張巖崗

2006年，北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司（以下簡稱“首鋼國際工程公司”）按照國家發(fā)展和改革委員會的批復(fù)開展新建鋼鐵廠——首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司鋼鐵廠的設(shè)計(jì)工作。此批復(fù)中特別強(qiáng)調(diào)，鋼鐵廠需實(shí)施循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略，節(jié)約水資源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。面對華北地區(qū)稀缺的淡水資源，開發(fā)利用海水資源將海水轉(zhuǎn)化為淡水成為鋼鐵廠整個水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。首鋼國際工程公司通過對水質(zhì)、水量進(jìn)行分析、計(jì)算，最終設(shè)計(jì)采用創(chuàng)新的低溫多效海水淡化技術(shù)制取鋼鐵廠全廠除鹽水，該低溫多效海水淡化技術(shù)能在多種工況下運(yùn)行，可以充分利用鋼鐵廠不同類型的乏汽資源，有效降低運(yùn)行成本，符合“循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排”的設(shè)計(jì)理念。首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司鋼鐵廠也因此成為國內(nèi)第一個采用海水淡化技術(shù)解決供水問題的鋼鐵企業(yè)。

一、海水淡化技術(shù)概況

海水淡化是海水綜合利用中的重要設(shè)施，當(dāng)今，通過海水淡化工藝生產(chǎn)大量高質(zhì)量產(chǎn)品水在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是可行的。目前，海水淡化技術(shù)主要有兩個發(fā)展方向，即熱法和膜法。

1.熱法

熱法主要有：多級閃蒸（MSF）、低溫多效（LTMED）兩種技術(shù)。其中，多級閃蒸的運(yùn)行溫度、造水比和級數(shù)分別在120℃、10和40級，多級閃蒸除了消耗一定的加熱蒸汽外，還要耗電能4kwh-5kwh/m3用于海水的循環(huán)和流體的輸送；低溫多效是在多效MED）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，運(yùn)行溫度、造水比和效數(shù)分別在70℃以下、大于10和7效，低溫多效除了要消耗加熱蒸汽外，還要耗電能約1.2kwh/m3，用于成品水的輸送。

2.膜法

膜法主要是指反滲透（RO）技術(shù)，它利用半透膜在壓力下允許水透過而使鹽份和雜質(zhì)截留的技術(shù)。傳統(tǒng)上膜法技術(shù)普遍應(yīng)用于對苦咸水的淡化中，現(xiàn)在廣泛用于海水淡化中。膜法技術(shù)的脫鹽率可達(dá)99.5%，能耗約在6kwh/m3成品水。

但RO工藝對原水水質(zhì)、水溫比較敏感，并且對人工操作要求較高。為了避免滲透膜被阻塞，必須在反滲透設(shè)備的前端安裝有效的預(yù)處理裝置。近年的實(shí)踐表明，海水預(yù)處理不僅投資高，而且技術(shù)難度也較大。所以，在計(jì)劃采用膜法海水淡化技術(shù)的海域一般需進(jìn)行為期一年的預(yù)處理中試。

二、不同海水淡化技術(shù)的比較

1．多級閃蒸技術(shù)上成熟可靠，成本適中，尤其適合大規(guī)模的海水淡化。每噸淡化水需耗電4kwh-5 kwh，耗低壓蒸汽（以2ata壓力計(jì)）0.14t。一次性設(shè)備投資稍高，但運(yùn)行維修費(fèi)用低。

2．低溫多效蒸餾技術(shù)成熟可靠，成本較低，近10多年大規(guī)模應(yīng)用于海水淡化工程。每噸淡化水需耗電1.2kwh，耗低壓蒸汽（以2ata壓力計(jì)）0.1t左右，一次性設(shè)備投資稍高，但運(yùn)行維修費(fèi)用較低。

3．反滲透每噸淡化水需耗電6kwh左右，一次性設(shè)備投資稍小，但膜老化更換運(yùn)行費(fèi)高，并且需要維護(hù)人員較多。

另外，即使兩級膜法出水指標(biāo)仍低于熱法出水指標(biāo)，若取得和熱法相同的水質(zhì)，后續(xù)需增加一級膜法或其它除鹽設(shè)施，所以反滲透多用于市政等行業(yè)。綜合比較見表1。

通過上述比較并結(jié)合實(shí)際工程的調(diào)研，鑒于熱法中的低溫多效在多級閃蒸的基礎(chǔ)上有了較多改進(jìn)，在此僅將熱法中的低溫多效工藝和膜法進(jìn)行綜合比較。

（1）一般情況下低溫多效工藝比反滲透在一次投資方面略高，但考慮到曹妃甸地區(qū)預(yù)期的入料海水水質(zhì)較差將引起膜法預(yù)處理裝置復(fù)雜，因此二者投資相差不大。

表1 綜合比較表

（2）低溫多效工藝運(yùn)行期間的設(shè)備檢修和維護(hù)費(fèi)用相當(dāng)?shù)停慌c同等能力的反滲透工藝比較，低溫多效裝置對操作人員的要求較低。

（3）低溫多效裝置的主要能源為蒸汽，該工藝結(jié)合首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司即將建設(shè)的X300MW電站和鋼廠內(nèi)除冬季外排放的乏汽（100-50t/h），利用蒸汽能源更方便。

（4）低溫多效裝置可以一步到位生產(chǎn)相當(dāng)純度的除鹽水（小于10μS/cm），而且可以為進(jìn)一步的精除鹽(要求的鍋爐補(bǔ)充水水質(zhì)小于0.2μS/cm))提供較好的原水。

（5）低溫多效裝置對入料海水水質(zhì)和污染的變化不太敏感。據(jù)有關(guān)資料顯示，曹妃甸地區(qū)的海水已受到相當(dāng)程度的污染。

（6）低溫多效裝置施工安裝簡單，且運(yùn)行控制系統(tǒng)較為簡單，因?yàn)榈蜏囟嘈аb置適合無人看管下的自動連續(xù)運(yùn)行，并對操作人員的失誤不敏感。

通過以上綜合比較及對全廠的水平衡計(jì)算，決定鋼鐵廠一期采用熱法中的低溫多效工藝，規(guī)模為50000 m3/d。

三、低溫多效海水淡化裝置主要參數(shù)的確定

首鋼國際工程公司的設(shè)計(jì)者通過對鋼鐵廠需水量和水質(zhì)的合理計(jì)算，并結(jié)合鋼鐵廠的運(yùn)行體制，確定了一期海水淡化主體設(shè)施分4套設(shè)計(jì)的總體思路，單套設(shè)施制水能力12500 m3/d，總產(chǎn)水能力50000(m3/d)，并確定了其主要參數(shù)。目前，這是中國國內(nèi)已投產(chǎn)最大的熱法海水淡化設(shè)備。工藝流程見圖1。

四、低溫多效海水淡化技術(shù)在本工程中的主要改進(jìn)及創(chuàng)新

設(shè)計(jì)中針對鋼鐵廠的蒸汽平衡和各除鹽水用戶的不同情況，設(shè)置了海水淡化主體設(shè)施運(yùn)行的邊界條件及主要工況，并對涉及海水淡化主體設(shè)施運(yùn)行的附屬設(shè)施及配套系統(tǒng)進(jìn)行了合理配置及優(yōu)化。

其中，海水淡化設(shè)施工況的確定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它決定了設(shè)施將來的運(yùn)行水平及效益。目前，通常的作法是從汽輪機(jī)中抽取中壓蒸汽，該中壓蒸汽為壓力在4ata（ata為絕壓下kgf/cm2）以上的蒸汽，然后通過熱壓縮（即TVC）裝置將中壓蒸汽和回流低壓蒸汽混合減溫減壓后進(jìn)入低溫多效裝置進(jìn)行海水淡化，由于該方式抽取的壓力較高的中壓蒸汽是汽輪機(jī)中沒有充分膨脹做功的優(yōu)質(zhì)蒸汽，蒸汽價(jià)值較高，由此直接影響發(fā)電效率，導(dǎo)致海水淡化的運(yùn)行成本較高，沒有較好體現(xiàn)低溫多效裝置利用低溫、低壓的低價(jià)值蒸汽直接進(jìn)行海水淡化的技術(shù)優(yōu)勢；另外通常的海水淡化專設(shè)抽汽系統(tǒng)，沒有較好利用其它富余蒸汽，造成能源浪費(fèi)，系統(tǒng)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中使用低溫多效海水淡化工藝時抽取汽輪機(jī)中的中壓蒸汽影響發(fā)電效率、運(yùn)行成本高等問題，本創(chuàng)新將低溫多效裝置與汽輪機(jī)及其它低低壓汽源組合，可直接利用汽輪機(jī)末端或其它低低壓汽源的低溫、低壓蒸汽進(jìn)行海水淡化，同時該工藝可利用其它壓力較高的富余蒸汽進(jìn)行海水淡化，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多工況運(yùn)行。其中富余蒸汽設(shè)計(jì)采用的壓力還同比降低了1ata-2ata，使噸水運(yùn)行成本同比下降2元-3元，而其它工況設(shè)計(jì)利用基本“零”價(jià)值的蒸汽（如發(fā)電汽輪機(jī)排汽等），使噸水運(yùn)行成本同比下降更多。目前該創(chuàng)新已申請了國家發(fā)明專利專利號：200810103167.5）。另外，設(shè)計(jì)還將濃鹽水送社會鹽場曬鹽，實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用，進(jìn)一步降耗減排。

在海水淡化材料及設(shè)備的選擇方面，通過掛片試驗(yàn)、查閱資料、請教專家、調(diào)研廠家等，最終確定了全部材質(zhì)，這些材質(zhì)即考慮了功能需要又考慮了價(jià)格因素，實(shí)現(xiàn)“功能性”與“經(jīng)濟(jì)性”的統(tǒng)一。其中主要包括：外殼選用進(jìn)口雙相不銹鋼，換熱管分不同部位采用進(jìn)口鈦材和國產(chǎn)銅合金，板式換熱器采用進(jìn)口鈦板，海水非接觸附件采用國產(chǎn)316L不銹鋼，海水管道采用GRP等。

在最后階段，將電氣、自控、通訊、防雷接地等系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，使得該設(shè)施的綜合投資、運(yùn)行成本、自控水平等均達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平。

五、低溫多效海水淡化技術(shù)的應(yīng)用前景

首鋼國際工程公司首次在鋼鐵廠中采用的低溫多效工藝，不僅可以在TVC工況下運(yùn)行，還可以在純MED工況及MED+TVC工況下運(yùn)行，通過在不同工況下的運(yùn)行模式切換，有效利用鋼鐵廠的多種蒸汽能源，在工藝流程、設(shè)備配置和性能指標(biāo)上均達(dá)到世界先進(jìn)水平。鋼鐵廠成功應(yīng)用該創(chuàng)新低溫多效海水淡化技術(shù)不僅節(jié)約了淡水資源，還有效降低了海水淡化的運(yùn)行成本，并提高了鋼鐵廠的用水安全性，符合國家“循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排”的要求，對沿海地區(qū)鋼鐵廠及其它行業(yè)的建設(shè)有一定的借鑒意義。

六、低溫多效海水淡化技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)

為了研究和創(chuàng)新該低溫多效海水淡化技術(shù)，首鋼國際工程公司成立了由副總經(jīng)理蘭新輝掛帥的海水淡化系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)課題組。課題組以動力設(shè)計(jì)室主任、教授級高工寇彥德為課題組組長，集中了工藝工程師張巖崗、李瑋、吳永志，熱力工程師周玉磊，自動化工程師劉燕、羅曉陽等多專業(yè)的負(fù)責(zé)人及優(yōu)秀人才，并吸納了首鋼京唐公司教授級高工李楊、高級工程師吳禮云參與課題開發(fā)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中融合了工藝、熱力、電氣、自動化、土建、暖風(fēng)、總圖、電信等多個專業(yè)，克服了跨越專業(yè)多、系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)，最終建成了具有創(chuàng)新性的低溫多效海水淡化工程。

首鋼國際工程公司正努力實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化，并逐步為國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)或相關(guān)企業(yè)提供相關(guān)技術(shù)服務(wù)。