低溫多效蒸餾海水淡化工藝的應用

郝彥光 張波 劉雨 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司

海水淡化又稱海水脫鹽，是從海水中獲取淡水的技術和過程。目前，廣泛應用的海水淡化技術主要包括多級閃蒸（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）開發(fā)后在世界范圍內(nèi)得到了較廣泛的應用，與RO 和MSF成為最具發(fā)展前景的海水淡化技術。

1 海水淡化工藝選擇

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司為實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排的目標，充分利用臨海優(yōu)勢，結(jié)合渤海水質(zhì)，幾種海水淡化的特點以及廠區(qū)蒸汽資源，最終選擇了法國SIDE低溫多效海水淡化技術。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計水量為1773m3/h，設計規(guī)模為50000m3/d，淡化出水電導率＜10μs/cm，項目分兩步建設，每步建設2×1.25萬m3/d裝置，目前已全面投產(chǎn)，各項指標滿足設計要求。

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，渤海灣海水通過內(nèi)港池進入海水取水泵站前池，由提升水泵送至海水淡化預處理區(qū)，經(jīng)混凝沉淀分離后，底流污泥通過泥漿泵送往廂式壓濾機進行脫水外運出水進入裝置，淡化出水進入MED裝置，淡化出水進入成品水罐貯存調(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施進行精處理，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。

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，通過重復的蒸發(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。進入的海水在冷凝器內(nèi)首先脫氣和預熱，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入蒸發(fā)器。經(jīng)升壓后補給水直接進入蒸發(fā)器低溫效組（五、六、七效），其余部分經(jīng)補給水加熱器再次預熱后進入高溫效組中的二、三、四效，最后一部分通過兩級噴射冷凝器預熱至接近加熱蒸汽溫度后進入蒸發(fā)器第一效。

入料海水經(jīng)過阻垢劑處理后進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)通過熱傳導管的上排進行噴淋分配，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行的下一效組中，這樣噴淋和蒸發(fā)程序重復進行。余下的海水再次被向前輸送直到離開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）的熱傳導管中，通過蒸汽冷凝，釋放出潛熱后傳給熱傳導管外的海水。當熱傳導管內(nèi)的蒸汽冷凝發(fā)生時，幾乎等量的蒸發(fā)在熱傳導管外產(chǎn)生。為保證蒸餾水的純度，在通過鹽水飛沫分離器（除霧器）后，蒸汽被引入到運行溫度和壓力稍低的下一效的熱傳導管中。蒸發(fā)—冷凝過程在所有效段中反復進行，每一效產(chǎn)出相當量的蒸餾水。在最后一效中產(chǎn)生的蒸汽在廢熱冷凝器中通過海水冷卻水冷凝。第四效的一部分蒸汽被抽出來用于對前四效的海水補給水加熱。

第一效的冷凝水被收集，可進入海水淡化成品水系統(tǒng)，也可返回蒸汽發(fā)生地。原動力蒸汽產(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，通過一系列鹽水閃蒸罐在各級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鹽場。從每一根熱傳導管中逸出的不凝結(jié)性氣體，集中地從一效進入到下一效。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行模式

首鋼京唐公司可選擇的海水淡化運行模式有熱壓縮（TVC）、多效（MED）和混合（MED +TVC）3種。通過在實際生產(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)鋼鐵廠的燃氣、蒸汽、電、水平衡，充分體現(xiàn)了鋼鐵廠“循環(huán)經(jīng)濟、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57t，其中4t用于抽了不凝結(jié)汽體，用2臺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

僅使用汽輪機乏汽（0.03MPa，＜70℃）作為加熱蒸汽，每小時用量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

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

5 工藝特點

（1）根據(jù)鋼鐵廠的燃氣、蒸汽、電、水平衡，能夠在TVC、MED、MED+TVC3種工況下運行，實現(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力蒸汽，可大幅度降低海水淡化制水成本，同時可節(jié)省為凝汽器設置直流冷卻設施的投資。

（3）熱法裝置的濃鹽水排放溫度平均在33℃左右，在工程施工上預留有冬季用熱法濃鹽水和膜法-2.4℃的進水海水進行預熱的途徑，該途徑可實現(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內(nèi)屬于首次使用，同時利用合理的設備及管道布置，充分實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊、空間節(jié)省，并使熱交換過程更加完善。雙TVC模式的使用甚至在國外海水淡化設施也很少使用。

（5）采用了先進的預處理工藝，占地面積小，維護方便。

（6）通過鋼鐵廠內(nèi)部的“水-汽-水”物質(zhì)循環(huán)以及能量的梯級使用，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行海水脫硫以及進行制固體鹽，通過這種“海水-鹽-海水”的社會大循環(huán)，實現(xiàn)對環(huán)境的友好。

6 經(jīng)濟效益

首鋼京唐在其中兩套海水淡化主體裝置蒸汽進口前分別配置了兩臺C25-3.43/0.7抽汽凝汽式中溫中壓汽輪發(fā)電機組，充分利用鋼鐵廠富余燃氣燒鍋爐產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽在汽輪機組中發(fā)電做功，進而將汽輪機末端負壓排汽（壓力約0.3ata）供給海水淡化裝置制備除鹽水。該工況實現(xiàn)了能量的梯級利用，不僅大幅度降低了海水淡化的運行成本，還產(chǎn)生了額外的發(fā)電效益，更好地實現(xiàn)了熱、電、水的聯(lián)產(chǎn)。系統(tǒng)在該工況下運行，每年可以節(jié)約制水成本約4500萬元，同時配套發(fā)電機組每年可以產(chǎn)生6000多萬元的發(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℃）價格約100元/t，而汽輪機乏氣價格約15元/t。若能加大低品位蒸汽利用，制水成本將進一步下降。

7 結(jié)語

運行實踐證明該系統(tǒng)的工藝流程、設備配置和性能指標均達到了設計要求，4×12500萬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)進行調(diào)節(jié)和運行，產(chǎn)水含鹽量小于10mg/l，額定條件下造水比可達到9.8。該項目實現(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)濟效益，還具有較好的環(huán)境和社會效益，為沿海鋼鐵廠乃至其它行業(yè)建設海水淡化工程，降低制水成本，最大限度減少生產(chǎn)生活對淡水的依賴開辟了一條新路。