以首钢为例低温多效海水淡化

项目概况2005年国家发改委下发《关于首钢实施搬迁、结构调整和环境治理方案的批复》，批准首钢“按照循环经济的理念，结合首钢搬迁和唐山地区钢铁工业调整，在曹妃甸建设一个具有国际先进水平的钢铁联合企业”。首钢京唐公司位于淡水比较匮乏的华北曹妃甸地区，海水淡化作为水资源的开源增量技术，可有效缓解当地水资源短缺形势。钢铁企业为耗水大户，需要大量除盐水等级的纯水。冶金企业是综合性工业——具有大量余热资源。项目概况首钢京唐充分利用临海优势，根据渤海水质、几种海水淡化的特点以及厂区蒸汽资源，采用了法国SIDEM公司低温多效海水淡化技术。根据全厂水质、水量分析和平衡的结果，确定海水淡化工程的设计水量为1773m3/h，设计一期规模为50000m3/d，项目分2步建设，每步建设2×1.25万m3/d装置，目前已全面投产。每年可为曹妃甸地区节约淡水1800万吨，满足钢厂约50%的用水量。主要设计条件海水水质及水温见（表1、表2）能源条件海水淡化主体工艺过程的能源消耗主要为蒸汽和电。若选用膜法海水淡化工艺，则其能源消耗主要为电，其用电量约为6kWh/m3(成品水)；若选用热法海水淡化工艺，则其能源消耗主要为蒸汽及电，其用蒸汽量约为0.1t蒸汽/m3(成品水)，用电量约为1.2kWh/m3(成品水)。电主要来源于新建钢铁厂的2×300MW自备电站及厂外电网，电压等级为10kV及380V；蒸汽主要来源于2×300MW自备电站汽轮机低压抽汽以及钢铁厂区低压蒸汽，温度约为250℃。另外，钢铁厂拟建设2座35t启动锅炉，透平发电后可提供约70t/h的低低压排汽（温度约70℃，绝压0.03MPa)；还有，钢铁厂季节不平衡时放散的乏汽也可作为热法海水淡化工艺的动力蒸汽。主要设计条件——海水水质主要设计条件——海水水温工艺比选——技术现状目前，海水淡化技术主要有两个发展方向，即热法和膜法。热法主要有：多级闪蒸(MSF)、低温多效(LT—MED)两种技术。其中，多级闪蒸的运行温度、造水比和级数分别在120℃、10以上和40级，多级闪蒸除了消耗一定的加热蒸汽外，还要耗电能4-5kWh/m3用于海水的循环和流体输送；低温多效是在多效(MED)的基础上发展起来的，运行温度、造水比和效数分别在70℃以下、10左右和7效，低温多效除了要消耗加热蒸汽外，还要耗电能约1.2kWh/m3用于海水及成品水的输送。膜法主要是指反渗透(RO)技术，它利用半透膜在压力下允许水透过而使盐份和杂质截留的技术。传统上膜法技术普遍应用于对苦咸水的淡化中，现在广泛用于海水淡化中。膜法技术的脱盐率可达99.5%，能耗约在6kWh/m3成品水。工艺比选——经济比较a)多级闪蒸技术成熟可靠，成本适中，尤其适合大规模的海水淡化，一般出水相当于除盐水。每吨淡化水需耗电4-5kWh，耗低压蒸汽(以2ata压力计)0.14t。一次性设备投资稍高，但运行维修费用低。低温多效技术成熟可靠，成本较低，近十多年大规模应用于海水淡化工程，一般出水相当于除盐水。每吨淡化水需耗电1.2kWh，耗低压蒸汽(以2ata压力计)0.1t左右，一次性设备投资稍高，但运行维修费用较低。b)反渗透每吨淡化水需耗电6kWh左右，一般两级RO出水相当于淡水。一次性设备投资稍小，但膜老化更换运行费高。反渗透即使采用两级RO，其出水指标仍低于热法出水指标，若取得和热法相同的水质，后续一般需增加一级RO或其它深度除盐设施。反渗透多用于市政等行业。工艺比选——综合比选通过比较并结合实际工程的调研，鉴于热法中的低温多效在多级闪蒸的基础上有了较多改进，国内应用较多。因此仅将热法中的低温多效工艺和膜法工艺进行综合比较：一般情况下低温多效工艺比反渗透工艺在一次投资方面略高，但曹妃甸地区原海水水质较差将引起膜法预处理装置复杂，因此二者投资相差不大。低温多效工艺运行期间的设备检修和维护费用相当低；与同等能力的反渗透工艺比较，低温多效装置对操作人员的要求较低。低温多效装置的主要需要能源为蒸汽，该工艺结合首钢京唐钢铁公司即将建设的自备电站和钢厂内夏季放散的乏蒸汽(100-150t/h)，利用蒸汽能源更方便。低温多效装置可以一步到位生产相当纯度的除盐水(电导小于10μS/cm,25℃)，而且可以为进一步的精除盐(要求锅炉补充水水质小于0.2μS/cm)提供较好的原水。工艺比选——综合比选低温多效装置对原海水水质的冲击污染不太敏感。据有关资料显示，曹妃甸地区的海水已受到相当程度的污染且时有风暴潮发生。低温多效装置施工安装简单，且运行控制系统较为简单，因为低温多效装置适合无人看管下的自动连续运行，并对操作人员的精度要求不高。通过以上比较，考虑到渤海湾水质的不确定性，另外，又鉴于低温多效工艺通过增设TVC装置，可较好的利用厂区蒸汽管网多余的低压蒸汽，实现TVC模式、纯MED模式及TVC+MED模式的运行，以达到进一步降低运行成本，减少对环境的热污染，实现循环经济，因此，决定一期一步采用热法中的低温多效工艺，规模为25000m3/d。工艺流程——海水取水首钢京唐公司海水取水后续工艺为预处理及热法海水淡化，要求取水水质好，由于取水点位置为其公司内港池附近水域，取水特点如下：1)所需取水量较大，一期和二期共为139160m3/h。2)具有靠近深港的天然优势，水深约8m。考虑到取水量大、内港池的水深、后续工艺的用水要求和处理成本等因素，首钢京唐公司海水取水方式选用了直接取水方式。海水通过高桩码头引流及2个4000mm×4000mm的方孔导流后进人取排水泵站的前池。海水取排水泵站前池容积约为12000m，可起到很好的初步沉淀作用。为减少海洋微生物对后续设备、设施的影响，海水取水泵房配置了成套的电解海水制氯装置。工艺流程——海水输送管道管材根据地理位置、输送介质和外部荷载等因素确定输送海水管道埋深、管径及管材。曹妃甸地区土壤盐含量高，对混凝土有中等结晶分解复合类腐蚀，对钢材腐蚀(包括化学、物理及电化学腐蚀)则更为严重。另外，输送海水管道中高速流动的海水中携带的泥沙也会加重对钢材的腐蚀。首钢京唐公司输送海水管道防腐措施采用牺牲阳极法，选用耐海水腐蚀的管材。其中，小管径管道选用聚氯乙烯(PVC)管材，大管径管道大量应用玻璃钢管及预应力钢筋混凝土管。玻璃钢管造价与钢管相近，但其防腐蚀性能远高于钢管；预应力钢筋混凝土管是在钢筋混凝土管内放入钢筒，段与段之间接口为承插式，承口环和插口环与钢筒焊成一体。预应力钢筋混凝土管减少了钢材与海水及土壤的接触，从而减轻了海水对钢材的腐蚀，且管道荷载能力较强，适用于地下管道。工艺流程——海水预处理工艺渤海地区原水水质具有粉砂多、盐含量高和水质变化幅度大等特点，选择先进的预处理工艺尤为重要。首钢京唐公司选用威利雅公司ACTIFLO高性能沉淀池工艺。该工艺采用斜管沉淀加微砂强化絮凝工艺进行处理，与常规沉淀池工艺相比有显著优势。【预处理流程】渤海湾海水通过内港池进入海水取水泵站前池，由海水取水泵送至海水预处理区，经加药、混凝、注砂、熟化、沉淀后，出水进入提升水泵站贮水池，高效沉淀池的底流污泥通过泥浆泵送往污泥处理站进行脱水，脱水后的泥饼含水率小于65%，用汽车送往环保部门指定的场地。预处理设计为4套沉淀池系统，每套系统的额定产水量为5000m3/h，最大产水量为7000m3/h。工艺流程——MED-TVC工艺流程工艺流程——MED-TVC工艺流程海水在冷凝器内首先脱气和预热，然后分成两股水流，一部分返回大海，另一部分被加热的海水作为蒸馏工艺的入料海水进入蒸发器。经升压后补给水直接进入蒸发器低温效组（五、六、七效），其余部分经补给水加热器再次预热后进入高温效组中的二、三、四效，最后一部分通过两级喷射冷凝器预热至接近加热蒸汽温度后进入蒸发器第一效。输入蒸汽被引入到第一效的热传导管中，通过蒸汽冷凝，释放出潜热后传给热传导管外的海水。当热传导管内的蒸汽冷凝发生时，几乎等量的蒸发在热传导管外产生。为保证蒸馏水的纯度，在通过盐水飞沫分离器（除雾器）后，蒸汽被引入到运行温度和压力稍低的下一效的热传导管中。蒸发－冷凝过程在所有效段中反复进行，每一效产出相当量的蒸馏水。在最后一效中产生的蒸汽在废热冷凝器中通过海水冷却水冷凝。第四效的一部分蒸汽被抽出来用于对前四效的海水补给水加热。工艺流程——MED-TVC工艺流程第一效的冷凝水可进入海水淡化成品水系统，也可返回蒸汽发生地。原动力蒸汽产生的二次蒸汽冷凝后流入一系列特殊效罐中，部分蒸馏水闪蒸，其余的成品水流走。不断增加的产品水就这样在各级中串接并受到闪蒸冷却，释放的热量提高了工艺效率。冷却后的产品水最后经产品排放泵送至产品水分配系统中。工艺流程——MED-TVC工艺流程浓盐水以与蒸馏水以同样的方式通过一系列盐水闪蒸罐在各级中串接并受到闪蒸冷却回收热量，冷却后，被盐水排放泵引到社会盐场。从每一根热传导管中逸出的不凝结性气体，集中地从一效进入到下一效。不凝结性气体（NCG）完全在最冷端效段废热回收冷凝器内浓缩，并通过蒸气喷射器将不凝结气体抽出。工艺流程——MED-TVC工艺流程工艺流程——蒸发器设计参数工艺流程——蒸发器工艺流程——蒸发器1台主体蒸发器(7效)及其内置末效冷凝器：尺寸为36182mm×11072mm×高9200mm，上三排为钛管，其余为铜铝合金。混凝池:工艺尺寸5200mm×5900mm×6000mm；注射池:工艺尺寸5200mm×5900mm×6000mm；熟化池:工艺尺寸14000mm×7200mm×6000mm；沉淀池:工艺尺寸14000mm×14000mm×7310mm。海水增压泵：1台，额定流量1695t/h，扬程23m；浓盐水泵：1台，额定流量1321t/h，扬程30m；蒸馏水泵：1台，额定流量527t/h，扬程49.75m；凝结水泵：1台，额定流量86t/h，扬程43m。冷凝水板式换热器：1台，换热面积65.54m2，p=0.5MPa，钛板；蒸馏水水板式换热器：1台，换热面积667.17m2，p=0.5MPa，钛板；海水预热器：1台，换热面积236.25m2，p=0.5MPa，钛板。1#热压缩器：低压蒸汽入口参数Q=38t/h，P=0.3MPa，T=143，壳体为双相不锈钢；2#热压缩器：低压蒸汽入口参数Q=15t/h，=0.3MPa，T=143，壳体为双相不锈钢。工艺流程——主要设备可选择的海水淡化运行模式有热压缩模式(TVC模式)、多效模式(MED模式)和混合模式(MED+TVC模式)3种。TVC模式仅使用低压蒸汽(0.40MPa，250℃)，用量为57t/h，其中4t用于抽取不凝结汽体，用2台热压缩器抽取二次蒸汽作为热源。该模式下产水量高，但源利用效率低。MED模式仅使用汽轮机乏汽(0.03MPa，70℃)作为加热蒸汽，用量为62t/h，4吨低压蒸汽(0.40MPa，250℃)用于抽取不凝结汽体。该模式下产水量低，但能源利用效率高。MED+TVC模式同时使用低压蒸汽与汽轮机乏汽，1个热压缩器工作。低压蒸汽用量19t/h，其中4t用于抽取不凝结性气体，汽机乏汽用量为62t/h。运行模式（3种）工艺特点根据钢铁厂的燃气、蒸汽、电、水平衡，能够在TVC、MED、MED+TVC3种工况下运行，实现能源的最大利用。将低温多效蒸馏（LT-MED）装置与发电凝汽器组合，通过水电联产利用乏汽作为海水淡化动力蒸汽，可大幅度降低海水淡化制水成本，同时可节省为凝汽器设置直流冷却设施的投资。热法装置的浓盐水排放温度平均在33℃左右，在工程施工上预留有冬季用热法浓盐水和膜法-2.4℃的进水海水进行预热的途径，该途径可实现不同海水淡化方式之间能源的全新组合和利用。运行成本本工程海水淡化生产自用水的成本包括设备折旧费用、耗电费用、化学药品消耗费用、热力费用、人工费用、维修费用等。单位电费0.8493元/t，单位蒸汽费3.183元/t，辅助药剂费0.2元/t，单位人工费0.4162元/t，单位修理费0.555