大型低溫多效海水淡化工程系統(tǒng)優(yōu)化

張 波

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，河北 唐山 063200）

1 背景概述

京津冀地區(qū)淡水資源短缺，對海水淡化有巨大需求。低溫多效海水淡化裝置產(chǎn)水高，品質(zhì)屬性毋庸置疑，但造成產(chǎn)水成本較高是其發(fā)展的瓶頸。海水淡化裝置大型化、國產(chǎn)化可節(jié)約占地面積和建設(shè)資金，是國內(nèi)追求的目標。為滿足鋼鐵廠二期用水需求，某鋼鐵集團自主集成建設(shè)3.5萬t/d海水淡化項目，該項目為國內(nèi)單體最大，使用汽輪機乏汽作為熱源，國產(chǎn)化率達98.11%，起到了行業(yè)引領(lǐng)作用。

2 水電聯(lián)產(chǎn)的參數(shù)優(yōu)化

由于需要使用蒸汽作為動力源，熱法海水淡化均與發(fā)電廠同步建設(shè)，汽源取用汽輪機抽汽。例如，沙特阿拉伯Marafiq海水淡化項目、阿聯(lián)酋塔維基海水淡化項目、印度榮譽煉油廠海水淡化項目、國內(nèi)的國華黃驊發(fā)電廠北疆電廠等。蒸汽的品質(zhì)較高造成蒸汽成本較高，同樣海水淡化造水成本也較高，影響了其大規(guī)模發(fā)展。

大型電廠一般采用凝汽式汽輪機，汽輪機末端排汽通過間接式換熱凝結(jié)成水回至鍋爐，而排汽中大量的潛熱被冷卻水或冷卻空氣帶走，進而釋放至大氣中。散失的熱量經(jīng)測算，占整個發(fā)電機組投入熱量的60%左右。某鋼鐵公司二期低溫多效海水淡化裝置與汽輪機發(fā)電機組進行的聯(lián)合應(yīng)用，蒸發(fā)器利用部分汽輪機末端乏汽作為動力蒸汽，實現(xiàn)了水電耦合聯(lián)產(chǎn)的目標，如圖1所示。

圖1 水電耦合示意圖

對于海水淡化使用汽輪機乏汽作為熱源的水電耦合系統(tǒng)，提高汽輪機排汽壓力，可以提高海水淡化的造水比，但同時意味著提高了汽輪機的發(fā)電損耗，需要找到一個合理的設(shè)計參數(shù)。經(jīng)過計算及分析，項目選擇汽輪機排汽壓力32～35 kPa，蒸發(fā)器造水比6。在該區(qū)間內(nèi)對發(fā)電量影響較小，產(chǎn)水熱耗低，汽輪機運行穩(wěn)定，熱法海水淡化裝置造水成本較低。

3 裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對低溫多效裝置的傳熱系統(tǒng)進行研究，分析計算結(jié)果是換熱管排數(shù)在130～150排時較好。但是，總傳熱面積固定，限定換熱管排數(shù)后，就要增加換熱管列數(shù)，列數(shù)過大會增加蒸汽流通的阻損。為此，本項目開發(fā)了一種全新的單效多組換熱管布置方式。

針對大型低溫多效海水淡化裝置體積大、換熱管束多、二次蒸汽量大等特點，研究設(shè)計了一種蒸發(fā)器換熱管束及海水、濃鹽水通道在兩側(cè)，成品水通道在中間的結(jié)構(gòu)形式。這種形式既保障穩(wěn)定、經(jīng)濟的工藝性能，又便于檢修，可利用成品水通道實現(xiàn)直接更換換熱管，不需要行業(yè)常用的切殼換管，如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)圖

4 新材料的應(yīng)用

結(jié)合中船重工七二五研究所在船舶防腐方面的研究成果，碳鋼梁采用船舶用底漆及面漆，大大提升了設(shè)備碳鋼產(chǎn)品的防腐能力，如圖3所示。

圖3 海洋防腐漆在蒸發(fā)器碳鋼梁上的應(yīng)用

在蒸發(fā)器效內(nèi)支柱、通風(fēng)管道等部件上，國內(nèi)海淡行業(yè)上首次采用復(fù)合鋼板替代雙相不銹鋼。采用雙相不銹鋼與碳鋼整體軋制由首秦公司生產(chǎn)，降低了設(shè)備制造成本。復(fù)合鋼板的應(yīng)用部位見圖4所示。

圖4 復(fù)合鋼板的應(yīng)用部位

5 系統(tǒng)其他優(yōu)化

縮短工藝流程，通過設(shè)置大流量、高揚程、流量可調(diào)的海水取水系統(tǒng)，使用海水取水泵直供海水淡化蒸發(fā)器，可使噸水電耗降低0.2～0.4 kWh；蒸餾水泵直供除鹽水管網(wǎng)，可使噸水電耗降低0.1 kWh。工藝流程圖見圖5。

圖5 給排水工藝

海水淡化有2個噴射器，一是啟動時抽真空的啟動噴射器，另一個是運行時維持真空的真空噴射器。維持真空時需要真空噴射器入口有一個穩(wěn)定的壓力。本項目啟動噴射器采用不定壓抽真空的模式，與維持運行的真空噴射器分開，啟動時抽真空時間縮短2.5 h。抽真空系統(tǒng)見圖6。

圖6 抽真空系統(tǒng)

6 海水淡化發(fā)展的建議

鑒于淡水資源緊張，國家部委從2005年開始對海水淡化發(fā)展提出很多政策和建議。某鋼鐵公司于2007年開始引進法國技術(shù)，建設(shè)2×1.25萬t/d熱法海水淡化工程，2010年自主集成建設(shè)2套相同工藝、同等規(guī)模的海水淡化設(shè)施，2017年在充分消納技術(shù)的基礎(chǔ)上自主集成建設(shè)了單套3.5萬t/d熱法海水淡化，各種指標的先進性以及生產(chǎn)的穩(wěn)定性在行業(yè)內(nèi)部取得了良好聲譽。下一步建議以內(nèi)部海水淡化工程為依托，整合內(nèi)部優(yōu)勢資源，成立專業(yè)公司，進行海水淡化技術(shù)及工程的輸出，逐步進入國內(nèi)和國際市場。

在技術(shù)上，可以從以下幾個方面進一步開展工作：

1）海水噴淋系統(tǒng)對裝置使用性能至關(guān)重要，如果海水噴淋不均勻、潤濕率不夠，會導(dǎo)致產(chǎn)水量降低、結(jié)垢等嚴重后果。噴頭的結(jié)構(gòu)和布置可以通過試驗的方式進行研究優(yōu)化。另外，噴頭以絲扣連接為主，采用法蘭連接更為牢靠。

2）殼體及管板、支撐板采用價格昂貴的雙相不銹鋼，比如使用碳鋼+防腐的方式可以大幅度降低設(shè)備造價。應(yīng)盡快開發(fā)適用于低溫多效海水淡化的防腐材料及噴涂工藝。

3）低溫多效工藝由于海水溫度較低，可以減少結(jié)垢，但也降低了蒸發(fā)器的造水比。研究適合的阻垢劑，以提高第一效蒸發(fā)溫度，會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。

4）以汽輪機乏汽作為海水淡化熱源，熱源的品質(zhì)低，可降低造水成本。若使用品質(zhì)更低的熱源，比如熱水、煙氣，成本可進一步降低。