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鈦在海水淡化中的應用

淡水約占地球水資源的3％，通過海水淡化獲取新的淡水資源是今后世界用水的一大趨勢。目前，海水淡化已成為像中東這樣的水資源缺乏地區(qū)獲取水源的主要方式 。

一、海水淡化方法

    早在50年代，就已采用海水淡化方法生產(chǎn)淡水。海水淡化的主要方法有： 

①蒸發(fā)法：多級閃蒸法、單級閃蒸法、立式多效法、橫式多效法、浸管法、蒸氣壓縮法；  

②膜法：電透析法、逆浸透法；  

③復合法。 

其中，蒸發(fā)法占60％，逆浸透法占33％，電透析法占5.5％。

二、鈦在海水淡化設備中的應用 

1、海水淡化設備中的導熱管 

     原海水淡化設備導熱管主要用銅合金管，由于銅合金管存在很多不足，現(xiàn)已被可靠性高且免于維護的鈦管所替代．

  (1)鈦管的壁厚 

導熱管壁厚由使用條件，管板材料、擴管作業(yè)的施工能力、管端的焊接技術等來決定，由于導熱管直徑小，對強度要求不高，因此實際使用中采用壁厚較薄的管材，一般，銅合金管等壁厚為0.9mm-1.2mm；用鈦管代替，在腐蝕性小的地方，可用壁厚為0.3mm的薄壁焊管。 

 （2）鈦管的導熱性 

     由于導熱管的材質(zhì)不同，熱導率也不同，如鈦為17W／(m·k)，鋁黃銅為lOOW/（m·k），90／10白銅為47W（m·k），70／30白銅為29W／(m·k)，因此，可通過壁厚的變化控制導熱管的導熱效果。在以上材料中，鈦的熱導率最小。如使用薄壁鈦焊管，導熱性雖然比鋁黃銅差，但與90／10白銅相當，比70/30白銅的要好。

(3)鈦管的經(jīng)濟性 

     鈦管的單位質(zhì)量價格比銅合金貴2—6倍，但從性價比上考慮，鈦管價格可與銅合金管抗衡，由于鈦的密度低，壁厚相同時，同等長度的鈦管質(zhì)量只是銅合金管的50％，當鈦管壁厚為銅合金管的50％時，相同傳熱面積的鈦管質(zhì)量僅為銅合金管的1／4。按目前的價格水平，采用薄壁鈦焊管的整體價格與鋁銅管相同，比白銅管還便宜�？梢娾伖茉趦r格方面是有競爭力的。 

2、日本薄壁鈦焊管的開發(fā)和應用 

     鈦帶軋制技術的開發(fā)成功成為鈦焊管批量生產(chǎn)的基礎。60年代，在水銀法燒堿電解生產(chǎn)中，日本采用了鈦絲；90年代初，為防止污染，對燒堿生產(chǎn)工藝進行了改進，隨著隔膜法的采用，700多噸的鈦帶得以應用，以此為契機，日本研究開發(fā)了連續(xù)生產(chǎn)熱軋和冷軋鈦帶卷的技術，建立了海水淡化和電站冷凝器鈦薄壁焊管用的帶卷的批量生產(chǎn)體系，相應開發(fā)了薄壁焊管的生產(chǎn)技術。 

     日立、三菱及東芝生產(chǎn)的電站冷凝器，使用了厚0.5mm的鈦焊管，三菱、川崎、日立、三井以及神戶制鋼等公司生產(chǎn)的海水淡化裝置，使用了厚0.5mm－0.7mm的鈦焊管。   以電站應用為主，鈦焊管作為海水淡化、煉鐵、船舶、石油精煉、化工等領域的傳熱管已廣泛使用。到1983年，在16年的時間里，日本生產(chǎn)了用于世界各地海水淡化設備的薄壁鈦焊管4038t，至今未發(fā)生因海水腐蝕而損壞的現(xiàn)象。

   (1)通風凝結(jié)器和噴射壓氣機 

     日本真正的海水淡化設備是1967年由松島碳礦株式會社建成的2650t/d海水淡化設備。該裝置的通風凝結(jié)器及噴射壓氣機的傳熱管和管板，由于受海水中Br-的腐蝕，不能用銅合金，換用鈦后，沒發(fā)生過因腐蝕導致的故障。  

 (2)熱放出部冷凝器 

     多級閃蒸冷凝器是將海水作冷卻水，冷卻各級閃速室產(chǎn)生的水蒸氣，由于海水�；煊心嗌场⒑Ｉ�，它們在傳熱管內(nèi)及管端附著，侵蝕銅合金管。因此，現(xiàn)在幾乎所有的MSF型海水淡化設備的傳熱冷凝器上都使用了鈦管。特別是為了殺死海水中的細菌，不得不注入氧時，更需使用耐蝕性好的鈦管。  

 (3)熱回收部冷凝器 

     熱回收部冷凝器傳熱面積較大，由于經(jīng)濟原因，現(xiàn)通常使用銅合金管，僅在特殊場合使用鈦管，如含有氨或硫化氫等污染物的介質(zhì)對銅合金的腐蝕劇烈。1977年，向德國出口的3600t/d的MSF型淡化裝置，由于它是氨的附屬設備，不能用銅合金，而采用了鈦；由于硫化氧的腐蝕，秘魯?shù)?120t/dMSP型淡化設備，使用1年后鋁黃銅管就發(fā)生了腐蝕，最后將全部傳熱管換成了鈦管。 

     據(jù)報道，日產(chǎn)百噸的海水淡化裝置用鈦管達6萬根。從1967年至1994年，在近30年的時間里，共生產(chǎn)了52套原于能級火力發(fā)電用冷凝器和7套海水淡化設備，共計使用鈦焊管11000t。  

3、使用時應注意的問題 

  (1)電偶腐蝕 

   鈦在海水中電位較正，與其它金屬接觸時，可促進其它金屬的腐蝕。防止辦法有傳熱管和管板均采用鈦，或用犧牲陽極的辦法。80℃以上，為防止吸氫，使用Fe-90％Ni合金作犧牲陽極；80℃以下，使用涂層或膠襯鋼板。  鈦制設備應避免與鐵容器接觸，因鈦容易吸氫使鈦材變脆。

 (2)間隙腐蝕

   鈦管采用擴管法安裝在鈦管板上，在100℃，pH值為8的海水中可發(fā)生間隙腐蝕．但實際水室中使用了銅合金，即使海水溫度達到120℃，也不會發(fā)生間隙腐蝕。在現(xiàn)實中，為了提高設備的可靠性，在100℃以上使用時多采用管端焊接來防止間隙腐蝕。   

  (3)吸氫 

   在80℃以上的海水中；鈦有可能吸氫；施加陰極保護時，過保護時會引起吸氫。如采用Fe-9％Nq合金作犧牲陽極板時，不會發(fā)生鈦吸氫。

  (4)振動 

    由于鈦管壁薄，在替換銅合金管時，還應注意管振動引起的破壞。可采用比銅合金管的管支撐板間隔小的方法來解決這一問題。

(5)使用薄壁鈦管材。鈦的導熱率低，僅為鋁黃銅的1/6，一般鈦管材壁厚為0.3-0.7mm。

三、常用鈦管規(guī)格

    常用鈦管尺寸為直徑16、19、22、25.4mm，壁厚0.5-0.7mm，其中冷凝器使用直徑19mm居多；管長一般在6-20m范圍內(nèi)，視長管式或短管式類型而定。

但隨著海水淡化設備技術水平和制造技術的提高，焊管生產(chǎn)工藝技術及裝備的優(yōu)化，淡水裝置特別是多級閃蒸方法設備使用鈦管直徑有的已經(jīng)突破40mm，長度突破25m。從用量上來看，海水淡化裝置用鈦量不太確定，取決于技術條件和經(jīng)濟條件。對于含鹽量高、水溫高、水污染比較嚴重的地方，一般來說用鈦量較多。多級閃蒸每萬噸產(chǎn)水裝置需用50--100噸鈦焊管，低溫多效每萬噸產(chǎn)水裝置需用5--10噸鈦焊管。

四、世界海水淡化狀況 

目前海水淡化產(chǎn)業(yè)已遍及全世界120多個國家和地區(qū)，主要分布在中東、美國等地，亞洲國家如日本、新加坡、韓國、印尼和中國等也在積極發(fā)展海水淡化產(chǎn)業(yè)。截止2010年，全球已有1.4萬座海水淡化廠，產(chǎn)能已達到3500m³/d，其中80%用于飲用水，解決了全球一億多人的用水問題。隨著經(jīng)濟水平的提高以及海水淡化成本不斷降低和技術的日趨成熟，海水淡化總?cè)萘繉⒁悦磕?0%的速度遞增，海水淡化已成為一種獲取新的淡水資源的重要途徑，其有限性和可靠性已經(jīng)得到越來越廣泛的認同，并不斷向前發(fā)展。世界海水淡化設備主要分布在中東地區(qū)，僅沙特、阿聯(lián)酋、科威特、卡塔爾、巴林五國就占到全球總?cè)萘康?4.3%。究其原因，中東各國氣候十分干旱，水資源匱乏。卻富有石油資源，經(jīng)濟實力雄厚。在波斯灣的沿海地區(qū)，有些國家淡水海水量已經(jīng)占到了本國淡水使用量的80%-90%。全球第一個現(xiàn)代海水淡化工廠的誕生地美國就占到全球15%的份額，歐洲占到12%。

五、中國海水淡化現(xiàn)狀

中國人均水資源占有量約2100m³，僅為世界平均水平的28%。目前，全國城市中約三分之二的城市缺水，在這些缺水城市中，又約有四分之一的城市屬于嚴重缺水，水資源短缺已成為制約經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。隨著中國城鎮(zhèn)化率的提升、工業(yè)進程的不斷增加，淡水資源短缺形勢將更加嚴峻。與先進國家相比，中國的海水淡化裝置容量有很大的提升空間。從“十一五”開始，中國政府對海水淡化工程的支持力度逐步增大，海水淡化產(chǎn)業(yè)在中國得到快速發(fā)展，許多規(guī)模較大海水淡化工程紛紛啟動。根據(jù)中國脫鹽協(xié)會的統(tǒng)計，截止2012年底，中國海水淡化能力約為7×10⁵m³/d，約占全球的1.6%，但這遠不能滿足缺水地區(qū)需求，而且海水淡化產(chǎn)業(yè)發(fā)展很不平衡。

我國已建成海水淡化裝置中，以反滲法和低溫多效法居多，多級閃蒸法雖然在國際上尤其是中東地區(qū)占有較多份額，但是在國內(nèi)由于投資和能耗等方面原因，基本沒有被新建淡化廠使用。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2006年6月底，我國反滲透裝置共有45套，占總裝置數(shù)量的86.5%，低溫多效裝置4套，占總數(shù)量的7.7%、截止2009年7月，我國已建海水淡化裝置總?cè)萘恐校蜏囟嘈Хs占34.8%。反滲透約占62.6%，多級閃蒸和其他方法約占2.6%。

所以鈦材的應用相對處于較低水平。較早報道使用鈦材的海水淡化裝置是1981年6月在中國西沙永興島建成的一臺日產(chǎn)淡水200m³的淡水設備。天津大港電廠于1987年引進兩套3000m³/d多級閃蒸海水淡化裝置中，熱放出部位使用了鈦焊管，規(guī)格是φ16mm×0.6mm×18400mm，該裝置在1999年停產(chǎn)檢修時，鈦管中間的碳鋼隔板已經(jīng)嚴重腐蝕，但鈦管依舊完好無損。山東青島黃島電廠于2003年建成一臺3000m³/d的低溫多效蒸餾裝置。裝置共10段，共有10個列管式熱交換器，大部分管子是白銅管，只在上部分用了少量鈦管。10個熱交換器共用進口的φ19mm×0.5mm×4220mm鈦焊管2200支，重1.25噸。已建成的國內(nèi)最大的低溫多效海水淡化項目---黃驊電廠配套海水淡化項目，一期引進和二期的國產(chǎn)化裝置都使用了大量的鈦管。

六、前景展望

就全球海水淡化而言，多級閃蒸和反滲透兩種方法應用最廣；從今后的發(fā)展趨勢看，鑒于反滲透技術具有節(jié)省能源的特點，發(fā)展速度將會更快。鈦的需求量大幅增加，從而拉動鈦帶材及鈦焊管產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和海綿鈦的市場需求。同時也會促進國產(chǎn)鈦帶和鈦焊管的技術進步。

                                                                                                                                                                                           來源：雙瑞萬基鈦業(yè)有限公司

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