低溫多效海水淡化技術在首鋼京唐鋼鐵廠的創新應用

張巖崗

2006年，北京首鋼國際工程技術有限公司（以下簡稱“首鋼國際工程公司”）按照國家發展和改革委員會的批復開展新建鋼鐵廠——首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司鋼鐵廠的設計工作。此批復中特別強調，鋼鐵廠需實施循環經濟戰略，節約水資源、實現可持續發展。面對華北地區稀缺的淡水資源，開發利用海水資源將海水轉化為淡水成為鋼鐵廠整個水系統設計中的重點。首鋼國際工程公司通過對水質、水量進行分析、計算，最終設計采用創新的低溫多效海水淡化技術制取鋼鐵廠全廠除鹽水，該低溫多效海水淡化技術能在多種工況下運行，可以充分利用鋼鐵廠不同類型的乏汽資源，有效降低運行成本，符合“循環經濟、節能減排”的設計理念。首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司鋼鐵廠也因此成為國內第一個采用海水淡化技術解決供水問題的鋼鐵企業。

一、海水淡化技術概況

海水淡化是海水綜合利用中的重要設施，當今，通過海水淡化工藝生產大量高質量產品水在技術和經濟上是可行的。目前，海水淡化技術主要有兩個發展方向，即熱法和膜法。

1.熱法

熱法主要有：多級閃蒸（MSF）、低溫多效（LTMED）兩種技術。其中，多級閃蒸的運行溫度、造水比和級數分別在120℃、10和40級，多級閃蒸除了消耗一定的加熱蒸汽外，還要耗電能4kwh-5kwh/m3用于海水的循環和流體的輸送；低溫多效是在多效MED）的基礎上發展起來的，運行溫度、造水比和效數分別在70℃以下、大于10和7效，低溫多效除了要消耗加熱蒸汽外，還要耗電能約1.2kwh/m3，用于成品水的輸送。

2.膜法

膜法主要是指反滲透（RO）技術，它利用半透膜在壓力下允許水透過而使鹽份和雜質截留的技術。傳統上膜法技術普遍應用于對苦咸水的淡化中，現在廣泛用于海水淡化中。膜法技術的脫鹽率可達99.5%，能耗約在6kwh/m3成品水。

但RO工藝對原水水質、水溫比較敏感，并且對人工操作要求較高。為了避免滲透膜被阻塞，必須在反滲透設備的前端安裝有效的預處理裝置。近年的實踐表明，海水預處理不僅投資高，而且技術難度也較大。所以，在計劃采用膜法海水淡化技術的海域一般需進行為期一年的預處理中試。

二、不同海水淡化技術的比較

1．多級閃蒸技術上成熟可靠，成本適中，尤其適合大規模的海水淡化。每噸淡化水需耗電4kwh-5 kwh，耗低壓蒸汽（以2ata壓力計）0.14t。一次性設備投資稍高，但運行維修費用低。

2．低溫多效蒸餾技術成熟可靠，成本較低，近10多年大規模應用于海水淡化工程。每噸淡化水需耗電1.2kwh，耗低壓蒸汽（以2ata壓力計）0.1t左右，一次性設備投資稍高，但運行維修費用較低。

3．反滲透每噸淡化水需耗電6kwh左右，一次性設備投資稍小，但膜老化更換運行費高，并且需要維護人員較多。

另外，即使兩級膜法出水指標仍低于熱法出水指標，若取得和熱法相同的水質，后續需增加一級膜法或其它除鹽設施，所以反滲透多用于市政等行業。綜合比較見表1。

通過上述比較并結合實際工程的調研，鑒于熱法中的低溫多效在多級閃蒸的基礎上有了較多改進，在此僅將熱法中的低溫多效工藝和膜法進行綜合比較。

（1）一般情況下低溫多效工藝比反滲透在一次投資方面略高，但考慮到曹妃甸地區預期的入料海水水質較差將引起膜法預處理裝置復雜，因此二者投資相差不大。

表1 綜合比較表

（2）低溫多效工藝運行期間的設備檢修和維護費用相當低；與同等能力的反滲透工藝比較，低溫多效裝置對操作人員的要求較低。

（3）低溫多效裝置的主要能源為蒸汽，該工藝結合首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司即將建設的X300MW電站和鋼廠內除冬季外排放的乏汽（100-50t/h），利用蒸汽能源更方便。

（4）低溫多效裝置可以一步到位生產相當純度的除鹽水（小于10μS/cm），而且可以為進一步的精除鹽(要求的鍋爐補充水水質小于0.2μS/cm))提供較好的原水。

（5）低溫多效裝置對入料海水水質和污染的變化不太敏感。據有關資料顯示，曹妃甸地區的海水已受到相當程度的污染。

（6）低溫多效裝置施工安裝簡單，且運行控制系統較為簡單，因為低溫多效裝置適合無人看管下的自動連續運行，并對操作人員的失誤不敏感。

通過以上綜合比較及對全廠的水平衡計算，決定鋼鐵廠一期采用熱法中的低溫多效工藝，規模為50000 m3/d。

三、低溫多效海水淡化裝置主要參數的確定

首鋼國際工程公司的設計者通過對鋼鐵廠需水量和水質的合理計算，并結合鋼鐵廠的運行體制，確定了一期海水淡化主體設施分4套設計的總體思路，單套設施制水能力12500 m3/d，總產水能力50000(m3/d)，并確定了其主要參數。目前，這是中國國內已投產最大的熱法海水淡化設備。工藝流程見圖1。

四、低溫多效海水淡化技術在本工程中的主要改進及創新

設計中針對鋼鐵廠的蒸汽平衡和各除鹽水用戶的不同情況，設置了海水淡化主體設施運行的邊界條件及主要工況，并對涉及海水淡化主體設施運行的附屬設施及配套系統進行了合理配置及優化。

其中，海水淡化設施工況的確定是關鍵環節，它決定了設施將來的運行水平及效益。目前，通常的作法是從汽輪機中抽取中壓蒸汽，該中壓蒸汽為壓力在4ata（ata為絕壓下kgf/cm2）以上的蒸汽，然后通過熱壓縮（即TVC）裝置將中壓蒸汽和回流低壓蒸汽混合減溫減壓后進入低溫多效裝置進行海水淡化，由于該方式抽取的壓力較高的中壓蒸汽是汽輪機中沒有充分膨脹做功的優質蒸汽，蒸汽價值較高，由此直接影響發電效率，導致海水淡化的運行成本較高，沒有較好體現低溫多效裝置利用低溫、低壓的低價值蒸汽直接進行海水淡化的技術優勢；另外通常的海水淡化專設抽汽系統，沒有較好利用其它富余蒸汽，造成能源浪費，系統運行不經濟。

為了克服現有技術中使用低溫多效海水淡化工藝時抽取汽輪機中的中壓蒸汽影響發電效率、運行成本高等問題，本創新將低溫多效裝置與汽輪機及其它低低壓汽源組合，可直接利用汽輪機末端或其它低低壓汽源的低溫、低壓蒸汽進行海水淡化，同時該工藝可利用其它壓力較高的富余蒸汽進行海水淡化，并實現系統的多工況運行。其中富余蒸汽設計采用的壓力還同比降低了1ata-2ata，使噸水運行成本同比下降2元-3元，而其它工況設計利用基本“零”價值的蒸汽（如發電汽輪機排汽等），使噸水運行成本同比下降更多。目前該創新已申請了國家發明專利專利號：200810103167.5）。另外，設計還將濃鹽水送社會鹽場曬鹽，實現資源的綜合利用，進一步降耗減排。

在海水淡化材料及設備的選擇方面，通過掛片試驗、查閱資料、請教專家、調研廠家等，最終確定了全部材質，這些材質即考慮了功能需要又考慮了價格因素，實現“功能性”與“經濟性”的統一。其中主要包括：外殼選用進口雙相不銹鋼，換熱管分不同部位采用進口鈦材和國產銅合金，板式換熱器采用進口鈦板，海水非接觸附件采用國產316L不銹鋼，海水管道采用GRP等。

在最后階段，將電氣、自控、通訊、防雷接地等系統進行了進一步優化，使得該設施的綜合投資、運行成本、自控水平等均達到或超過國際先進水平。

五、低溫多效海水淡化技術的應用前景

首鋼國際工程公司首次在鋼鐵廠中采用的低溫多效工藝，不僅可以在TVC工況下運行，還可以在純MED工況及MED+TVC工況下運行，通過在不同工況下的運行模式切換，有效利用鋼鐵廠的多種蒸汽能源，在工藝流程、設備配置和性能指標上均達到世界先進水平。鋼鐵廠成功應用該創新低溫多效海水淡化技術不僅節約了淡水資源，還有效降低了海水淡化的運行成本，并提高了鋼鐵廠的用水安全性，符合國家“循環經濟、節能減排”的要求，對沿海地區鋼鐵廠及其它行業的建設有一定的借鑒意義。

六、低溫多效海水淡化技術研發團隊

為了研究和創新該低溫多效海水淡化技術，首鋼國際工程公司成立了由副總經理蘭新輝掛帥的海水淡化系統技術開發課題組。課題組以動力設計室主任、教授級高工寇彥德為課題組組長，集中了工藝工程師張巖崗、李瑋、吳永志，熱力工程師周玉磊，自動化工程師劉燕、羅曉陽等多專業的負責人及優秀人才，并吸納了首鋼京唐公司教授級高工李楊、高級工程師吳禮云參與課題開發。在實際工程設計應用中融合了工藝、熱力、電氣、自動化、土建、暖風、總圖、電信等多個專業，克服了跨越專業多、系統復雜等特點，最終建成了具有創新性的低溫多效海水淡化工程。

首鋼國際工程公司正努力實現該技術的標準化、系列化及關鍵部件的國產化，并逐步為國內外鋼鐵企業或相關企業提供相關技術服務。