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2014-10-30 06:07 来源:钢联资讯 作者:张岩岗

  1 海水淡化技术研究概况

海水淡化是解决当前淡水危机的重要途径,但是成本居高不下是该技术应用的根本原因。目前,海水淡化技术主要分为热法技术和膜法技术,热法技术应用最多的为多级闪蒸(MSF)和低温多效(MED)两种方式。近年由于低温多效海水淡化(MED)汽源适应性强的优点,从而得到迅速发展。
低温多效海水淡化的基本原理是在真空状态(即在较低温度)下进行蒸馏。蒸馏在一个被称为蒸发器的容器内进行,它的内部被隔断成几个部分,叫做“效”。生产过程中,在第一效内,加热蒸汽将其能量传递给海水补给水,并将一部分补给水蒸发,其自身放热冷凝。所产生的蒸汽进入第二效,流经第二效的换热管束冷凝,热量继续传递到第二换热管束外的海水补给水,并将一部分补给水蒸发。所产生的蒸汽又被用作第三效换热管束中的加热流体,在以后的每一效间都重复这一过程,直到最后一效。最后一效产生的蒸汽在蒸馏水冷凝器中被冷却水冷凝,完成一个生产流程。
三工况低温多效海水淡化技术是结合了低温多效的基本原理及工厂企业存在余热余能的实际情况,从能源梯级利用的角度提出的综合利用工厂企业多种余热的技术手段,通过一系列技术创新,实现余热余能利用,降低了海水淡化制水成本。
该技术为世界范围内沿海钢铁厂乃至其它行业建设海水淡化工程、降低制水成本,并最大限度减少生产生活对淡水的依赖开辟了一条新路。借助北京地区有意引淡化海水进京的规划意向,该技术可以大力并具有广阔的市场空间。
2 低温多效海水淡化技术在国内外的发展现状
世界范围内的热法海水淡化项目大多采用单一工况运行,汽源多来自与其毗邻的电厂汽轮机抽汽或专门的锅炉供应。尤其在水资源短缺的中东地区,热法海水淡化都与大型发电厂同步建设,发电容量均在1000MW以上,海水淡化产量在20-80万t/天不等,汽源全部取用汽轮机抽汽。例如沙特阿拉伯Marafiq海水淡化项目、阿联酋塔维基(Taweelah A1)海水淡化项目及印度荣誉炼油厂(Reliance Refinery)海水淡化项目等。国内的国华黄骅发电厂一期建设安装2×600MW国产亚临界燃煤发电机组,配套建设2×10000m3/d低温多效海水淡化装备(MED-TVC),蒸汽均由汽轮机抽汽提供。天津北疆发电厂建设2座百万千万发电机组,并同步建设4台MED海水淡化装置,除满足自用外,计划向市政供水。海水淡化单台产水量为25000m3/d,蒸汽由汽轮机5段或6段抽汽供给,随汽轮机负荷变化当蒸汽压力低于0.1MPa时经减温减压直供海水淡化第一效,当蒸汽压力高于0.1MPa时,蒸汽经由热压缩器。
综上,行业内低温多效海水淡化装置绝大部分在T模式下运行,多使用压力0.4-0.9MPa的蒸汽作为淡化汽源。少部分在E模式下运行的装置也是使用将正压蒸汽减压成0.035MPa(a)的负压蒸汽后使用。这些采用汽轮机抽汽方式解决汽源供应的低温多效海水淡化装置,没有实现真正意义的低温下运行,造成上述制水成本偏高。
由于低温多效海水淡化可以利用0.035MPa(a)的负压蒸汽,因此研究低温多效海水淡化与汽轮发电机组的组合是实现纯E模式运行的关键。目前电力、冶金及石化等行业内的汽轮发电机组只有两种形式,凝汽式和背压式。背压式机组无凝汽器,汽轮机末端排汽压力高于大气压,一般用作采暖、制冷用汽或工厂内其他工艺用汽。凝汽式汽轮机应用较广,按凝汽方法的不同分水冷和空冷两种,而水冷式应用最为普遍。凝汽式汽轮机的末端排汽,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。
至今国内外还没有对海水淡化联合发电技术进行深入的理论研究及大型工业化的应用。该技术独创性的将海水淡化装置替代了发电机组的凝汽器,使其不但承担凝汽器功能,同时还肩负了除盐水生产任务,并且使用的蒸汽参数极低(0.035±0.001MPa,74±2℃),从而大幅度的降低热法海水淡化的制水成本。
3 首钢国际工程公司三工况低温多效海水淡化技术的研究及应用
首钢国际工程公司三工况低温多效海水淡化技术将低温多效海水淡化的主体设备与发汽轮机直接组合,取消发电凝汽器,使MED装置利用真正的低温、低压蒸汽进行海水淡化,同时也可以补充部分高参数蒸汽运行,或全部使用高参数蒸汽运行,根据蒸汽条件调整运行模式,可以大幅度降低制水成本,该技术为发明专利。海水淡化联合发电生产示意见图1。该技术研究后结合首钢京唐钢铁厂实际项目进行实际应用。
 
 
图1 首钢国际工程公司设计的首钢京唐海水淡化联合发电生产示意图
图中:1、主体设备LT-MED装置,2、汽轮机,3、TVC装置,4、锅炉,5、低压蒸汽管道,6、较高压力蒸汽管道,7、回流蒸汽管道,8、入料海水管道,9、浓盐水管道,10、成品水管道,11、低压蒸汽调节阀门,12、较高压力蒸汽调节阀门,13、回流蒸汽调节阀门,14、冷却海水管道,15、冷凝水回收管道。
 
首钢京唐钢铁厂地处河北省唐山市曹妃甸沿海工业园区,面临淡水资源紧张的问题,需要通过建设海水淡化解决自身淡水需求问题;同时,首钢京唐钢铁厂在能源方面同样存在与其他钢铁厂类似的问题,一是自供电供应不足,需要外购电;二是工艺副产品——蒸汽放散、高炉及转炉煤气量大且随工艺生产的间断性而产生波动甚至放散,以及炼铁冲渣余热、烧结烟道余热等没有充分利用。为解决上述问题,首钢京唐钢铁厂亟待采用一种新的节能工艺技术,既可以合理利用钢铁厂的废热资源产生电能用于提高工厂的自供电率,以减少外购电,又能建设海水淡化设施供应淡水,缓解地表淡水不足的局面。
该技术可将企业内各主工艺产生的富余蒸汽以及各主工艺产生的煤气等可燃副产品通过锅炉燃烧产生的蒸汽首先用于汽轮发电机组发电,做完功的负压排蒸汽(乏汽)再直接进入低温多效海水淡化装置生产除盐水,做到发电与海水淡化的紧密结合,实现了真正意义的“水电联产”。发电机组生产的电能输入厂区管网,海水淡化机组产生的高品质除盐水一部分用于生产补水,一部分与污水处理厂生产的回用水调配。通过上述关键技术的研究开发与实际应用,不仅充分利用海水资源替代稀缺的淡水资源,同时利用余能生产低成本电能,节约企业的综合运行成本。
4 首钢国际工程公司三工况海水淡化技术的主要技术创新
通过一系列关键技术的开发应用,确保了三工况低温多效海水淡化技术顺利实施并安全、稳定、高效运行,建成世界上首例万吨级海水淡化联合发电项目。该项目技术创新主要体现在以下几方面:
4.1发明利用汽轮发电机末端乏汽进行海水淡化的工艺,充分利用余能资源,降低海水淡化制水成本
该技术发明出利用汽轮发电机组末端乏汽进行海水淡化的工艺,该工艺创造性的将低温多效海水淡化与汽轮发电机组有机结合,节省投资并大幅度降低了海淡产水及发电成本。
该技术的成功应用,将汽轮机和MED海水淡化工艺创新性的合二为一,真正意义上实现了能源的阶梯级利用。在建设成本上,节省了电站凝汽器及其附属设备的投资;运行上,不仅回收了普通凝汽式汽轮机散失掉的60%的热量,还减少了海淡装置正压蒸汽减温减压时损失的热量,使系统热效率大幅提升,经测算系统热量利用率可达82.23%。
4.2开发出低温多效海水淡化与汽轮发电机的联合运行的调控方法,保证系统安全、稳定、高效
该技术开发出低温多效海水淡化与汽轮发电机的联合调控方法;确保系统安全、稳定、高效运行。常规汽轮发电机组采用分布式控制系统(DCS)对整个机组的运行情况进行实时监控及调节,同时保持与数字电液调节系统(DEH)、汽轮机跳闸保护系统(ETS)、汽轮机仪表监控系统(TSI)三者的通信,热法海水淡化装置也采用分布式控制系统(DCS)对整个装置的运行情况进行实时监控及调节。
该技术研发创新性的将二者的控制集成为一体,将二者的重要运行参数信号引至对方DCS控制系统内,实时监控并参与逻辑控制。
4.3 开发出汽轮机末端排汽压力及温度适应海水淡化的控制系统,确保参数先进、可靠
该技术开发出汽轮机末端负压排汽压力、温度控制系统,保证汽轮机负压排汽即海水淡化装置工艺用汽的参数稳定。
由于海水淡化装置对蒸汽品质要求严苛,而该技术采用了负压排汽带一级抽汽是汽轮机组,其主汽和抽汽两个因素的波动都会对汽轮机排汽参数造成干扰,从而导致排汽参数无法满足海淡装置的需要。如何通过有效的控制手段保证变工况下排汽参数的稳定,决定着该项技术研发的成败。
4.4发明真空下海水淡化与发电系统的切断装置,提高海水淡化的利用率
汽轮机事故或年例行检修时间较长,为保证在汽轮机检修期间,海水淡化装置可以投入“TVC”模式继续运行以保障厂区的供水,就需要有可靠的子系统间切断装置。该技术发明了真空状态下海水淡化与发电子系统间的切断装置,确保发电故障时,海水淡化装置可在真空状态下与发电子系统完全切断,进而投入“TVC”模式运行,保障供水。
因此,本技术开发出了一种封闭式负压插板阀解决了这个问题。这种插板阀是在原封闭式插板阀的基础上改进而来,具有如下特点:
1)主阀箱和副阀箱通过矩形法兰连接,矩形法兰上设有密封槽,密封槽深度确保少量密封橡胶圈嵌入槽内,有效保证了在正负压差情况下,密封橡胶圈不会被吸入管道内部。
2)阀板采用冠形阀板,有效保证了在大盲板力下不变形。
3)副阀箱中下方设置直径为600mm的小人孔,兼顾检修和阀门强度。
4)阀门内部夹紧装置使用外压波纹管,解决了阀门撑开、夹紧时位移量的吸收。
5)与管道的连接方式采用焊接,杜绝了从法兰缝隙漏真空的可能性。
4.5开发出通过淡化水实现污废水零排放的耦合式盐平衡技术,回收污废水,节约水资源
该技术中海水淡化产生高品质除盐水除了直接供应用户使用外,还开发出的耦合式盐平衡保障污水零排放技术。结合首钢京唐公司给排水系统的实际情况,首先使用海水淡化产生的高品质除盐水对陡河水库来水进行调配,提高进入水系统的水质;另外,对于钢铁厂产生的生产、生活排水分别采用物化及生化工艺进行处理后仅含盐量偏高的污水,也与海水淡化产生的优质除盐水进行混合调配,达到或优于生产新水标准,再输入厂区工业新水管网。
首钢京唐公司水系统正是基于以上两点,经过对水源提标和污水提质,通过这种耦合式的盐平衡模式使整个水系统的盐量平衡达到一个合理、稳定的数值,实现了污水的基本“零”排放目标,实现了较好的环境效益。
4.6创新设置抽汽式汽轮机组,可通过提高抽汽量及发电量调整确保厂区蒸汽、燃气零放散
该技术采用抽汽式汽轮机组,将汽轮机抽汽应用至海水淡化装置维持真空喷射器等,替代高品质蒸汽,提高发电量的同时,有效平衡了厂区内由于生产波动造成的锅炉燃料的波动。
该技术研发选择负压蒸汽带一级抽汽式汽轮机组,汽轮机组的可调抽汽很好的解决了进汽量波动的问题,抽汽应用至海水淡化装置维持真空喷射器等,不仅替代了高品质蒸汽,还保证了厂区蒸汽、燃气的零放散。
5 三工况海水淡化技术应用实效及前景
该关键技术自2008年6月开始研究开发,经过基础研究、广泛调研、方案研讨、工程设计、现场施工、调试运行等环节,最终于2011年10月成功投产应用。项目投产后提高了工厂的自供电能力,实现了对能源的梯级利用。投产运行以来,系统运行良好,各项技术指标均达到或优于设计标准;项目建成投产后,同比系统热效率提高至82.23%。
首钢国际工程公司研发的三工况低温多效海水淡化技术的成功应用,为具有类似余热余能的临海工厂提供了一条新路,如冶金行业冶炼炉余热;石化行业裂解炉余热;纺织行业热风炉余热;电力行业的热电联产、水电联产等,均可使用与该技术相同的工艺设施配置,进而提升上述各行业能源利用效率,体现“循环经济、节能环保”的理念,最终创造较好的社会和环境效益,该技术具有较高的应用价值。
 
首钢国际工程公司设计的首钢京唐海水淡化工程外景
撰稿人  张岩岗

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