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钛材在海水淡化设备上的应用

钛材在海水淡化设备上的应用

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。

1、世界海水淡化状况

至1993年,世界各国在5738个地区的海水淡化设备共有9014台,总容量为1.624x107m3/d,仅中东地区总容量就达8.91x106m3/d,占55%,美国为2.37x106m3/d,占重5%。

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%。

2 钛在海水淡化设备中的应用

2.1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。

2.2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。

(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。