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)計工作。此批復(fù)中特別強調(diào)，鋼鐵廠需實施循環(huán)經(jīng)濟戰(zhàn)略，節(jié)約水資源、實現(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)計中的重點。首鋼國際工程公司通過對水質(zhì)、水量進行分析、計算，最終設(shè)計采用創(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)能在多種工況下運行，可以充分利用鋼鐵廠不同類型的乏汽資源，有效降低運行成本，符合“循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能減排”的設(shè)計理念。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，在計劃采用膜法海水淡化技術(shù)的海域一般需進行為期一年的預(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）0.14t。一次性設(shè)備投資稍高，但運行維修費用低。

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）0.1t左右，一次性設(shè)備投資稍高，但運行維修費用較低。

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，但膜老化更換運行費高，并且需要維護人員較多。

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，在此僅將熱法中的低溫多效工藝和膜法進行綜合比較。

（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）低溫多效工藝運行期間的設(shè)備檢修和維護費用相當(dāng)?shù)?；與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），而且可以為進一步的精除鹽(要求的鍋爐補充水水質(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，且運行控制系統(tǒng)較為簡單，因為低溫多效裝置適合無人看管下的自動連續(xù)運行，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)計者通過對鋼鐵廠需水量和水質(zhì)的合理計算，并結(jié)合鋼鐵廠的運行體制，確定了一期海水淡化主體設(shè)施分4套設(shè)計的總體思路，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及創(chuàng)新

設(shè)計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)施運行的附屬設(shè)施及配套系統(tǒng)進行了合理配置及優(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)施將來的運行水平及效益。目前，通常的作法是從汽輪機中抽取中壓蒸汽，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入低溫多效裝置進行海水淡化，由于該方式抽取的壓力較高的中壓蒸汽是汽輪機中沒有充分膨脹做功的優(yōu)質(zhì)蒸汽，蒸汽價值較高，由此直接影響發(fā)電效率，導(dǎo)致海水淡化的運行成本較高，沒有較好體現(xiàn)低溫多效裝置利用低溫、低壓的低價值蒸汽直接進行海水淡化的技術(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，系統(tǒng)運行不經(jīng)濟。

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中的中壓蒸汽影響發(fā)電效率、運行成本高等問題，本創(chuàng)新將低溫多效裝置與汽輪機及其它低低壓汽源組合，可直接利用汽輪機末端或其它低低壓汽源的低溫、低壓蒸汽進行海水淡化，同時該工藝可利用其它壓力較高的富余蒸汽進行海水淡化，并實現(xiàn)系統(tǒng)的多工況運行。其中富余蒸汽設(shè)計采用的壓力還同比降低了1ata-2ata，使噸水運行成本同比下降2元-3元，而其它工況設(shè)計利用基本“零”價值的蒸汽（如發(fā)電汽輪機排汽等），使噸水運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)計還將濃鹽水送社會鹽場曬鹽，實現(xiàn)資源的綜合利用，進一步降耗減排。

在海水淡化材料及設(shè)備的選擇方面，通過掛片試驗、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格因素，實現(xiàn)“功能性”與“經(jīng)濟性”的統(tǒng)一。其中主要包括：外殼選用進口雙相不銹鋼，換熱管分不同部位采用進口鈦材和國產(chǎn)銅合金，板式換熱器采用進口鈦板，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)進行了進一步優(yōu)化，使得該設(shè)施的綜合投資、運行成本、自控水平等均達到或超過國際先進水平。

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工況下運行，還可以在純MED工況及MED+TVC工況下運行，通過在不同工況下的運行模式切換，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)上均達到世界先進水平。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、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)團隊

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)。在實際工程設(shè)計應(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，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)。