大型低温多效海水淡化工程系统优化

张 波

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200）

1 背景概述

京津冀地区淡水资源短缺，对海水淡化有巨大需求。低温多效海水淡化装置产水高，品质属性毋庸置疑，但造成产水成本较高是其发展的瓶颈。海水淡化装置大型化、国产化可节约占地面积和建设资金，是国内追求的目标。为满足钢铁厂二期用水需求，某钢铁集团自主集成建设3.5万t/d海水淡化项目，该项目为国内单体最大，使用汽轮机乏汽作为热源，国产化率达98.11%，起到了行业引领作用。

2 水电联产的参数优化

由于需要使用蒸汽作为动力源，热法海水淡化均与发电厂同步建设，汽源取用汽轮机抽汽。例如，沙特阿拉伯Marafiq海水淡化项目、阿联酋塔维基海水淡化项目、印度荣誉炼油厂海水淡化项目、国内的国华黄骅发电厂北疆电厂等。蒸汽的品质较高造成蒸汽成本较高，同样海水淡化造水成本也较高，影响了其大规模发展。

大型电厂一般采用凝汽式汽轮机，汽轮机末端排汽通过间接式换热凝结成水回至锅炉，而排汽中大量的潜热被冷却水或冷却空气带走，进而释放至大气中。散失的热量经测算，占整个发电机组投入热量的60%左右。某钢铁公司二期低温多效海水淡化装置与汽轮机发电机组进行的联合应用，蒸发器利用部分汽轮机末端乏汽作为动力蒸汽，实现了水电耦合联产的目标，如图1所示。

图1 水电耦合示意图

对于海水淡化使用汽轮机乏汽作为热源的水电耦合系统，提高汽轮机排汽压力，可以提高海水淡化的造水比，但同时意味着提高了汽轮机的发电损耗，需要找到一个合理的设计参数。经过计算及分析，项目选择汽轮机排汽压力32～35 kPa，蒸发器造水比6。在该区间内对发电量影响较小，产水热耗低，汽轮机运行稳定，热法海水淡化装置造水成本较低。

3 装置结构优化

对低温多效装置的传热系统进行研究，分析计算结果是换热管排数在130～150排时较好。但是，总传热面积固定，限定换热管排数后，就要增加换热管列数，列数过大会增加蒸汽流通的阻损。为此，本项目开发了一种全新的单效多组换热管布置方式。

针对大型低温多效海水淡化装置体积大、换热管束多、二次蒸汽量大等特点，研究设计了一种蒸发器换热管束及海水、浓盐水通道在两侧，成品水通道在中间的结构形式。这种形式既保障稳定、经济的工艺性能，又便于检修，可利用成品水通道实现直接更换换热管，不需要行业常用的切壳换管，如图2所示。

图2 蒸发器结构图

4 新材料的应用

结合中船重工七二五研究所在船舶防腐方面的研究成果，碳钢梁采用船舶用底漆及面漆，大大提升了设备碳钢产品的防腐能力，如图3所示。

图3 海洋防腐漆在蒸发器碳钢梁上的应用

在蒸发器效内支柱、通风管道等部件上，国内海淡行业上首次采用复合钢板替代双相不锈钢。采用双相不锈钢与碳钢整体轧制由首秦公司生产，降低了设备制造成本。复合钢板的应用部位见图4所示。

图4 复合钢板的应用部位

5 系统其他优化

缩短工艺流程，通过设置大流量、高扬程、流量可调的海水取水系统，使用海水取水泵直供海水淡化蒸发器，可使吨水电耗降低0.2～0.4 kWh；蒸馏水泵直供除盐水管网，可使吨水电耗降低0.1 kWh。工艺流程图见图5。

图5 给排水工艺

海水淡化有2个喷射器，一是启动时抽真空的启动喷射器，另一个是运行时维持真空的真空喷射器。维持真空时需要真空喷射器入口有一个稳定的压力。本项目启动喷射器采用不定压抽真空的模式，与维持运行的真空喷射器分开，启动时抽真空时间缩短2.5 h。抽真空系统见图6。

图6 抽真空系统

6 海水淡化发展的建议

鉴于淡水资源紧张，国家部委从2005年开始对海水淡化发展提出很多政策和建议。某钢铁公司于2007年开始引进法国技术，建设2×1.25万t/d热法海水淡化工程，2010年自主集成建设2套相同工艺、同等规模的海水淡化设施，2017年在充分消纳技术的基础上自主集成建设了单套3.5万t/d热法海水淡化，各种指标的先进性以及生产的稳定性在行业内部取得了良好声誉。下一步建议以内部海水淡化工程为依托，整合内部优势资源，成立专业公司，进行海水淡化技术及工程的输出，逐步进入国内和国际市场。

在技术上，可以从以下几个方面进一步开展工作：

1）海水喷淋系统对装置使用性能至关重要，如果海水喷淋不均匀、润湿率不够，会导致产水量降低、结垢等严重后果。喷头的结构和布置可以通过试验的方式进行研究优化。另外，喷头以丝扣连接为主，采用法兰连接更为牢靠。

2）壳体及管板、支撑板采用价格昂贵的双相不锈钢，比如使用碳钢+防腐的方式可以大幅度降低设备造价。应尽快开发适用于低温多效海水淡化的防腐材料及喷涂工艺。

3）低温多效工艺由于海水温度较低，可以减少结垢，但也降低了蒸发器的造水比。研究适合的阻垢剂，以提高第一效蒸发温度，会产生较大的经济效益。

4）以汽轮机乏汽作为海水淡化热源，热源的品质低，可降低造水成本。若使用品质更低的热源，比如热水、烟气，成本可进一步降低。