钛在海水淡化中的应用

钛在海水淡化中的应用

  • 2020年01月19日 14:33
  • 来源:中国铁合金网

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  • 关键字:钛 应用 海绵钛 钛精矿
[导读]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 。

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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