低溫多效蒸餾海水淡化工藝的應(yīng)用

郝彥光 張波 劉雨 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司

海水淡化又稱(chēng)海水脫鹽，是從海水中獲取淡水的技術(shù)和過(guò)程。目前，廣泛應(yīng)用的海水淡化技術(shù)主要包括多級(jí)閃蒸（MSF）、壓汽蒸餾（MVC）、多效蒸發(fā)（MED）和海水反滲透膜（SWRO）。MED方法中低溫多效蒸餾（LT-MED）開(kāi)發(fā)后在世界范圍內(nèi)得到了較廣泛的應(yīng)用，與RO 和MSF成為最具發(fā)展前景的海水淡化技術(shù)。

1 海水淡化工藝選擇

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司為實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排的目標(biāo)，充分利用臨海優(yōu)勢(shì)，結(jié)合渤海水質(zhì)，幾種海水淡化的特點(diǎn)以及廠區(qū)蒸汽資源，最終選擇了法國(guó)SIDE低溫多效海水淡化技術(shù)。根據(jù)全廠水質(zhì)、水量分析和平衡的結(jié)果，確定海水淡化工程的設(shè)計(jì)水量為1773m3/h，設(shè)計(jì)規(guī)模為50000m3/d，淡化出水電導(dǎo)率＜10μs/cm，項(xiàng)目分兩步建設(shè)，每步建設(shè)2×1.25萬(wàn)m3/d裝置，目前已全面投產(chǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

2 海水處理與利用工藝流程

圖1 海水處理與利用工藝流程

如圖1，渤海灣海水通過(guò)內(nèi)港池進(jìn)入海水取水泵站前池，由提升水泵送至海水淡化預(yù)處理區(qū)，經(jīng)混凝沉淀分離后，底流污泥通過(guò)泥漿泵送往廂式壓濾機(jī)進(jìn)行脫水外運(yùn)出水進(jìn)入裝置，淡化出水進(jìn)入MED裝置，淡化出水進(jìn)入成品水罐貯存調(diào)節(jié)，濃鹽水及冷卻水則排入內(nèi)港池，成品水一部分送至精除鹽設(shè)施進(jìn)行精處理，精處理出水經(jīng)貯存調(diào)節(jié)后送自備電站、TRT發(fā)電、CDQ發(fā)電使用，另一部分成品水則由泵直接送至各工序用水點(diǎn)。

3 主體蒸發(fā)器工藝

首鋼京唐帶熱壓縮的低溫多效（MED-TVC）工藝是基于入料海水的部分蒸發(fā)，蒸汽冷凝形成純凈的產(chǎn)品水，非揮發(fā)性的溶解物留存在濃鹽水中。低溫多效裝置利用一列水平管、降膜式蒸發(fā)冷凝器，通過(guò)重復(fù)的蒸發(fā)和冷凝，每一效略低的溫度、壓力，依靠低壓力的輸入蒸汽產(chǎn)生大量的蒸餾水。進(jìn)入的海水在冷凝器內(nèi)首先脫氣和預(yù)熱，然后分成兩股水流，作為冷卻水的一部分返回大海，另一部分被加熱的海水則作為蒸餾工藝的入料海水進(jìn)入蒸發(fā)器。經(jīng)升壓后補(bǔ)給水直接進(jìn)入蒸發(fā)器低溫效組（五、六、七效），其余部分經(jīng)補(bǔ)給水加熱器再次預(yù)熱后進(jìn)入高溫效組中的二、三、四效，最后一部分通過(guò)兩級(jí)噴射冷凝器預(yù)熱至接近加熱蒸汽溫度后進(jìn)入蒸發(fā)器第一效。

入料海水經(jīng)過(guò)阻垢劑處理后進(jìn)入熱回收效罐中的最低溫度的效組（第七效）。海水在每一效段內(nèi)被非常均勻地由噴嘴系統(tǒng)通過(guò)熱傳導(dǎo)管的上排進(jìn)行噴淋分配，海水水流呈薄膜狀態(tài)從上到下地流淌在每一組管排上，由于吸收從管內(nèi)蒸汽冷凝所釋放的潛熱，管外部分海水汽化。其余經(jīng)稍微濃縮后的海水由泵輸入到較高溫度運(yùn)行的下一效組中，這樣噴淋和蒸發(fā)程序重復(fù)進(jìn)行。余下的海水再次被向前輸送直到離開(kāi)溫度最高的效組以濃鹽水形式排放。

輸入蒸汽被引入到最熱效段（第一效）的熱傳導(dǎo)管中，通過(guò)蒸汽冷凝，釋放出潛熱后傳給熱傳導(dǎo)管外的海水。當(dāng)熱傳導(dǎo)管內(nèi)的蒸汽冷凝發(fā)生時(shí)，幾乎等量的蒸發(fā)在熱傳導(dǎo)管外產(chǎn)生。為保證蒸餾水的純度，在通過(guò)鹽水飛沫分離器（除霧器）后，蒸汽被引入到運(yùn)行溫度和壓力稍低的下一效的熱傳導(dǎo)管中。蒸發(fā)—冷凝過(guò)程在所有效段中反復(fù)進(jìn)行，每一效產(chǎn)出相當(dāng)量的蒸餾水。在最后一效中產(chǎn)生的蒸汽在廢熱冷凝器中通過(guò)海水冷卻水冷凝。第四效的一部分蒸汽被抽出來(lái)用于對(duì)前四效的海水補(bǔ)給水加熱。

第一效的冷凝水被收集，可進(jìn)入海水淡化成品水系統(tǒng)，也可返回蒸汽發(fā)生地。原動(dòng)力蒸汽產(chǎn)生的蒸汽（二次蒸汽）冷凝后流入一系列特殊效罐中，部分蒸餾水閃蒸，其余的成品水流走。不斷增加的產(chǎn)品水就這樣在各級(jí)中串接并受到閃蒸冷卻，釋放的熱量提高了工藝效率。冷卻后的產(chǎn)品水最后經(jīng)產(chǎn)品排放泵送至產(chǎn)品水分配系統(tǒng)中。

從最熱效段流出的濃鹽水以與蒸餾水同樣的方式，通過(guò)一系列鹽水閃蒸罐在各級(jí)中串接并受到閃蒸冷卻回收熱量，冷卻后，被鹽水排放泵引到社會(huì)鹽場(chǎng)。從每一根熱傳導(dǎo)管中逸出的不凝結(jié)性氣體，集中地從一效進(jìn)入到下一效。不凝結(jié)性氣體（NCG）完全在最冷端效段廢熱回收冷凝器內(nèi)濃縮，并通過(guò)蒸氣噴射器將不凝結(jié)氣體抽出。

4 低溫多效蒸餾海水淡化工藝的運(yùn)行模式

首鋼京唐公司可選擇的海水淡化運(yùn)行模式有熱壓縮（TVC）、多效（MED）和混合（MED +TVC）3種。通過(guò)在實(shí)際生產(chǎn)中不同工況之間的切換，該系統(tǒng)即可確保海水淡化的產(chǎn)水，又可有效調(diào)節(jié)鋼鐵廠的燃?xì)狻⒄羝㈦姟⑺胶猓浞煮w現(xiàn)了鋼鐵廠“循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排”的建廠理念。

4.1 TVC模式

僅使用低壓蒸汽（0.40 MPa，250℃），每小時(shí)57t，其中4t用于抽了不凝結(jié)汽體，用2臺(tái)熱壓縮器抽取二次蒸汽作為熱源。該模式下產(chǎn)水量高，但能源利用效率低。

4.2 MED模式

僅使用汽輪機(jī)乏汽（0.03MPa，＜70℃）作為加熱蒸汽，每小時(shí)用量62t，4t低壓蒸汽（0.40MPa，250℃）用于抽了不凝結(jié)汽體。該模式下產(chǎn)水量低，但能源利用效率高。

4.3 MED +TVC模式

同時(shí)使用低壓蒸汽與汽輪機(jī)乏汽，一個(gè)熱壓縮器工作。低壓蒸汽每小時(shí)用量19t，其中4t用于抽取不凝結(jié)性氣體，汽機(jī)乏汽用量為為每小時(shí)62t。

5 工藝特點(diǎn)

（1）根據(jù)鋼鐵廠的燃?xì)狻⒄羝㈦姟⑺胶猓軌蛟赥VC、MED、MED+TVC3種工況下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能源的最大利用。

（2）將低溫多效蒸餾（LT-MED）裝置與發(fā)電凝汽器組合，利用乏汽作為海水淡化動(dòng)力蒸汽，可大幅度降低海水淡化制水成本，同時(shí)可節(jié)省為凝汽器設(shè)置直流冷卻設(shè)施的投資。

（3）熱法裝置的濃鹽水排放溫度平均在33℃左右，在工程施工上預(yù)留有冬季用熱法濃鹽水和膜法-2.4℃的進(jìn)水海水進(jìn)行預(yù)熱的途徑，該途徑可實(shí)現(xiàn)不同海水淡化方式之間能源的全新組合和利用。

（4）主體蒸發(fā)器平行六面體形狀在國(guó)內(nèi)屬于首次使用，同時(shí)利用合理的設(shè)備及管道布置，充分實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、空間節(jié)省，并使熱交換過(guò)程更加完善。雙TVC模式的使用甚至在國(guó)外海水淡化設(shè)施也很少使用。

（5）采用了先進(jìn)的預(yù)處理工藝，占地面積小，維護(hù)方便。

（6）通過(guò)鋼鐵廠內(nèi)部的“水-汽-水”物質(zhì)循環(huán)以及能量的梯級(jí)使用，最大限地度合理使用了能源。利用海水淡化濃縮鹽水的堿度進(jìn)行海水脫硫以及進(jìn)行制固體鹽，通過(guò)這種“海水-鹽-海水”的社會(huì)大循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的友好。

6 經(jīng)濟(jì)效益

首鋼京唐在其中兩套海水淡化主體裝置蒸汽進(jìn)口前分別配置了兩臺(tái)C25-3.43/0.7抽汽凝汽式中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組，充分利用鋼鐵廠富余燃?xì)鉄仩t產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽在汽輪機(jī)組中發(fā)電做功，進(jìn)而將汽輪機(jī)末端負(fù)壓排汽（壓力約0.3ata）供給海水淡化裝置制備除鹽水。該工況實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，不僅大幅度降低了海水淡化的運(yùn)行成本，還產(chǎn)生了額外的發(fā)電效益，更好地實(shí)現(xiàn)了熱、電、水的聯(lián)產(chǎn)。系統(tǒng)在該工況下運(yùn)行，每年可以節(jié)約制水成本約4500萬(wàn)元，同時(shí)配套發(fā)電機(jī)組每年可以產(chǎn)生6000多萬(wàn)元的發(fā)電效益，海水淡化成本一舉降低了45%以上。鋼鐵廠區(qū)管網(wǎng)蒸汽（絕壓0.4～0.9 MPa，溫度約為250℃）價(jià)格約100元/t，而汽輪機(jī)乏氣價(jià)格約15元/t。若能加大低品位蒸汽利用，制水成本將進(jìn)一步下降。

7 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)行實(shí)踐證明該系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備配置和性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，4×12500萬(wàn)m3/d低溫多效蒸餾海水淡化裝置可在50%～100%的出力范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)和運(yùn)行，產(chǎn)水含鹽量小于10mg/l，額定條件下造水比可達(dá)到9.8。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了能量的梯度利用，首次直接使用低品位蒸汽，不僅具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，還具有較好的環(huán)境和社會(huì)效益，為沿海鋼鐵廠乃至其它行業(yè)建設(shè)海水淡化工程，降低制水成本，最大限度減少生產(chǎn)生活對(duì)淡水的依賴(lài)開(kāi)辟了一條新路。