大型低溫多效海水淡化工程系統優化

張 波

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

1 背景概述

京津冀地區淡水資源短缺，對海水淡化有巨大需求。低溫多效海水淡化裝置產水高，品質屬性毋庸置疑，但造成產水成本較高是其發展的瓶頸。海水淡化裝置大型化、國產化可節約占地面積和建設資金，是國內追求的目標。為滿足鋼鐵廠二期用水需求，某鋼鐵集團自主集成建設3.5萬t/d海水淡化項目，該項目為國內單體最大，使用汽輪機乏汽作為熱源，國產化率達98.11%，起到了行業引領作用。

2 水電聯產的參數優化

由于需要使用蒸汽作為動力源，熱法海水淡化均與發電廠同步建設，汽源取用汽輪機抽汽。例如，沙特阿拉伯Marafiq海水淡化項目、阿聯酋塔維基海水淡化項目、印度榮譽煉油廠海水淡化項目、國內的國華黃驊發電廠北疆電廠等。蒸汽的品質較高造成蒸汽成本較高，同樣海水淡化造水成本也較高，影響了其大規模發展。

大型電廠一般采用凝汽式汽輪機，汽輪機末端排汽通過間接式換熱凝結成水回至鍋爐，而排汽中大量的潛熱被冷卻水或冷卻空氣帶走，進而釋放至大氣中。散失的熱量經測算，占整個發電機組投入熱量的60%左右。某鋼鐵公司二期低溫多效海水淡化裝置與汽輪機發電機組進行的聯合應用，蒸發器利用部分汽輪機末端乏汽作為動力蒸汽，實現了水電耦合聯產的目標，如圖1所示。

圖1 水電耦合示意圖

對于海水淡化使用汽輪機乏汽作為熱源的水電耦合系統，提高汽輪機排汽壓力，可以提高海水淡化的造水比，但同時意味著提高了汽輪機的發電損耗，需要找到一個合理的設計參數。經過計算及分析，項目選擇汽輪機排汽壓力32～35 kPa，蒸發器造水比6。在該區間內對發電量影響較小，產水熱耗低，汽輪機運行穩定，熱法海水淡化裝置造水成本較低。

3 裝置結構優化

對低溫多效裝置的傳熱系統進行研究，分析計算結果是換熱管排數在130～150排時較好。但是，總傳熱面積固定，限定換熱管排數后，就要增加換熱管列數，列數過大會增加蒸汽流通的阻損。為此，本項目開發了一種全新的單效多組換熱管布置方式。

針對大型低溫多效海水淡化裝置體積大、換熱管束多、二次蒸汽量大等特點，研究設計了一種蒸發器換熱管束及海水、濃鹽水通道在兩側，成品水通道在中間的結構形式。這種形式既保障穩定、經濟的工藝性能，又便于檢修，可利用成品水通道實現直接更換換熱管，不需要行業常用的切殼換管，如圖2所示。

圖2 蒸發器結構圖

4 新材料的應用

結合中船重工七二五研究所在船舶防腐方面的研究成果，碳鋼梁采用船舶用底漆及面漆，大大提升了設備碳鋼產品的防腐能力，如圖3所示。

圖3 海洋防腐漆在蒸發器碳鋼梁上的應用

在蒸發器效內支柱、通風管道等部件上，國內海淡行業上首次采用復合鋼板替代雙相不銹鋼。采用雙相不銹鋼與碳鋼整體軋制由首秦公司生產，降低了設備制造成本。復合鋼板的應用部位見圖4所示。

圖4 復合鋼板的應用部位

5 系統其他優化

縮短工藝流程，通過設置大流量、高揚程、流量可調的海水取水系統，使用海水取水泵直供海水淡化蒸發器，可使噸水電耗降低0.2～0.4 kWh；蒸餾水泵直供除鹽水管網，可使噸水電耗降低0.1 kWh。工藝流程圖見圖5。

圖5 給排水工藝

海水淡化有2個噴射器，一是啟動時抽真空的啟動噴射器，另一個是運行時維持真空的真空噴射器。維持真空時需要真空噴射器入口有一個穩定的壓力。本項目啟動噴射器采用不定壓抽真空的模式，與維持運行的真空噴射器分開，啟動時抽真空時間縮短2.5 h。抽真空系統見圖6。

圖6 抽真空系統

6 海水淡化發展的建議

鑒于淡水資源緊張，國家部委從2005年開始對海水淡化發展提出很多政策和建議。某鋼鐵公司于2007年開始引進法國技術，建設2×1.25萬t/d熱法海水淡化工程，2010年自主集成建設2套相同工藝、同等規模的海水淡化設施，2017年在充分消納技術的基礎上自主集成建設了單套3.5萬t/d熱法海水淡化，各種指標的先進性以及生產的穩定性在行業內部取得了良好聲譽。下一步建議以內部海水淡化工程為依托，整合內部優勢資源，成立專業公司，進行海水淡化技術及工程的輸出，逐步進入國內和國際市場。

在技術上，可以從以下幾個方面進一步開展工作：

1）海水噴淋系統對裝置使用性能至關重要，如果海水噴淋不均勻、潤濕率不夠，會導致產水量降低、結垢等嚴重后果。噴頭的結構和布置可以通過試驗的方式進行研究優化。另外，噴頭以絲扣連接為主，采用法蘭連接更為牢靠。

2）殼體及管板、支撐板采用價格昂貴的雙相不銹鋼，比如使用碳鋼+防腐的方式可以大幅度降低設備造價。應盡快開發適用于低溫多效海水淡化的防腐材料及噴涂工藝。

3）低溫多效工藝由于海水溫度較低，可以減少結垢，但也降低了蒸發器的造水比。研究適合的阻垢劑，以提高第一效蒸發溫度，會產生較大的經濟效益。

4）以汽輪機乏汽作為海水淡化熱源，熱源的品質低，可降低造水成本。若使用品質更低的熱源，比如熱水、煙氣，成本可進一步降低。