低溫多效蒸餾海水淡化技術(shù)在鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排中的應(yīng)用

唐智新，吳禮云，梁紅英，吳 剛，薛臘梅，孫 雪

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063016）

引言

鋼鐵工業(yè)是能源消耗大戶，我國(guó)鋼鐵工業(yè)的能源消耗約占全國(guó)工業(yè)總能耗的27%，約占全國(guó)總能耗的17%[1]。但我國(guó)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能源的有效利用率僅為27%[1]，其余能源轉(zhuǎn)化為以廢氣、廢水、廢渣等為載體的余能余熱。隨著能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的凸顯，鋼鐵企業(yè)余能余熱的利用效率逐漸提高，但與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)還有一定差距，主要原因缺乏先進(jìn)的技術(shù)及設(shè)備，造成回收利用效率偏低。目前發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵工業(yè)對(duì)余熱能源的回收率比較高，但中國(guó)較為鋼鐵企業(yè)仍是水資源消耗大戶，千萬(wàn)噸級(jí)的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)年消耗淡水資源約3000萬(wàn)t。隨著淡水資源的短缺，鋼鐵企業(yè)開(kāi)始開(kāi)發(fā)非傳統(tǒng)水資源，沿海鋼鐵企業(yè)逐漸利用海水淡化水取代地表水。目前海水淡化主流工藝主要包括低溫多效蒸餾（LT-MED）、多級(jí)閃蒸（MFS）、反滲透（RO）三種[2]，其中低溫多效蒸餾（LT-MED）海水淡化工藝由于其操作溫度低（70℃以下），可以利用低品質(zhì)余熱資源（如發(fā)電后的乏汽），是最節(jié)能的海水淡化技術(shù)之一，逐漸受到沿海國(guó)家及地區(qū)的重視。

將LT-MED海水淡化技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)，不但可以充分利用鋼鐵企業(yè)的余能余熱資源，而且可以解決鋼鐵企業(yè)的用水需求，對(duì)于鋼鐵企業(yè)的余能余熱資源高效利用、蒸汽及水系統(tǒng)的平衡也發(fā)揮重要作用。本文結(jié)合首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱京唐公司）建設(shè)LT-MED海水淡化裝置的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹了LT-MED海水淡化在鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排中作用。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

京唐公司是國(guó)家“十一五”重點(diǎn)項(xiàng)目，位于河北省唐山市南部沿海地區(qū)，由于該地區(qū)淡水資源匱乏，京唐公司充分利用海水資源，一期建成4套低溫多效蒸餾海水淡化裝置，單套產(chǎn)量1.25萬(wàn)m3/d，總規(guī)模5萬(wàn)m3/d。一期一步建設(shè)2套裝置，全部引進(jìn)法國(guó)技術(shù)，2009年5月建成投產(chǎn)；一期二步建設(shè)2套裝置，全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，2010年10月建成投產(chǎn)。

該項(xiàng)目在每套LT-MED海水淡化裝置上設(shè)置2個(gè)蒸汽噴射壓縮器（TVC）裝置，通過(guò)2個(gè)可以利用其它壓力較高的蒸汽將LT-MED裝置中末效未冷凝的蒸汽壓縮以得到更多的加熱蒸汽，進(jìn)而提高LT-MED海水淡化裝置的造水比。根據(jù)熱源情況，該項(xiàng)目LT-MED海水淡化裝置可實(shí)現(xiàn)多工況運(yùn)行：（1）僅使用低壓蒸汽，同時(shí)2個(gè)TVC裝置投入運(yùn)行（TVC工況）；（2）僅使用低低壓蒸汽，同時(shí)2個(gè)TVC裝置停止使用（MED工況）；（3）使用低低壓蒸汽，并使用一定量的低壓蒸汽作為補(bǔ)充，同時(shí)只有1個(gè)TVC裝置投入運(yùn)行（T VC+MED工況）[3]。另外，該項(xiàng)目LT-MED海水淡化裝置可以在40%～110%負(fù)荷內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)，且不影響造水比。

2 海水淡化在節(jié)能減排中的作用

2.1 調(diào)節(jié)蒸汽平衡

鋼鐵企業(yè)的蒸汽耗量會(huì)隨著季節(jié)的變化而變化，尤其是北方地區(qū)特別明顯。北方冬季較為寒冷，取暖及保溫會(huì)消耗大量的蒸汽，鋼鐵企業(yè)蒸汽耗量明顯大于夏季。為了保障冬季蒸汽使用，鋼鐵企業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)一般按照冬季最不利條件下生產(chǎn)蒸汽，且由于大部分蒸汽回收系統(tǒng)同時(shí)是生產(chǎn)工藝中不可缺少的冷卻系統(tǒng)，所以蒸汽回收系統(tǒng)必須全年不間斷運(yùn)行，從而造成鋼鐵企業(yè)夏季蒸汽產(chǎn)耗不平衡，導(dǎo)致大量蒸汽被放散。京唐公司充分發(fā)揮LT-MED海水淡化裝置的負(fù)荷調(diào)節(jié)功能，夏季高負(fù)荷運(yùn)行，冬季低負(fù)荷運(yùn)行，從而保障不同季節(jié)蒸汽產(chǎn)耗平衡，實(shí)現(xiàn)蒸汽的零放散，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益，且減少了對(duì)環(huán)境的影響。

2.2 實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用

鋼鐵企業(yè)有大量的余熱蒸汽，一般在只設(shè)置1～2個(gè)等級(jí)的蒸汽管網(wǎng)，由于鋼鐵企業(yè)各工藝用戶所需蒸汽的品質(zhì)不同，為了滿足用戶需求，高品質(zhì)蒸汽一般都是減溫減壓后使用，造成大量的能源損失。鋼鐵企業(yè)的富裕煤氣一般通過(guò)煤氣鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，減溫減壓后進(jìn)入蒸汽管網(wǎng)，部分企業(yè)將富裕煤氣燃燒產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電，在一定程度上提高了能源的利用效率，但仍有大量的乏汽余熱不能充分利用。

京唐公司充分利用LT-MED海水淡化對(duì)操作溫度要求低的特點(diǎn)，研究了前置發(fā)電海水淡化技術(shù)，該技術(shù)首先將富裕煤氣燃燒產(chǎn)生的蒸汽及通過(guò)余熱回收裝置回收的高品質(zhì)蒸汽用于發(fā)電，發(fā)電后的乏汽直接供LT-MED海水淡化裝置制備淡水，從而實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用，全系統(tǒng)的熱效率可以提高至82%以上[4]。通過(guò)該技術(shù)的實(shí)施不但降低了海水淡化成本，而且實(shí)現(xiàn)了鋼鐵企業(yè)煤氣、蒸汽零放散，同時(shí)節(jié)省了汽輪機(jī)凝汽器的建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及社會(huì)效益。該流程見(jiàn)圖1。

圖1 前置發(fā)電海水淡化工藝流程圖

2.3 建立低品質(zhì)余熱資源利用平臺(tái)

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經(jīng)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。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，已成為冶金行業(yè)做好節(jié)能減排的核心內(nèi)容。根據(jù)LT-MED海水淡化操作溫度低的特點(diǎn)，京唐公司建立了以LT-MED海水淡化裝置為依托的低品質(zhì)余熱資源利用平臺(tái)。

采用抽引凝結(jié)換熱、氣液兩相防腐換熱、熱水高效閃蒸及蒸汽抽射增壓等技術(shù)，回收鋼鐵企業(yè)低品質(zhì)余熱作為L(zhǎng)T-MED海水淡化裝置的熱源。以除鹽水為換熱介質(zhì)，首先與高爐沖渣水換熱，然后再與熱風(fēng)爐及鍋爐煙氣換熱，最后送至海水淡化區(qū)域進(jìn)行閃蒸，并以低壓蒸汽（0.6 MPa）為動(dòng)力源進(jìn)行抽射增壓，產(chǎn)生低低壓（32～35 kPa）飽和蒸汽，作為 LTMED海水淡化裝置熱源。閃蒸后的除鹽水用于加熱LT-MED海水淡化裝置原料海水，溫度降低后回到高爐沖渣水系統(tǒng)循環(huán)利用。考慮沖渣水、熱風(fēng)爐、鍋爐煙氣等余熱的波動(dòng)性，在閃蒸罐前設(shè)置除鹽水穩(wěn)溫裝置，以管網(wǎng)低壓蒸汽作為補(bǔ)充熱源，用于保證除鹽水溫度穩(wěn)定。

圖2 低品質(zhì)余熱用于海水淡化工藝流程圖

2.4 開(kāi)創(chuàng)污水回收利用新模式

鋼鐵行業(yè)既是用水大戶，用水量約占工業(yè)用水總量的10%，同時(shí)也是廢水排放大戶，外排廢水量約占全國(guó)總排廢水量的8%[5]。隨著水資源短缺加劇及環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格，鋼鐵企業(yè)用水成本日益升高，迫使鋼鐵企業(yè)開(kāi)始考慮工業(yè)廢水的回收利用。由于工業(yè)廢水含鹽量相對(duì)較高，會(huì)造成管網(wǎng)及設(shè)備的腐蝕，因此，常規(guī)處理后的工業(yè)廢水一般不能直接回用，需進(jìn)行深度處理（脫鹽）后才能回用。目前，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)一般都采用超濾+反滲透(UF－RO)雙膜法將工業(yè)廢水進(jìn)行深度處理后回用[6，7]，但該方法會(huì)產(chǎn)生10%～30%的濃鹽水。由于濃鹽水含鹽量更高，一般只能用于抑塵、混料等對(duì)水質(zhì)要求不高的工藝，但這些工藝需水量不大，限制了雙膜法深度處理的規(guī)模。

京唐公司充分發(fā)揮臨海優(yōu)勢(shì)，利用鋼鐵企業(yè)的廉價(jià)余熱資源，采用LT-MED海水淡化裝置生產(chǎn)大量除鹽水。在滿足工藝除鹽水用量要求外，富裕除鹽水可以與工業(yè)廢水勾兌，利用除鹽水含鹽量較低（≤5 mg/L）的特點(diǎn)對(duì)工業(yè)廢水中的含鹽量進(jìn)行稀釋，使其水質(zhì)恢復(fù)到循環(huán)水補(bǔ)水指標(biāo)，以達(dá)到回用的目的。該技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)廢水的真正零排放，而且可以回收市政污水。

2.5 實(shí)現(xiàn)濃海水資源化利用

海水淡化技術(shù)在生產(chǎn)淡水的同時(shí)，必然會(huì)副產(chǎn)濃鹽水，目前濃海水一般采用直接排海的處理方式。由于濃海水中的含鹽量一般為原海水的2倍左右，且含有化學(xué)藥劑、重金屬等污染物，少量濃海水排海對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響不大，但隨著大規(guī)模海水淡化項(xiàng)目的建設(shè)，濃海水排海必定會(huì)對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成影響[8，9]，尤其對(duì)封閉狀態(tài)的渤海灣，影響更為嚴(yán)重。因此，只有對(duì)濃海水進(jìn)行資源化利用，才能最終解決海洋生態(tài)環(huán)境污染的問(wèn)題。

鋼鐵企業(yè)一般需要70%的工業(yè)水、30%的除鹽水。而熱法海水淡化產(chǎn)生的淡化水一般為除鹽水，膜法海水淡化產(chǎn)生的淡化水一般為工業(yè)水。因此，京唐公司在建設(shè)LT-MED熱法海水淡化的同時(shí)還規(guī)劃建設(shè)膜法海水淡化。目前京唐公司在已有熱法海水淡化技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)了熱膜耦合濃海水綜合利用技術(shù)。該技術(shù)首先利用鋼鐵企業(yè)的煙道氣對(duì)LT-MED熱法海水淡化濃海水進(jìn)行除硬預(yù)處理，并產(chǎn)生高附加值的碳酸鈣、氫氧化鎂等副產(chǎn)品。除硬后的濃海水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的結(jié)垢傾向，提高了膜法海水淡化的回收率，而且充分利用了LT-MED熱法海水淡化濃海水的余熱資源，解決了我國(guó)北方冬季海水水溫較低影響膜法海水淡化產(chǎn)水量的問(wèn)題。膜法海水淡化產(chǎn)生的濃鹽水供社會(huì)化工企業(yè)制堿，實(shí)現(xiàn)濃海水綜合利用零排放，不但制堿效率大大提高，而且節(jié)省了溶鹽用的淡水資源。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，綜合考慮環(huán)境保護(hù)、淡水資源、運(yùn)輸成本、土地問(wèn)題、產(chǎn)業(yè)布局等因素，鋼鐵企業(yè)已加速向沿海地區(qū)轉(zhuǎn)移[10]。 沿海鋼鐵企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身情況，充分發(fā)揮地理優(yōu)勢(shì)，建立以海水淡化為依托的循環(huán)經(jīng)產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)的節(jié)能減排，即響應(yīng)了國(guó)家政策，又降低企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

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