萬噸級膜法海水淡化在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

＊陳超鶴

（河北豐越能源科技有限公司 河北 063300）

北方某鋼鐵公司膜法海水淡化工程采用“熱+膜”海水淡化互補(bǔ)工藝，輔以余熱回收，對膜法海淡冬季海水預(yù)熱，充分利用循環(huán)冷卻水、沖渣水等余熱，解決冬季海水溫度較低問題；同時(shí)采用“混凝斜板沉淀+V型濾池”與超濾組合強(qiáng)化預(yù)處理，排除解決沙灘開放式取水潮差、風(fēng)浪等水質(zhì)波動影響問題。目前，膜法海水淡化工程已經(jīng)投入運(yùn)行一年多，較好地完成了全廠生產(chǎn)、生活用水的保障任務(wù)。

1.系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)

（1）受潮差、季風(fēng)等影響，水質(zhì)波動較大。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)淡化工程取水口附近海水泥沙含量、渾濁度較高。沿岸海水受漲、退潮影響，水中夾帶大量泥沙，水質(zhì)波動較大。海水淡化取水區(qū)域海水濁度通常在10～20NTU，最高達(dá)100NTU。（2）冬季水溫較低，四季溫差大。海水淡化取水于渤海灣河口，水溫變化受北方大陸性氣候影響，表層海水溫度四季變化較大，1～2月在0℃或以下，8月達(dá)25℃左右。溫度的波動將直接影響后續(xù)反滲透系統(tǒng)的出力、能耗和回收率，是海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行的一個非常重要的影響因素。

2.膜法海水淡化工藝系統(tǒng)

海水淡化工程產(chǎn)品水主要用于鋼廠生產(chǎn)用水。項(xiàng)目工程建造六套海水淡化裝置，單套產(chǎn)水規(guī)模1.25萬m3/d，該膜法淡化工程應(yīng)用了先進(jìn)的雙膜法工藝（UF+SWRO）。

（1）海水取水。采用開放式取水方式，取水位置位于陡河河口，利用海水潮汐變化取水。海水經(jīng)一級泵站提升后進(jìn)入到預(yù)沉池進(jìn)行預(yù)沉，澄清水經(jīng)二級泵站進(jìn)入海水淡化工程進(jìn)水管網(wǎng)。

（2）海水預(yù)處理。選用“殺菌、絮凝-沉淀-V型濾池”工藝。次氯酸鈉投加點(diǎn)位于斜板沉淀池絮凝混合區(qū)前，絮凝劑投加在混合器前端加藥口處，助凝劑投加在絮凝池第一格入口混合器前。

絮凝池內(nèi)完成絮凝劑的快速混合，必要時(shí)在絮凝池第一格內(nèi)投加助凝劑。絮凝池共設(shè)6座，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；旌蠒r(shí)間＞2.5s，水頭損失不大于0.5m，池體絮凝部分豎向流采用星形結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)設(shè)有星形設(shè)備，材質(zhì)為改性PVC。絮凝劑三氯化鐵投加為5～20ppm，助凝劑聚丙烯酰胺，投加量為0.5～1ppm。

絮凝池出水進(jìn)入沉淀池，與絮凝池共建。沉淀池采用斜板沉淀池，穿孔集水槽集水，以保證出水均勻，再匯集到出水渠中。斜板材質(zhì)為乙丙共聚/改性聚丙烯，斜板長度1.2m，傾角為60°。

（3）V型濾池。V型濾池閘門接觸海水的部分采用超級雙相不銹鋼S25073，池內(nèi)部與海水接觸的組件耐海水腐蝕。V型濾池設(shè)計(jì)濾速≤10m/h。V型進(jìn)水槽（沖洗時(shí)兼作表面掃洗布水槽）和排水槽沿池長方向布置，以利于布水均勻。濾料采用均勻級配石英砂，厚度為1.2m，粒徑0.9～1.2mm，不均勻系數(shù)1.2～1.4；承托層采用粗砂，厚度為0.1m，粒徑2～4mm。

（4）超濾。超濾系統(tǒng)共設(shè)置30套。超濾裝置每套含56支膜組件，每支膜面積91m2，設(shè)計(jì)瞬時(shí)通量為61.5LMH，正常運(yùn)行實(shí)際凈通量為50LMH。超濾膜進(jìn)水最大運(yùn)行壓力0.5MPa，正常工作壓力為0.3MPa。超濾裝置在運(yùn)行中跨膜壓差（TMP）上升，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值0.1MPa時(shí)對超濾膜進(jìn)行反洗。

（5）SWRO海水反滲透。高壓泵采用多級離心泵，過流部件采用高強(qiáng)度耐腐蝕2205雙相不銹鋼材料，通過DCS自動調(diào)節(jié)高壓泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起停和流量調(diào)節(jié)。

能量回收采用壓力交換式能量回收裝置，效率達(dá)95%。能量回收裝置的出水經(jīng)增壓泵升壓后與高壓泵出水混合后進(jìn)入反滲透裝置。

反滲透膜采用低能耗高脫鹽率的海水膜組件，以恒定產(chǎn)水量對所需運(yùn)行壓力及出水水質(zhì)在設(shè)計(jì)溫度5～33℃范圍內(nèi)進(jìn)行校核。海水反滲透膜組件按“一級一段”設(shè)置，設(shè)計(jì)膜通量14LMH，運(yùn)行通量13.91LMH，系統(tǒng)回收率為45%。其工藝流程圖如下：

圖1 工藝流程

圖2 濾池出水濁度

3.膜法海水淡化系統(tǒng)運(yùn)行分析

（1）水質(zhì)波動分析。運(yùn)行中監(jiān)測發(fā)現(xiàn)受海域潮位差、風(fēng)浪等影響，預(yù)沉出水濁度較高，“混凝斜板沉淀+V型濾池”運(yùn)行過程產(chǎn)水通量、水質(zhì)降低。為此，運(yùn)行中增加系統(tǒng)混凝劑投加量，為更好地保證絮凝效果，形成大小適合的礬花顆粒，在絮凝池加投助凝劑，同時(shí)延長斜板沉淀停留時(shí)間，最后可以保證V型濾池出水濁度在5NTU以內(nèi)。進(jìn)入冬季后，采用經(jīng)循環(huán)冷卻、凝汽器預(yù)熱后海水作為反滲透系統(tǒng)給水，但其進(jìn)水濁度明顯升高，一般增加10NTU左右，同時(shí)水體中存有粘泥性物質(zhì)，實(shí)際運(yùn)行中增大系統(tǒng)混凝劑、助凝劑投加量，延長斜板沉淀停留時(shí)間，同時(shí)降低V型濾池反洗周期時(shí)間。

（2）溫度波動對膜系統(tǒng)影響分析。溫度是影響反滲透膜性能的重要因素之一。反滲透膜系統(tǒng)產(chǎn)水通量對進(jìn)水溫度變化非常敏感，水通量隨著進(jìn)水溫度的升高或降低，幾乎線性地增大或減小，主要原因是透過反滲透膜的水分子隨著溫度的升高粘度下降，擴(kuò)散能力增加。一般在其他條件不變的環(huán)境下，相同壓力，溫度每下降1℃，反滲透膜的產(chǎn)水通量降低約2%～3%。一般膜系統(tǒng)采用溫度校正系數(shù)進(jìn)行流量溫度校正，如圖3所示。

圖3 膜系統(tǒng)流量溫度校正系數(shù)

反滲透膜產(chǎn)水側(cè)含鹽量較低，0℃及以下存在結(jié)冰的危險(xiǎn)，并且溫度較低時(shí)噸水能耗較高，膜系統(tǒng)產(chǎn)水效率偏低。工程建設(shè)地所在海域冬季海水溫度會逐漸降至0℃以下，沒有海水預(yù)熱，入冬起系統(tǒng)工程運(yùn)行受到極大限制。

針對此問題，結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行要求以及廠區(qū)條件，取水系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩種取水方式，一種方式海水溫度較高,一般海水24h連續(xù)溫度在10℃以上，直接采取二級泵站出口海水作為反滲透系統(tǒng)進(jìn)水；另一種海水溫度較低，一般海水24h連續(xù)溫度在10℃以下，用經(jīng)循環(huán)冷卻、凝汽器等出口海水作為反滲透系統(tǒng)給水，有效利用系統(tǒng)余熱，降低海水淡化系統(tǒng)的能耗。冬季，膜法海水淡化工程海水取水經(jīng)余熱預(yù)熱后溫度升高10～12℃，如圖4。海水淡化工程SWRO系統(tǒng)高壓部分運(yùn)行性能如圖5，其整體性能運(yùn)行穩(wěn)定，特別是受北方冬季氣溫較低以及季風(fēng)、潮差水質(zhì)波動影響較小。

圖4 海水進(jìn)水溫度

圖5 SWRO系統(tǒng)運(yùn)行性能

（3）能量回收能耗降低分析。淡化工程單套設(shè)計(jì)產(chǎn)水能力為521m3/h，其中4套系統(tǒng)選用PX-Q300能量回收裝置，以及適用的增壓泵。

表1 SWRO設(shè)備參數(shù)

PX能量回收裝置采用的是直接接觸正位移技術(shù)，主要部件是一個無軸轉(zhuǎn)子，沿軸向開有數(shù)個孔道，高低壓流體在孔道中交換能量，并依靠轉(zhuǎn)子的連續(xù)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。節(jié)能機(jī)理是在產(chǎn)量不變的情況下，減少高壓泵流量的方式來降低系統(tǒng)的能耗，能量傳遞為壓力能-壓力能，而不需要機(jī)械輔助裝置。

在忽略摩擦和泄漏的情況下，PX能量回收裝置效率理論上可以達(dá)到100%，但能量回收轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)行過程中會存在一定高壓濃水通過轉(zhuǎn)子的滲漏及摩擦損失，從而降低回收效率；同時(shí)，高壓濃水的滲漏通過進(jìn)入低壓海水，導(dǎo)致原海水鹽度小幅升高，滲透壓隨之升高，增壓了裝置產(chǎn)水運(yùn)行能耗。

由圖6可以看出在海水淡化廠回收率在45%時(shí)，噸水能耗大概在2.4kWh/m3左右。對于單轉(zhuǎn)子PX能量回收裝置體積混和大概6%，會引起膜進(jìn)水鹽度升高2%～3%，導(dǎo)致反滲透進(jìn)膜壓力升高0.1～0.15MPa。致使PX回收效率損失約5%，所以PX實(shí)際效率回收可達(dá)到95%左右。

圖6 PX淡化回收率對能耗影響

圖7 膜法淡化工藝節(jié)點(diǎn)

單套12500m3/d反滲透系統(tǒng)主體，其中海水TDS為31800mg/L，溫度15℃，反滲透回收率45%（采用高通量反滲透膜元件提高單支膜產(chǎn)水通量及總的回收效率），PX效率為94%～95%、采用4個PX300Q。高壓泵流量500～600m3/h，壓力4.9～5.30MPa；增壓泵流620～720m3/h，壓力提升0.2～0.3MPa。采用能量回收裝置，回收反滲透濃水壓力能，即使在冬季取水口海水溫度為0℃，甚至更低時(shí)，采用海水預(yù)熱方式可以將大型反滲透海水淡化工程能耗控制在3.0～3.5k/m3。

表2 膜法淡化系統(tǒng)主要節(jié)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)

4.結(jié)論

海水淡化取水利用循環(huán)冷卻取水系統(tǒng)，排除海域潮差、風(fēng)浪等對水質(zhì)波動的影響，設(shè)計(jì)采用海水預(yù)熱措施，實(shí)現(xiàn)冬季海水溫升10～12℃，降低了系統(tǒng)冬季運(yùn)行能耗；“混凝斜板沉淀+V型濾池”強(qiáng)化預(yù)處理與超濾組合，是渤海灣泥沙灘、冬季預(yù)熱海水預(yù)處理達(dá)到反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求的保障；SWRO系統(tǒng)采用壓力交換式能量回收，回收95%以上的濃水壓力能，降低系統(tǒng)能耗。海水淡化工程的建成和穩(wěn)定運(yùn)行不僅實(shí)現(xiàn)了北方鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程供水的自給自足，為今后的可持續(xù)發(fā)展奠定了重要的基礎(chǔ)，而且為國內(nèi)淡水資源匱乏地區(qū)工業(yè)生產(chǎn)用水提供了一個切實(shí)可行的水資源解決方案，成為我國海水淡化工程與工業(yè)制造相結(jié)合的典范。