基于鋼鐵余熱利用的海水淡化技術(shù)研發(fā)與示范

李 楊

（首鋼集團(tuán)有限公司，北京 100041）

“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”

基于鋼鐵余熱利用的海水淡化技術(shù)研發(fā)與示范

李 楊

（首鋼集團(tuán)有限公司，北京 100041）

首鋼是國(guó)內(nèi)引入熱法工藝進(jìn)行海水淡化的較早企業(yè)之一，已建成4套單機(jī)日產(chǎn)1.25萬(wàn)噸的低溫多效海水淡化裝置，并已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行8年以上，且熱法海水淡化裝置的負(fù)荷率和作業(yè)率均在國(guó)內(nèi)名列前茅。在海水淡化相關(guān)領(lǐng)域，首鋼已申請(qǐng)國(guó)家專利10余項(xiàng)，編寫行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)3部，具備大型低溫多效海水淡化工程自主設(shè)計(jì)、自主制造、自主建設(shè)、自主運(yùn)營(yíng)的系統(tǒng)化能力。

基于多年海水淡化的研發(fā)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為了發(fā)揮國(guó)內(nèi)在科研、材料、制造、工程等領(lǐng)域各個(gè)領(lǐng)先單位的優(yōu)勢(shì)，積極推動(dòng)“產(chǎn)、學(xué)、研、用”產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合攻關(guān)、協(xié)同創(chuàng)新，2016年由首鋼集團(tuán)有限公司牽頭，聯(lián)合首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司、北京首鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司、北京首鋼機(jī)電有限公司、鋼鐵研究總院、哈爾濱工大金濤科技股份有限公司、天津渤化永利化工股份有限公司、中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所、華東理工大學(xué)、天津大學(xué)、北京科技大學(xué)、北京交通大學(xué)等12家單位，共同承擔(dān)了“基于鋼鐵流程余熱利用的海水淡化技術(shù)研發(fā)及示范”項(xiàng)目，該項(xiàng)目被國(guó)家科技部列為國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“水資源高效開(kāi)發(fā)利用”重點(diǎn)專項(xiàng)。本項(xiàng)目將在鋼鐵流程低品位余熱回收、關(guān)鍵傳熱設(shè)備優(yōu)化、濃鹽水資源化利用、關(guān)鍵設(shè)備制造、核心材料開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行系統(tǒng)性研究和技術(shù)攻關(guān)，最終建設(shè)運(yùn)行單機(jī)規(guī)模大于3.0萬(wàn)m3/天的示范工程。

1 目的與意義

我國(guó)淡水資源貧乏，已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大瓶頸，海水淡化是當(dāng)前我國(guó)非常規(guī)水資源開(kāi)發(fā)利用的重要途徑，但海水淡化的能源成本依然是影響海水淡化推廣使用的關(guān)鍵因素。目前，沿海地區(qū)的鋼鐵企業(yè)需水量巨大，該類企業(yè)的低品位余熱種類多，但回收利用效率低，更沒(méi)有充分與海水淡化進(jìn)行有針對(duì)性的系統(tǒng)對(duì)接研究。本項(xiàng)目針對(duì)鋼鐵企業(yè)低品位余熱的特點(diǎn)，并結(jié)合低溫多效蒸餾海水淡化工藝，系統(tǒng)提出了能夠充分利用鋼鐵工業(yè)低品位余熱的海水淡化技術(shù)路線，使余熱高效應(yīng)用于海水淡化的生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)而降低海水淡化的運(yùn)行成本，減少環(huán)境熱污染，拓展海水淡化的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 總體目標(biāo)

本項(xiàng)目緊密結(jié)合首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司即將建設(shè)的基于鋼鐵余熱利用的海水淡化工程（二期）開(kāi)展針對(duì)性的研發(fā)工作，最終目標(biāo)是攻克低品位余熱利用于海水淡化的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)余熱回收利用率＞90%；創(chuàng)新性地建設(shè)余熱利用低溫多效機(jī)組，單機(jī)規(guī)模＞3.0萬(wàn)m3/天；建設(shè)10萬(wàn)噸/年濃鹽水綜合利用示范工程，主要產(chǎn)品滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；建成系統(tǒng)性示范工程，工程國(guó)產(chǎn)化率≥95%；項(xiàng)目知識(shí)產(chǎn)權(quán)：申報(bào)專利20項(xiàng)以上，形成標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)以上。

3 研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目共分為五個(gè)課題，分別從鋼鐵低品位余熱高效利用、大型低溫多效機(jī)組設(shè)計(jì)優(yōu)化、濃鹽水資源化利用、關(guān)鍵設(shè)備加工制造、耐腐蝕材料研發(fā)以及工程項(xiàng)目示范等重大問(wèn)題及關(guān)鍵技術(shù)方面開(kāi)展系統(tǒng)研發(fā)，技術(shù)路線圖見(jiàn)圖1。

課題1：鋼鐵流程低品位余熱高效利用技術(shù)開(kāi)發(fā)與研究

針對(duì)鋼鐵流程低品位余熱尚存在數(shù)量大、回收率低、回收難度大、應(yīng)用領(lǐng)域窄等系列問(wèn)題，本項(xiàng)目將低品位余熱資源與熱法海水淡化低溫低壓蒸汽熱源需求相結(jié)合，將分散的低品位工業(yè)余熱資源（如沖渣水、熱風(fēng)爐煙氣、鍋爐煙氣等余熱）以潔凈介質(zhì)（除鹽水）換熱回收并利用于海水淡化，形成低品位余熱高效換熱及余熱供應(yīng)自穩(wěn)定自平衡技術(shù)。

課題2：大型低溫多效海水淡化機(jī)組優(yōu)化設(shè)計(jì)及示范

針對(duì)低溫多效關(guān)鍵設(shè)備的高效換熱工藝及結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題，本項(xiàng)目將通過(guò)對(duì)換熱過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究，掌握影響換熱效率的關(guān)鍵工藝參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，開(kāi)展大型蒸發(fā)機(jī)組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，提高過(guò)程換熱效率，為大型低溫多效海水淡化裝置的工程建設(shè)提供直接支撐，設(shè)計(jì)以低品位余熱為熱源的大型低溫多效蒸餾海水淡化成套裝置。

圖1 技術(shù)路線圖

課題3：海水淡化濃鹽水資源化利用技術(shù)

針對(duì)海水淡化濃鹽水缺乏有效利用、淡水回收率偏低的問(wèn)題，本項(xiàng)目將開(kāi)發(fā)海水有價(jià)元素梯級(jí)分離及資源化利用、海水二次淡化/深度濃縮等關(guān)鍵技術(shù)與裝備，構(gòu)建鈉、鎂、鈣、溴素等有價(jià)元素整體利用系統(tǒng)，防止環(huán)境污染，分?jǐn)偤Ｋ杀?，并大幅提高淡水回收率，形成以“脫硬軟?二次淡化”為核心的海水淡化濃鹽水綜合利用技術(shù)。

課題4：海水淡化關(guān)鍵設(shè)備加工制造技術(shù)

針對(duì)大型低溫多效海水淡化設(shè)備高精度高效加工、雙相不銹鋼焊接工藝及焊接變形控制、現(xiàn)場(chǎng)總成安裝等技術(shù)技術(shù)難題，開(kāi)展大型低溫多效海水淡化機(jī)組中的蒸發(fā)器、內(nèi)部冷凝器、補(bǔ)給水加熱器、上下游冷凝器、上下游噴射器、熱壓縮機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的加工制造技術(shù)研究，形成大型低溫多效海水淡化關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)、加工、焊接及組裝技術(shù)。

課題5：海水淡化關(guān)鍵設(shè)備用新材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

針對(duì)海水淡化關(guān)鍵設(shè)備采用進(jìn)口雙相不銹鋼成本高昂的問(wèn)題，項(xiàng)目將開(kāi)發(fā)低成本的新材料和特種防腐技術(shù)，以替代進(jìn)口雙相不銹鋼等關(guān)鍵耐蝕材料。建立和完善腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系，開(kāi)展海水淡化關(guān)鍵設(shè)備用耐蝕合金復(fù)合板的全軋制復(fù)合理論、生產(chǎn)技術(shù)和服役性能研究，開(kāi)發(fā)長(zhǎng)效特種防腐蝕涂料的制備及應(yīng)用技術(shù)，形成具有良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的耐蝕復(fù)合板和特種防腐涂料。

4 預(yù)期效果

項(xiàng)目實(shí)施將在鋼鐵流程低品位余熱回收、關(guān)鍵傳熱設(shè)備優(yōu)化、濃鹽水資源化利用、關(guān)鍵設(shè)備制造、核心材料開(kāi)發(fā)等方面形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列核心技術(shù)。預(yù)期申報(bào)專利20項(xiàng)以上，發(fā)表學(xué)術(shù)論文63篇以上，形成標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)以上。目前國(guó)內(nèi)制造的低溫多效海水淡化裝置最大單機(jī)規(guī)模為2.5萬(wàn)噸/天，本項(xiàng)目預(yù)期建設(shè)＞3.0萬(wàn)噸/天的海水淡化裝置，標(biāo)志著我國(guó)熱法海水淡化單機(jī)規(guī)模將實(shí)現(xiàn)新的突破。該項(xiàng)目的工程示范作用明顯，將直接為曹妃甸百萬(wàn)噸海水淡化進(jìn)京項(xiàng)目奠定重要的技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)探索解決京津冀地區(qū)嚴(yán)重的淡水資源短缺問(wèn)題也具有積極意義。

項(xiàng)目實(shí)施將取得顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。利用鋼鐵流程余熱可制得蒸汽量合計(jì)約240萬(wàn)噸/年，折合節(jié)約燃煤約1.5億元/年（按當(dāng)?shù)貎r(jià)格），通過(guò)鋼鐵流程余熱制取淡水來(lái)替代地表水資源合計(jì)約1200萬(wàn)噸/年，折合約1.44億元/年（按當(dāng)?shù)貎r(jià)格），兩者合計(jì)每年可為企業(yè)節(jié)約成本2.94億元/年。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)、核心材料、核心裝備，可推廣應(yīng)用到海水淡化、海洋工程、余熱回收、含鹽廢水綜合利用等多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。在環(huán)境保護(hù)方面，通過(guò)余熱回收可減少CO2排放77.86萬(wàn)噸/年，SO2排放0.25萬(wàn)噸/年，氮氧化物排放0.22萬(wàn)噸/年，一氧化碳排放0.68萬(wàn)噸/年；通過(guò)構(gòu)建鋼鐵-鹽化工新型循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈，可節(jié)省灘曬鹽占地面積，有效保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)海水淡化產(chǎn)業(yè)的綠色和可持續(xù)發(fā)展。

通過(guò)“基于鋼鐵流程余熱利用的海水淡化技術(shù)研發(fā)及示范”項(xiàng)目所涉及的工藝、設(shè)備、制造、材料及產(chǎn)業(yè)鏈延伸等一系列關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范工程建設(shè)，將增加和提高鋼鐵流程低品位余熱利用的途徑和效率，大幅度降低海水淡化的制水成本，突破低溫多效海水淡化大規(guī)模推廣應(yīng)用的瓶頸，對(duì)于促進(jìn)鋼鐵企業(yè)的節(jié)能降耗、全面提升我國(guó)大型低溫多效海水淡化工程技術(shù)水平，具有重要的理論研究和工程應(yīng)用意義。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.04.109

李楊（1965—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任首鋼集團(tuán)有限公司副總工程師兼總工程師室主任，E-mail: Ly@mail.shougang.com.cn。