材质不同，热导率也不同，如钛为17W／(m·k)，铝黄铜为lOOW/（m·k），90／10白铜为47W（m·k），70／30白铜为29W／(m·k)，因此，可通过壁厚的变化控制导热管的导热效果。在以上材料中，钛的热导率最小。如使用薄壁钛焊管，导热性虽然比铝黄铜差，但与90／10白铜相当，比70/30白铜的要好。

(3)钛管的经济性 

     钛管的单位质量价格比铜合金贵2—6倍，但从性价比上考虑，钛管价格可与铜合金管抗衡，由于钛的密度低，壁厚相同时，同等长度的钛管质量只是铜合金管的50％，当钛管壁厚为铜合金管的50％时，相同传热面积的钛管质量仅为铜合金管的1／4。按目前的价格水平，采用薄壁钛焊管的整体价格与铝铜管相同，比白铜管还便宜。可见钛管在价格方面是有竞争力的。 

2、日本薄壁钛焊管的开发和应用 

     钛带轧制技术的开发成功成为钛焊管批量生产的基础。60年代，在水银法烧碱电解生产中，日本采用了钛丝；90年代初，为防止污染，对烧碱生产工艺进行了改进，随着隔膜法的采用，700多吨的钛带得以应用，以此为契机，日本研究开发了连续生产热轧和冷轧钛带卷的技术，建立了海水淡化和电站冷凝器钛薄壁焊管用的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0.5mm－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。到1983年，在16年的时间里，日本生产了用于世界各地海水淡化设备的薄壁钛焊管4038t，至今未发生因海水腐蚀而损坏的现象。

   (1)通风凝结器和喷射压气机 

     日本真正的海水淡化设备是1967年由松岛碳矿株式会社建成的2650t/d海水淡化设备。该装置的通风凝结器及喷射压气机的传热管和管板，由于受海水中Br-的腐蚀，不能用铜合金，换用钛后，没发生过因腐蚀导致的故障。  

 (2)热放出部冷凝器 

     多级闪蒸冷凝器是将海水作冷却水，冷却各级闪速室产生的水蒸气，由于海水常混有泥沙、海生物，它们在传热管内及管端附着，侵蚀铜合金管。因此，现在几乎所有的MSF型海水淡化设备的传热冷凝器上都使用了钛管。特别是为了杀死海水中的细菌，不得不注入氧时，更需使用耐蚀性好的钛管。  

 (3)热回收部冷凝器 

     热回收部冷凝器传热面积较大，由于经济原因，现通常使用铜合金管，仅在特殊场合使用钛管，如含有氨或硫化氢等污染物的介质对铜合金的腐蚀剧烈。1977年，向德国出口的3600t/d的MSF型淡化装置，由于它是氨的附属设备，不能用铜合金，而采用了钛；由于硫化氧的腐蚀，秘鲁的3120t/dMSP型淡化设备，使用1年后铝黄铜管就发生了腐蚀，最后将全部传热管换成了钛管。 

     据报道，日产百吨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套原于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。  

3、使用时应注意的问题 

  (1)电偶腐蚀 

   钛在海水中电位较正，与其它金属接触时，可促进其它金属的腐蚀。防止办法有传热管和管板均采用钛，或用牺牲阳极的办法。80℃以上，为防止吸氢，使用Fe-90％Ni合金作牺牲阳极；80℃以下，使用涂层或胶衬钢板。  钛制设备应避免与铁容器接触，因钛容易吸氢使钛材变脆。

 (2)间隙腐蚀

   钛管采用扩管法安装在钛管板上，在100℃，pH值为8的海水中可发生间隙腐蚀．但实际水室中使用了铜合金，即使海水温度达到120℃，也不会发生间隙腐蚀。在现实中，为了提高设备的可靠性，在100℃以上使用时多采用管端焊接来防止间隙腐蚀。   

  (3)吸氢 

   在80℃以上的海水中；钛有可能吸氢；施加阴极保护时，过保护时会引起吸氢。如采用Fe-9％Nq合金作牺牲阳极板时，不会发生钛吸氢。

  (4)振动 

    由于钛管壁薄，在替换铜合金管时，还应注意管振动引起的破坏。可采用比铜合金管的管支撑板间隔小的方法来解决这一问题。

(5)使用薄壁钛管材。钛的导热率低，仅为铝黄铜的1/6，一般钛管材壁厚为0.3-0.7mm。

三、常用钛管规格

    常用钛管尺寸为直径16、19、22、25.4mm，壁厚0.5-0.7mm，其中冷凝器使用直径19mm居多；管长一般在6-20m范围内，视长管式或短管式类型而定。

但随着海水淡化设备技术水平和制造技术的提高，焊管生产工艺技术及装备的优化，淡水装置特别是多级闪蒸方法设备使用钛管直径有的已经突破40mm，长度突破25m。从用量上来看，海水淡化装置用钛量不太确定，取决于技术条件和经济条件。对于含盐量高、水温高、水污染比较严重的地方，一般来说用钛量较多。多级闪蒸每万吨产水装置需用50--100吨钛焊管，低温多效每万吨产水装置需用5--10吨钛焊管。

四、世界海水淡化状况 

目前海水淡化产业已遍及全世界120多个国家和地区，主要分布在中东、美国等地，亚洲国家如日本、新加坡、韩国、印尼和中国等也在积极发展海水淡化产业。截止2010年，全球已有1.4万座海水淡化厂，产能已达到3500m³/d，其中80%用于饮用水，解决了全球一亿多人的用水问题。随着经济水平的提高以及海水淡化成本不断降低和技术的日趋成熟，海水淡化总容量将以每年10%的速度递增，海水淡化已成为一种获取新的淡水资源的重要途径，其有限性和可靠性已经得到越来越广泛的认同，并不断向前发展。世界海水淡化设备主要分布在中东地区，仅沙特、阿联酋、科威特、卡塔尔、巴林五国就占到全球总容量的44.3%。究其原因，中东各国气候十分干旱，水资源匮乏。却富有石油资源，经济实力雄厚。在波斯湾的沿海地区，有些国家淡水海水量已经占到了本国淡水使用量的80%-90%。全球第一个现代海水淡化工厂的诞生地美国就占到全球15%的份额，欧洲占到12%。

五、中国海水淡化现状

中国人均水资源占有量约2100m³，仅为世界平均水平的28%。目前，全国城市中约三分之二的城市缺水，在这些缺水城市中，又约有四分之一的城市属于严重缺水，水资源短缺已成为制约经济社会持续发展的重要因素之一。随着中国城镇化率的提升、工业进程的不断增加，淡水资源短缺形势将更加严峻。与先进国家相比，中国的海水淡化装置容量有很大的提升空间。从“十一五”开始，中国政府对海水淡化工程的支持力度逐步增大，海水淡化产业在中国得到快速发展，许多规模较大海水淡化工程纷纷启动。根据中国脱盐协会的统计，截止2012年底，中国海水淡化能力约为7×10⁵m³/d，约占全球的1.6%，但这远不能满足缺水地区需求，而且海水淡化产业发展很不平衡。

我国已建成海水淡化装置中，以反渗法和低温多效法居多，多级闪蒸法虽然在国际上尤其是中东地区占有较多份额，但是在国内由于投资和能耗等方面原因，基本没有被新建淡化厂使用。据不完全统计，截止2006年6月底，我国反渗透装置共有45套，占总装置数量的86.5%，低温多效装置4套，占总数量的7.7%、截止2009年7月，我国已建海水淡化装置总容量中，低温多效法约占34.8%。反渗透约占62.6%，多级闪蒸和其他方法约占2.6%。

所以钛材的应用相对处于较低水平。较早报道使用钛材的海水淡化装置是1981年6月在中国西沙永兴岛建成的一台日产淡水200m³的淡水设备。天津大港电厂于1987年引进两套3000m³/d多级闪蒸海水淡化装置中，热放出部位使用了钛焊管，规格是φ16mm×0.6mm×18400mm，该装置在1999年停产检修时，钛管中间的碳钢隔板已经严重腐蚀，但钛管依旧完好无损。山东青岛黄岛电厂于2003年建成一台3000m³/d的低温多效蒸馏装置。装置共10段，共有10个列管式热交换器，大部分管子是白铜管，只在上部分用了少量钛管。10个热交换器共用进口的φ19mm×0.5mm×4220mm钛焊管2200支，重1.25吨。已建成的国内最大的低温多效海水淡化项目---黄骅电厂配套海水淡化项目，一期引进和二期的国产化装置都使用了大量的钛管。

六、前景展望

就全球海水淡化而言，多级闪蒸和反渗透两种方法应用最广；从今后的发展趋势看，鉴于反渗透技术具有节省能源的特点，发展速度将会更快。钛的需求量大幅增加，从而拉动钛带材及钛焊管产业的发展和海绵钛的市场需求。同时也会促进国产钛带和钛焊管的技术进步。

                                                                                                                                                                                           来源：双瑞万基钛业有限公司

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