低温多效蒸馏海水淡化技术在钢铁企业节能减排中的应用

2018-03-01唐智新吴礼云梁红英薛腊梅

冶金动力 2018年3期

唐智新，吴礼云，梁红英，吴刚，薛腊梅，孙雪

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063016）

引言

钢铁工业是能源消耗大户，我国钢铁工业的能源消耗约占全国工业总能耗的27%，约占全国总能耗的17%[1]。但我国钢铁企业生产过程中能源的有效利用率仅为27%[1]，其余能源转化为以废气、废水、废渣等为载体的余能余热。随着能源短缺和环境污染问题的凸显，钢铁企业余能余热的利用效率逐渐提高，但与国外先进企业还有一定差距，主要原因缺乏先进的技术及设备，造成回收利用效率偏低。目前发达国家钢铁工业对余热能源的回收率比较高，但中国较为钢铁企业仍是水资源消耗大户，千万吨级的大型钢铁联合企业年消耗淡水资源约3000万t。随着淡水资源的短缺，钢铁企业开始开发非传统水资源，沿海钢铁企业逐渐利用海水淡化水取代地表水。目前海水淡化主流工艺主要包括低温多效蒸馏（LT-MED）、多级闪蒸（MFS）、反渗透（RO）三种[2]，其中低温多效蒸馏（LT-MED）海水淡化工艺由于其操作温度低（70℃以下），可以利用低品质余热资源（如发电后的乏汽），是最节能的海水淡化技术之一，逐渐受到沿海国家及地区的重视。

将LT-MED海水淡化技术应用于钢铁企业，不但可以充分利用钢铁企业的余能余热资源，而且可以解决钢铁企业的用水需求，对于钢铁企业的余能余热资源高效利用、蒸汽及水系统的平衡也发挥重要作用。本文结合首钢京唐钢铁联合有限责任公司（以下简称京唐公司）建设LT-MED海水淡化装置的实践经验，介绍了LT-MED海水淡化在钢铁企业节能减排中作用。

1 项目简介

京唐公司是国家“十一五”重点项目，位于河北省唐山市南部沿海地区，由于该地区淡水资源匮乏，京唐公司充分利用海水资源，一期建成4套低温多效蒸馏海水淡化装置，单套产量1.25万m3/d，总规模5万m3/d。一期一步建设2套装置，全部引进法国技术，2009年5月建成投产；一期二步建设2套装置，全部实现国产化，2010年10月建成投产。

该项目在每套LT-MED海水淡化装置上设置2个蒸汽喷射压缩器（TVC）装置，通过2个可以利用其它压力较高的蒸汽将LT-MED装置中末效未冷凝的蒸汽压缩以得到更多的加热蒸汽，进而提高LT-MED海水淡化装置的造水比。根据热源情况，该项目LT-MED海水淡化装置可实现多工况运行：（1）仅使用低压蒸汽，同时2个TVC装置投入运行（TVC工况）；（2）仅使用低低压蒸汽，同时2个TVC装置停止使用（MED工况）；（3）使用低低压蒸汽，并使用一定量的低压蒸汽作为补充，同时只有1个TVC装置投入运行（T VC+MED工况）[3]。另外，该项目LT-MED海水淡化装置可以在40%～110%负荷内自动调节，且不影响造水比。

2 海水淡化在节能减排中的作用

2.1 调节蒸汽平衡

钢铁企业的蒸汽耗量会随着季节的变化而变化，尤其是北方地区特别明显。北方冬季较为寒冷，取暖及保温会消耗大量的蒸汽，钢铁企业蒸汽耗量明显大于夏季。为了保障冬季蒸汽使用，钢铁企业设计时一般按照冬季最不利条件下生产蒸汽，且由于大部分蒸汽回收系统同时是生产工艺中不可缺少的冷却系统，所以蒸汽回收系统必须全年不间断运行，从而造成钢铁企业夏季蒸汽产耗不平衡，导致大量蒸汽被放散。京唐公司充分发挥LT-MED海水淡化装置的负荷调节功能，夏季高负荷运行，冬季低负荷运行，从而保障不同季节蒸汽产耗平衡，实现蒸汽的零放散，创造了较大的经济效益，且减少了对环境的影响。

2.2 实现能源梯级利用

钢铁企业有大量的余热蒸汽，一般在只设置1～2个等级的蒸汽管网，由于钢铁企业各工艺用户所需蒸汽的品质不同，为了满足用户需求，高品质蒸汽一般都是减温减压后使用，造成大量的能源损失。钢铁企业的富裕煤气一般通过煤气锅炉燃烧产生蒸汽，减温减压后进入蒸汽管网，部分企业将富裕煤气燃烧产生的蒸汽用于发电，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热不能充分利用。

京唐公司充分利用LT-MED海水淡化对操作温度要求低的特点，研究了前置发电海水淡化技术，该技术首先将富裕煤气燃烧产生的蒸汽及通过余热回收装置回收的高品质蒸汽用于发电，发电后的乏汽直接供LT-MED海水淡化装置制备淡水，从而实现了能源的梯级利用，全系统的热效率可以提高至82%以上[4]。通过该技术的实施不但降低了海水淡化成本，而且实现了钢铁企业煤气、蒸汽零放散，同时节省了汽轮机凝汽器的建设及运行费用，具有显著的经济效益、环境效益及社会效益。该流程见图1。

图1 前置发电海水淡化工艺流程图

2.3 建立低品质余热资源利用平台

目前冶金企业产生的高品质二次余热资源基本上已经被利用，如干熄焦、热轧加热炉、炼钢转炉气化冷却及烧结环冷余热锅炉等余热。尚有高炉冲渣水、锅（窑）炉烟气、循环水等低品质余热资源还未回收利用，已成为冶金行业做好节能减排的核心内容。根据LT-MED海水淡化操作温度低的特点，京唐公司建立了以LT-MED海水淡化装置为依托的低品质余热资源利用平台。

采用抽引凝结换热、气液两相防腐换热、热水高效闪蒸及蒸汽抽射增压等技术，回收钢铁企业低品质余热作为LT-MED海水淡化装置的热源。以除盐水为换热介质，首先与高炉冲渣水换热，然后再与热风炉及锅炉烟气换热，最后送至海水淡化区域进行闪蒸，并以低压蒸汽（0.6 MPa）为动力源进行抽射增压，产生低低压（32～35 kPa）饱和蒸汽，作为 LTMED海水淡化装置热源。闪蒸后的除盐水用于加热LT-MED海水淡化装置原料海水，温度降低后回到高炉冲渣水系统循环利用。考虑冲渣水、热风炉、锅炉烟气等余热的波动性，在闪蒸罐前设置除盐水稳温装置，以管网低压蒸汽作为补充热源，用于保证除盐水温度稳定。

图2 低品质余热用于海水淡化工艺流程图

2.4 开创污水回收利用新模式

钢铁行业既是用水大户，用水量约占工业用水总量的10%，同时也是废水排放大户，外排废水量约占全国总排废水量的8%[5]。随着水资源短缺加剧及环保要求越来越严格，钢铁企业用水成本日益升高，迫使钢铁企业开始考虑工业废水的回收利用。由于工业废水含盐量相对较高，会造成管网及设备的腐蚀，因此，常规处理后的工业废水一般不能直接回用，需进行深度处理（脱盐）后才能回用。目前，国内钢铁企业一般都采用超滤+反渗透(UF－RO)双膜法将工业废水进行深度处理后回用[6，7]，但该方法会产生10%～30%的浓盐水。由于浓盐水含盐量更高，一般只能用于抑尘、混料等对水质要求不高的工艺，但这些工艺需水量不大，限制了双膜法深度处理的规模。

京唐公司充分发挥临海优势，利用钢铁企业的廉价余热资源，采用LT-MED海水淡化装置生产大量除盐水。在满足工艺除盐水用量要求外，富裕除盐水可以与工业废水勾兑，利用除盐水含盐量较低（≤5 mg/L）的特点对工业废水中的含盐量进行稀释，使其水质恢复到循环水补水指标，以达到回用的目的。该技术不但可以实现钢铁工业废水的真正零排放，而且可以回收市政污水。

2.5 实现浓海水资源化利用

海水淡化技术在生产淡水的同时，必然会副产浓盐水，目前浓海水一般采用直接排海的处理方式。由于浓海水中的含盐量一般为原海水的2倍左右，且含有化学药剂、重金属等污染物，少量浓海水排海对海洋生态环境影响不大，但随着大规模海水淡化项目的建设，浓海水排海必定会对海洋生态环境造成影响[8，9]，尤其对封闭状态的渤海湾，影响更为严重。因此，只有对浓海水进行资源化利用，才能最终解决海洋生态环境污染的问题。

钢铁企业一般需要70%的工业水、30%的除盐水。而热法海水淡化产生的淡化水一般为除盐水，膜法海水淡化产生的淡化水一般为工业水。因此，京唐公司在建设LT-MED热法海水淡化的同时还规划建设膜法海水淡化。目前京唐公司在已有热法海水淡化技术的基础上，研究开发了热膜耦合浓海水综合利用技术。该技术首先利用钢铁企业的烟道气对LT-MED热法海水淡化浓海水进行除硬预处理，并产生高附加值的碳酸钙、氢氧化镁等副产品。除硬后的浓海水作为膜法海水淡化的原料水，不但大大降低了膜法海水淡化的结垢倾向，提高了膜法海水淡化的回收率，而且充分利用了LT-MED热法海水淡化浓海水的余热资源，解决了我国北方冬季海水水温较低影响膜法海水淡化产水量的问题。膜法海水淡化产生的浓盐水供社会化工企业制碱，实现浓海水综合利用零排放，不但制碱效率大大提高，而且节省了溶盐用的淡水资源。