基于鋼鐵余熱利用的海水淡化技術研發與示范

李 楊

（首鋼集團有限公司，北京 100041）

“國家重點研發計劃”

基于鋼鐵余熱利用的海水淡化技術研發與示范

李 楊

（首鋼集團有限公司，北京 100041）

首鋼是國內引入熱法工藝進行海水淡化的較早企業之一，已建成4套單機日產1.25萬噸的低溫多效海水淡化裝置，并已經穩定運行8年以上，且熱法海水淡化裝置的負荷率和作業率均在國內名列前茅。在海水淡化相關領域，首鋼已申請國家專利10余項，編寫行業標準和國家標準3部，具備大型低溫多效海水淡化工程自主設計、自主制造、自主建設、自主運營的系統化能力。

基于多年海水淡化的研發和運行經驗，為了發揮國內在科研、材料、制造、工程等領域各個領先單位的優勢，積極推動“產、學、研、用”產業鏈聯合攻關、協同創新，2016年由首鋼集團有限公司牽頭，聯合首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司、北京首鋼國際工程技術有限公司、北京首鋼機電有限公司、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、中國船舶重工集團公司第七二五研究所、華東理工大學、天津大學、北京科技大學、北京交通大學等12家單位，共同承擔了“基于鋼鐵流程余熱利用的海水淡化技術研發及示范”項目，該項目被國家科技部列為國家重點研發計劃“水資源高效開發利用”重點專項。本項目將在鋼鐵流程低品位余熱回收、關鍵傳熱設備優化、濃鹽水資源化利用、關鍵設備制造、核心材料開發等方面進行系統性研究和技術攻關，最終建設運行單機規模大于3.0萬m3/天的示范工程。

1 目的與意義

我國淡水資源貧乏，已成為經濟社會可持續發展的重大瓶頸，海水淡化是當前我國非常規水資源開發利用的重要途徑，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鍵因素。目前，沿海地區的鋼鐵企業需水量巨大，該類企業的低品位余熱種類多，但回收利用效率低，更沒有充分與海水淡化進行有針對性的系統對接研究。本項目針對鋼鐵企業低品位余熱的特點，并結合低溫多效蒸餾海水淡化工藝，系統提出了能夠充分利用鋼鐵工業低品位余熱的海水淡化技術路線，使余熱高效應用于海水淡化的生產過程，進而降低海水淡化的運行成本，減少環境熱污染，拓展海水淡化的應用領域。

2 總體目標

本項目緊密結合首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司即將建設的基于鋼鐵余熱利用的海水淡化工程（二期）開展針對性的研發工作，最終目標是攻克低品位余熱利用于海水淡化的技術路線，實現余熱回收利用率＞90%；創新性地建設余熱利用低溫多效機組，單機規模＞3.0萬m3/天；建設10萬噸/年濃鹽水綜合利用示范工程，主要產品滿足國家標準；建成系統性示范工程，工程國產化率≥95%；項目知識產權：申報專利20項以上，形成標準2項以上。

3 研究內容

本項目共分為五個課題，分別從鋼鐵低品位余熱高效利用、大型低溫多效機組設計優化、濃鹽水資源化利用、關鍵設備加工制造、耐腐蝕材料研發以及工程項目示范等重大問題及關鍵技術方面開展系統研發，技術路線圖見圖1。

課題1：鋼鐵流程低品位余熱高效利用技術開發與研究

針對鋼鐵流程低品位余熱尚存在數量大、回收率低、回收難度大、應用領域窄等系列問題，本項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合，將分散的低品位工業余熱資源（如沖渣水、熱風爐煙氣、鍋爐煙氣等余熱）以潔凈介質（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自穩定自平衡技術。

課題2：大型低溫多效海水淡化機組優化設計及示范

針對低溫多效關鍵設備的高效換熱工藝及結構優化問題，本項目將通過對換熱過程進行試驗和模擬研究，掌握影響換熱效率的關鍵工藝參數和設備結構參數，開展大型蒸發機組的結構優化研究，提高過程換熱效率，為大型低溫多效海水淡化裝置的工程建設提供直接支撐，設計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 技術路線圖

課題3：海水淡化濃鹽水資源化利用技術

針對海水淡化濃鹽水缺乏有效利用、淡水回收率偏低的問題，本項目將開發海水有價元素梯級分離及資源化利用、海水二次淡化/深度濃縮等關鍵技術與裝備，構建鈉、鎂、鈣、溴素等有價元素整體利用系統，防止環境污染，分攤海水淡化成本，并大幅提高淡水回收率，形成以“脫硬軟化-二次淡化”為核心的海水淡化濃鹽水綜合利用技術。

課題4：海水淡化關鍵設備加工制造技術

針對大型低溫多效海水淡化設備高精度高效加工、雙相不銹鋼焊接工藝及焊接變形控制、現場總成安裝等技術技術難題，開展大型低溫多效海水淡化機組中的蒸發器、內部冷凝器、補給水加熱器、上下游冷凝器、上下游噴射器、熱壓縮機等關鍵設備的加工制造技術研究，形成大型低溫多效海水淡化關鍵設備的設計、加工、焊接及組裝技術。

課題5：海水淡化關鍵設備用新材料開發與應用

針對海水淡化關鍵設備采用進口雙相不銹鋼成本高昂的問題，項目將開發低成本的新材料和特種防腐技術，以替代進口雙相不銹鋼等關鍵耐蝕材料。建立和完善腐蝕評價標準體系，開展海水淡化關鍵設備用耐蝕合金復合板的全軋制復合理論、生產技術和服役性能研究，開發長效特種防腐蝕涂料的制備及應用技術，形成具有良好技術經濟性的耐蝕復合板和特種防腐涂料。

4 預期效果

項目實施將在鋼鐵流程低品位余熱回收、關鍵傳熱設備優化、濃鹽水資源化利用、關鍵設備制造、核心材料開發等方面形成具有自主知識產權的系列核心技術。預期申報專利20項以上，發表學術論文63篇以上，形成標準2項以上。目前國內制造的低溫多效海水淡化裝置最大單機規模為2.5萬噸/天，本項目預期建設＞3.0萬噸/天的海水淡化裝置，標志著我國熱法海水淡化單機規模將實現新的突破。該項目的工程示范作用明顯，將直接為曹妃甸百萬噸海水淡化進京項目奠定重要的技術基礎，對探索解決京津冀地區嚴重的淡水資源短缺問題也具有積極意義。

項目實施將取得顯著的經濟、社會和環境效益。利用鋼鐵流程余熱可制得蒸汽量合計約240萬噸/年，折合節約燃煤約1.5億元/年（按當地價格），通過鋼鐵流程余熱制取淡水來替代地表水資源合計約1200萬噸/年，折合約1.44億元/年（按當地價格），兩者合計每年可為企業節約成本2.94億元/年。項目開發的核心技術、核心材料、核心裝備，可推廣應用到海水淡化、海洋工程、余熱回收、含鹽廢水綜合利用等多個產業領域。在環境保護方面，通過余熱回收可減少CO2排放77.86萬噸/年，SO2排放0.25萬噸/年，氮氧化物排放0.22萬噸/年，一氧化碳排放0.68萬噸/年；通過構建鋼鐵-鹽化工新型循環經濟產業鏈，可節省灘曬鹽占地面積，有效保護海洋生態環境，實現海水淡化產業的綠色和可持續發展。

通過“基于鋼鐵流程余熱利用的海水淡化技術研發及示范”項目所涉及的工藝、設備、制造、材料及產業鏈延伸等一系列關鍵技術研發及示范工程建設，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模推廣應用的瓶頸，對于促進鋼鐵企業的節能降耗、全面提升我國大型低溫多效海水淡化工程技術水平，具有重要的理論研究和工程應用意義。

10.16868/j.cnki.1674-6252.2017.04.109

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