低溫多效蒸餾海水淡化技術在鋼鐵企業節能減排中的應用

唐智新，吳禮云，梁紅英，吳 剛，薛臘梅，孫 雪

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063016）

引言

鋼鐵工業是能源消耗大戶，我國鋼鐵工業的能源消耗約占全國工業總能耗的27%，約占全國總能耗的17%[1]。但我國鋼鐵企業生產過程中能源的有效利用率僅為27%[1]，其余能源轉化為以廢氣、廢水、廢渣等為載體的余能余熱。隨著能源短缺和環境污染問題的凸顯，鋼鐵企業余能余熱的利用效率逐漸提高，但與國外先進企業還有一定差距，主要原因缺乏先進的技術及設備，造成回收利用效率偏低。目前發達國家鋼鐵工業對余熱能源的回收率比較高，但中國較為鋼鐵企業仍是水資源消耗大戶，千萬噸級的大型鋼鐵聯合企業年消耗淡水資源約3000萬t。隨著淡水資源的短缺，鋼鐵企業開始開發非傳統水資源，沿海鋼鐵企業逐漸利用海水淡化水取代地表水。目前海水淡化主流工藝主要包括低溫多效蒸餾（LT-MED）、多級閃蒸（MFS）、反滲透（RO）三種[2]，其中低溫多效蒸餾（LT-MED）海水淡化工藝由于其操作溫度低（70℃以下），可以利用低品質余熱資源（如發電后的乏汽），是最節能的海水淡化技術之一，逐漸受到沿海國家及地區的重視。

將LT-MED海水淡化技術應用于鋼鐵企業，不但可以充分利用鋼鐵企業的余能余熱資源，而且可以解決鋼鐵企業的用水需求，對于鋼鐵企業的余能余熱資源高效利用、蒸汽及水系統的平衡也發揮重要作用。本文結合首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司（以下簡稱京唐公司）建設LT-MED海水淡化裝置的實踐經驗，介紹了LT-MED海水淡化在鋼鐵企業節能減排中作用。

1 項目簡介

京唐公司是國家“十一五”重點項目，位于河北省唐山市南部沿海地區，由于該地區淡水資源匱乏，京唐公司充分利用海水資源，一期建成4套低溫多效蒸餾海水淡化裝置，單套產量1.25萬m3/d，總規模5萬m3/d。一期一步建設2套裝置，全部引進法國技術，2009年5月建成投產；一期二步建設2套裝置，全部實現國產化，2010年10月建成投產。

該項目在每套LT-MED海水淡化裝置上設置2個蒸汽噴射壓縮器（TVC）裝置，通過2個可以利用其它壓力較高的蒸汽將LT-MED裝置中末效未冷凝的蒸汽壓縮以得到更多的加熱蒸汽，進而提高LT-MED海水淡化裝置的造水比。根據熱源情況，該項目LT-MED海水淡化裝置可實現多工況運行：（1）僅使用低壓蒸汽，同時2個TVC裝置投入運行（TVC工況）；（2）僅使用低低壓蒸汽，同時2個TVC裝置停止使用（MED工況）；（3）使用低低壓蒸汽，并使用一定量的低壓蒸汽作為補充，同時只有1個TVC裝置投入運行（T VC+MED工況）[3]。另外，該項目LT-MED海水淡化裝置可以在40%～110%負荷內自動調節，且不影響造水比。

2 海水淡化在節能減排中的作用

2.1 調節蒸汽平衡

鋼鐵企業的蒸汽耗量會隨著季節的變化而變化，尤其是北方地區特別明顯。北方冬季較為寒冷，取暖及保溫會消耗大量的蒸汽，鋼鐵企業蒸汽耗量明顯大于夏季。為了保障冬季蒸汽使用，鋼鐵企業設計時一般按照冬季最不利條件下生產蒸汽，且由于大部分蒸汽回收系統同時是生產工藝中不可缺少的冷卻系統，所以蒸汽回收系統必須全年不間斷運行，從而造成鋼鐵企業夏季蒸汽產耗不平衡，導致大量蒸汽被放散。京唐公司充分發揮LT-MED海水淡化裝置的負荷調節功能，夏季高負荷運行，冬季低負荷運行，從而保障不同季節蒸汽產耗平衡，實現蒸汽的零放散，創造了較大的經濟效益，且減少了對環境的影響。

2.2 實現能源梯級利用

鋼鐵企業有大量的余熱蒸汽，一般在只設置1～2個等級的蒸汽管網，由于鋼鐵企業各工藝用戶所需蒸汽的品質不同，為了滿足用戶需求，高品質蒸汽一般都是減溫減壓后使用，造成大量的能源損失。鋼鐵企業的富裕煤氣一般通過煤氣鍋爐燃燒產生蒸汽，減溫減壓后進入蒸汽管網，部分企業將富裕煤氣燃燒產生的蒸汽用于發電，在一定程度上提高了能源的利用效率，但仍有大量的乏汽余熱不能充分利用。

京唐公司充分利用LT-MED海水淡化對操作溫度要求低的特點，研究了前置發電海水淡化技術，該技術首先將富裕煤氣燃燒產生的蒸汽及通過余熱回收裝置回收的高品質蒸汽用于發電，發電后的乏汽直接供LT-MED海水淡化裝置制備淡水，從而實現了能源的梯級利用，全系統的熱效率可以提高至82%以上[4]。通過該技術的實施不但降低了海水淡化成本，而且實現了鋼鐵企業煤氣、蒸汽零放散，同時節省了汽輪機凝汽器的建設及運行費用，具有顯著的經濟效益、環境效益及社會效益。該流程見圖1。

圖1 前置發電海水淡化工藝流程圖

2.3 建立低品質余熱資源利用平臺

目前冶金企業產生的高品質二次余熱資源基本上已經被利用，如干熄焦、熱軋加熱爐、煉鋼轉爐氣化冷卻及燒結環冷余熱鍋爐等余熱。尚有高爐沖渣水、鍋（窯）爐煙氣、循環水等低品質余熱資源還未回收利用，已成為冶金行業做好節能減排的核心內容。根據LT-MED海水淡化操作溫度低的特點，京唐公司建立了以LT-MED海水淡化裝置為依托的低品質余熱資源利用平臺。

采用抽引凝結換熱、氣液兩相防腐換熱、熱水高效閃蒸及蒸汽抽射增壓等技術，回收鋼鐵企業低品質余熱作為LT-MED海水淡化裝置的熱源。以除鹽水為換熱介質，首先與高爐沖渣水換熱，然后再與熱風爐及鍋爐煙氣換熱，最后送至海水淡化區域進行閃蒸，并以低壓蒸汽（0.6 MPa）為動力源進行抽射增壓，產生低低壓（32～35 kPa）飽和蒸汽，作為 LTMED海水淡化裝置熱源。閃蒸后的除鹽水用于加熱LT-MED海水淡化裝置原料海水，溫度降低后回到高爐沖渣水系統循環利用?？紤]沖渣水、熱風爐、鍋爐煙氣等余熱的波動性，在閃蒸罐前設置除鹽水穩溫裝置，以管網低壓蒸汽作為補充熱源，用于保證除鹽水溫度穩定。

圖2 低品質余熱用于海水淡化工藝流程圖

2.4 開創污水回收利用新模式

鋼鐵行業既是用水大戶，用水量約占工業用水總量的10%，同時也是廢水排放大戶，外排廢水量約占全國總排廢水量的8%[5]。隨著水資源短缺加劇及環保要求越來越嚴格，鋼鐵企業用水成本日益升高，迫使鋼鐵企業開始考慮工業廢水的回收利用。由于工業廢水含鹽量相對較高，會造成管網及設備的腐蝕，因此，常規處理后的工業廢水一般不能直接回用，需進行深度處理（脫鹽）后才能回用。目前，國內鋼鐵企業一般都采用超濾+反滲透(UF－RO)雙膜法將工業廢水進行深度處理后回用[6，7]，但該方法會產生10%～30%的濃鹽水。由于濃鹽水含鹽量更高，一般只能用于抑塵、混料等對水質要求不高的工藝，但這些工藝需水量不大，限制了雙膜法深度處理的規模。

京唐公司充分發揮臨海優勢，利用鋼鐵企業的廉價余熱資源，采用LT-MED海水淡化裝置生產大量除鹽水。在滿足工藝除鹽水用量要求外，富裕除鹽水可以與工業廢水勾兌，利用除鹽水含鹽量較低（≤5 mg/L）的特點對工業廢水中的含鹽量進行稀釋，使其水質恢復到循環水補水指標，以達到回用的目的。該技術不但可以實現鋼鐵工業廢水的真正零排放，而且可以回收市政污水。

2.5 實現濃海水資源化利用

海水淡化技術在生產淡水的同時，必然會副產濃鹽水，目前濃海水一般采用直接排海的處理方式。由于濃海水中的含鹽量一般為原海水的2倍左右，且含有化學藥劑、重金屬等污染物，少量濃海水排海對海洋生態環境影響不大，但隨著大規模海水淡化項目的建設，濃海水排海必定會對海洋生態環境造成影響[8，9]，尤其對封閉狀態的渤海灣，影響更為嚴重。因此，只有對濃海水進行資源化利用，才能最終解決海洋生態環境污染的問題。

鋼鐵企業一般需要70%的工業水、30%的除鹽水。而熱法海水淡化產生的淡化水一般為除鹽水，膜法海水淡化產生的淡化水一般為工業水。因此，京唐公司在建設LT-MED熱法海水淡化的同時還規劃建設膜法海水淡化。目前京唐公司在已有熱法海水淡化技術的基礎上，研究開發了熱膜耦合濃海水綜合利用技術。該技術首先利用鋼鐵企業的煙道氣對LT-MED熱法海水淡化濃海水進行除硬預處理，并產生高附加值的碳酸鈣、氫氧化鎂等副產品。除硬后的濃海水作為膜法海水淡化的原料水，不但大大降低了膜法海水淡化的結垢傾向，提高了膜法海水淡化的回收率，而且充分利用了LT-MED熱法海水淡化濃海水的余熱資源，解決了我國北方冬季海水水溫較低影響膜法海水淡化產水量的問題。膜法海水淡化產生的濃鹽水供社會化工企業制堿，實現濃海水綜合利用零排放，不但制堿效率大大提高，而且節省了溶鹽用的淡水資源。

3 結語

隨著中國經濟的快速發展，綜合考慮環境保護、淡水資源、運輸成本、土地問題、產業布局等因素，鋼鐵企業已加速向沿海地區轉移[10]。 沿海鋼鐵企業應結合自身情況，充分發揮地理優勢，建立以海水淡化為依托的循環經產業鏈，實現鋼鐵企業的節能減排，即響應了國家政策，又降低企業經營成本，增強市場競爭能力。

[1]代銘玉.鋼鐵制造全流程余熱余能資源的回收利用現狀[J].冶金經濟與管理,2017,(02):52-56.

[2]鄭曉英,王翔.三種主流的海水淡化工藝[J].凈水技術,2016,35(06):111-115.

[3]吳禮云,唐智新,吳剛等.低溫多效海水淡化技術在鋼鐵企業煤氣和蒸汽“零”排放中的應用[A].中國鋼鐵業2014增刊[C].:,2014:4.

[4]唐智新,吳禮云,梁紅英.低溫多效蒸餾海水淡化蒸發器替代汽輪機凝汽器可行性及應用[J].水處理技術,2015,41(10):113-115.

[5]張照元,王叢業,任盛.膜分離技術在鋼鐵廢水處理中的應用研究[J].中國環保產業,2014,(09):31-33.

[6]吳云生,寇彥德,朱偉明等.雙膜法工藝在鋼鐵綜合污水深度處理中的應用[J].中國給水排水,2013,29(22):102-105+109.

[7]方建,俞勇,趙珺,王付建.兩級雙膜法處理鋼鐵工業綜合生產廢水[J].冶金動力,2017,(11):59-62.

[8]馬學虎,蘭忠,王四芳等.海水淡化濃鹽水排放對環境的影響與零排放技術研究進展[J].化工進展,2011,30(01):233-242.

[9]黃逸君,陳全震,曾江寧等.海水淡化排放的高鹽廢水對海洋生態環境的影響[J].海洋學研究,2009,27(03):103-110.

[10]唐智新,常永富,吳禮云,梁紅英.基于海水淡化的鋼鐵廠循環經濟技術探討[J].冶金動力,2017,(02):29-32+36.