低成本海水淡化技術(shù)研究及應(yīng)用

唐智新，吳禮云，吳剛，梁紅英，孫雪，薛臘梅

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

海水淡化技術(shù)作為一種解決水資源短缺的重要手段，在全球范圍內(nèi)逐漸得到重視，技術(shù)日益成熟。截至2016年底，全球海水淡化裝機(jī)容量已達(dá)88.6×106m3/d[1]，中國(guó)海水淡化裝機(jī)容量約占全球的15%[2]，但很多海水淡化裝置處于停產(chǎn)狀態(tài)，主要原因是海水淡化成本及制水成本較高。因此，當(dāng)前面臨的問(wèn)題已不是“海水如何淡化”的問(wèn)題，而是“如何降低海水淡化成本”的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)某公司是第一個(gè)沿海建設(shè)的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，充分發(fā)揮了臨海優(yōu)勢(shì)，在河北省曹妃甸地區(qū)建設(shè)成了冶金企業(yè)第一個(gè)海水淡化項(xiàng)目。該公司根據(jù)大型鋼鐵企業(yè)特點(diǎn)，按照“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的理念，研究開(kāi)發(fā)了“低成本海水淡化”技術(shù)。

1 汽輪發(fā)電機(jī)組與熱法海水淡化耦合技術(shù)

低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)是指在真空情況下，海水的最高蒸發(fā)溫度低于70℃的淡化技術(shù)[3]，可以利用各種低品位余熱資源。但目前低溫多效蒸餾海水淡化裝置使用的蒸汽一般來(lái)自鍋爐專供、汽輪機(jī)抽氣或高品質(zhì)余熱蒸汽，一般壓力較高，使用時(shí)需經(jīng)過(guò)降溫減壓，會(huì)造成大量熱能損失，導(dǎo)致海水淡化成本較高，其中蒸汽成本約占海水淡化總成本的50%[4]。因此，要想大幅度降低海水淡化成本，必須從汽源方面采取措施。而汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)的末端排汽，一般通過(guò)間接式換熱凝結(jié)成水回至鍋爐，排汽中大量的潛熱被冷卻水或冷卻空氣帶走，進(jìn)而釋放至大氣中。如果能利用汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)的排汽直接供低溫多效蒸餾海水淡化裝置制水，既能避免能源浪費(fèi)，又能降低海水淡化成本。

國(guó)內(nèi)外至今還沒(méi)有對(duì)海水淡化聯(lián)合發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深入的理論研究及大型工業(yè)化應(yīng)用。國(guó)內(nèi)某公司通過(guò)一系列關(guān)鍵技術(shù)研究，建成投產(chǎn)了2套12,500m3/d淡化機(jī)組聯(lián)合2套25MW發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的水電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)發(fā)電裝置不同，該系統(tǒng)用海水淡化裝置替代發(fā)電機(jī)組的凝汽器，使其不但承擔(dān)凝汽器的功能，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著除鹽水的任務(wù)。通過(guò)該技術(shù)的研究及應(yīng)用，海水淡化裝置使用的蒸汽參數(shù)由原來(lái)的0.4MPa、250℃調(diào)整為0.035MPa、74℃，從而大幅降低海水淡化的制水成本，其中能源成本降低60%左右，綜合成本降低50%左右[5]，同時(shí)節(jié)省了冷凝器及其附屬設(shè)施的建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用，并實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境、社會(huì)效益。汽輪發(fā)電機(jī)組與熱法海水淡化耦合工藝如圖1。

2 濃海水資源化利用技術(shù)

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組與熱法海水淡化耦合工藝

目前國(guó)內(nèi)外從事海水淡化的企業(yè)很多，但處理淡化后的濃海水尚無(wú)經(jīng)濟(jì)成熟的技術(shù)，海水淡化產(chǎn)生的濃海水一般都直接排回大海。但濃海水的溫度及鹽度比普通海水高，且含有藥劑、重金屬等污染物，如果直接排入大海，勢(shì)必會(huì)對(duì)海洋的生態(tài)環(huán)境造成一定的影響[6、7]，且無(wú)法充分利用濃海水所攜帶的能量及化學(xué)元素。只有對(duì)濃海水進(jìn)行資源化利用，才能解決海洋污染問(wèn)題，并進(jìn)一步降低海水淡化的成本。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)海水淡化濃海水綜合利用的研究較活躍，在海水制鹽、提鈣、提鎂、提鉀、提溴等方面開(kāi)展了相關(guān)研究工作，但都尚未形成完整的可供工業(yè)化的成套技術(shù)。

國(guó)內(nèi)企業(yè)在已有熱法海水淡化技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了以“脫硬軟化-二次淡化”為核心的濃海水綜合利用技術(shù)，建成了300t/d的濃海水綜合利用實(shí)驗(yàn)車間。該技術(shù)利用鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的煙道氣（CO2）首先對(duì)熱法海水淡化濃海水進(jìn)行脫硬預(yù)處理，并副產(chǎn)碳酸鈣、氫氧化鎂等化工原料。脫硬預(yù)處理后的濃海水總硬度降至200mg/L以下（以CaCO3計(jì)），可以作為膜法海水淡化的原料水，不但大大降低了膜法海水淡化結(jié)垢傾向，而且充分利用了濃海水的余熱，解決了我國(guó)北方冬季海水溫度低影響膜法海水淡化的問(wèn)題。膜法海水淡化產(chǎn)生的二次濃海水含鹽量可達(dá)180～200g/L，送至化工企業(yè)進(jìn)行制堿，實(shí)現(xiàn)濃海水綜合利用零排放。

該技術(shù)將從根本上解決了濃海水的排放問(wèn)題，進(jìn)一步大幅提高了淡水回收率，并能夠與鹽化工企業(yè)相結(jié)合，構(gòu)建海水綜合利用新型鹽化工產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)可有效利用鋼廠、電廠、化工廠的廢熱廢氣，實(shí)現(xiàn)CO2減排，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境、社會(huì)效益。鹽化工產(chǎn)生的收益可以進(jìn)一步?jīng)_減海水淡化成本，甚至可以實(shí)現(xiàn)海水淡化“零”成本。海水綜合利用工藝流程如圖2。

圖2 海水綜合利用工藝流程圖

3 低品質(zhì)余熱資源利用技術(shù)

目前冶金企業(yè)產(chǎn)生的高品質(zhì)二次余熱資源基本上已被利用，如干熄焦、熱軋加熱爐、煉鋼轉(zhuǎn)爐氣化冷卻及燒結(jié)環(huán)冷余熱鍋爐等余熱的利用。尚有高爐沖渣水、鍋（窯）爐煙氣、循環(huán)水等低品質(zhì)余熱資源還未回收利用，這些已成為冶金行業(yè)做好節(jié)能減排的核心內(nèi)容。如何很好利用此類低品質(zhì)的余熱資源，始終是一項(xiàng)較難攻克的問(wèn)題，主要原因是沒(méi)有合適的工藝或設(shè)備使用。利用低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)操作溫度低的特點(diǎn)，將此類低品質(zhì)余熱供低溫多效蒸餾海水淡化裝置制水，建立起以低溫多效蒸餾海水淡化裝置為依托的低品質(zhì)余熱利用平臺(tái)，可以有效降低海水淡化成本。

國(guó)內(nèi)企業(yè)已開(kāi)發(fā)了沖渣水系統(tǒng)余熱用于海水淡化技術(shù)（工藝流程如圖3），該技術(shù)以除鹽水為介質(zhì)，采用防腐、防阻塞換熱技術(shù)回收沖渣熱水余熱，采用抽引凝結(jié)技術(shù)回收沖渣閃蒸汽余熱，采用氣液兩相防腐換熱技術(shù)回收高爐熱風(fēng)爐廢煙氣余熱。以低壓蒸汽為驅(qū)動(dòng)，利用熱水閃蒸技術(shù)及蒸汽抽射增壓技術(shù)，向海水淡化裝置提供負(fù)壓蒸汽作為熱源進(jìn)行制水。目前該技術(shù)已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)研究，正在進(jìn)行工程化建設(shè)。

圖3 沖渣水系統(tǒng)余熱用于海水淡化工藝流程圖

4 大型熱法海水淡化裝置現(xiàn)場(chǎng)加工制造總成技術(shù)

通過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)海水淡化在技術(shù)研發(fā)、設(shè)備制造、工程建設(shè)等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在較大差距，特別是在關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備，以及集成技術(shù)和設(shè)備集成制造能力方面。尤其是熱法海水淡化裝置加工制造技術(shù)幾乎全部被國(guó)外壟斷，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)熱法海水淡化工程投資較高，也是造成國(guó)內(nèi)熱法海水淡化成本居高不下的原因之一。因此，必須要加快我國(guó)海水淡化技術(shù)創(chuàng)新步伐，逐步提高海水淡化技術(shù)水平和設(shè)備制造能力，特別是在集成技術(shù)研發(fā)和設(shè)備集成制造能力方面，從而提高我國(guó)海水淡化的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)內(nèi)某公司一期共建設(shè)有4套低溫多效海水淡化裝置，單套產(chǎn)量1.25萬(wàn)t/d，一期一步建設(shè)兩套裝置，全部引進(jìn)法國(guó)技術(shù)。京唐公司在引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外熱法海水淡化技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新了熱法海水淡化加工制造集成技術(shù)，用于一期二步兩套海水淡化裝置建設(shè)中。一期二步兩套海水淡化裝置加工制造采用的雙相不銹鋼焊接技術(shù)、大型零件防變形技術(shù)、高效鉆孔技術(shù)、全自動(dòng)穿漲管技術(shù)、防污染及酸洗鈍化等技術(shù)，都已達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平甚至是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。完成管板支撐板鉆孔總計(jì)108.48萬(wàn)個(gè)、穿管脹管13.738萬(wàn)根、雙相不銹鋼的焊接、全封閉的氣密性實(shí)驗(yàn)、酸洗鈍化、焊縫的射線探傷及滲透探傷工作，全部達(dá)到美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)要求；并克服了現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)寒及風(fēng)沙大的惡劣環(huán)境條件，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了海水淡化裝置現(xiàn)場(chǎng)加工制造總成與異地加工制造，再采用大型機(jī)具運(yùn)輸及吊裝，單套海水淡化裝置可以節(jié)省約700萬(wàn)元。

通過(guò)該公司一期二步熱法海水淡化項(xiàng)目的建設(shè)，掌握了大型熱法海水淡化裝置現(xiàn)場(chǎng)加工制造總成技術(shù)，徹底擺脫了我國(guó)熱法海水淡化裝置加工制造長(zhǎng)期依賴外方的現(xiàn)象，不但實(shí)現(xiàn)了部分關(guān)鍵技術(shù)的自主集成，且主要設(shè)備及材料國(guó)產(chǎn)化率提高至95%以上，大大降低了熱法海水淡化裝置投資成本，更重要的是對(duì)國(guó)內(nèi)熱法海水淡化裝備制造起到了示范作用，也為國(guó)內(nèi)熱法海水淡化技術(shù)的推進(jìn)做出了貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)淡水資源短缺日益嚴(yán)重，海水淡化技術(shù)作為解決沿海地區(qū)淡水資源短缺的有效手段，逐漸得到各級(jí)政府的重視。但海水淡化成本較高，限制了海水淡化產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展。國(guó)內(nèi)企業(yè)結(jié)合冶金企業(yè)的特點(diǎn)，充分發(fā)揮了臨海優(yōu)勢(shì)，研究開(kāi)發(fā)出一系列低成本海水淡化技術(shù)，大幅度降低了海水淡化成本，為冶金及同類企業(yè)的海水淡化建設(shè)提供了良好示范，并提高了我國(guó)海水淡化技術(shù)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。

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