摘要：低温多效蒸馏海水淡化技术是一种利用水平管降膜蒸发器或竖直管蒸发器串联并划分为若干效组，以一定量的输入蒸汽作为热源，经多次蒸发、冷凝，利用二次蒸汽潜热，得到多倍加热蒸汽量的蒸馏海水的海水淡化技术。该技术具有传热效率高、产品水质好、负荷调节范围大、工艺温度低等特点，可用于发电厂、化工厂、低温核反应堆等领域，是国际主流海水淡化技术之一。文章结合某炼化企业节能降耗中低温多效蒸馏海水淡化技术创新应用，分析了该技术应用经济效益，并对技术应用前景进行展望，以期促进该技术推广应用和创新发展。

　　关键词：低温多效蒸馏海水淡化技术；炼化企业；节能降耗；除垢工艺

　　0引言

　　海水淡化作为一种淡水增量技术，在缓解水资源危机方面发挥不可替代作用。当前，海水淡化技术受到世界各国重视和应用。我国于20世纪80年代开始引进海水淡化装置，并于20世纪初自主研发百吨级MSF装置和60 t/d MVC淡化装置、3 000 t/d MED装置，2013年出口印尼6套共计2.1万t/d MED装置，标志着我国低温多效蒸馏海水技术已具备了一定的国际竞争力[1]。2013年至今，我国开始进入蒸馏淡化急速推广和新技术研发阶段。至2019年底，我国现有海水淡化工程115个，工程规模达157.376万t/d，新建成海水淡化规模39.91万t/d，年海水冷却用水量为1 486.13亿t，较2018年增加94.57亿t[2]。在此背景下，2019年，工信部、水利部等部门发文《京津冀工业节水行动计划》，提出“鼓励京津冀沿海地区钢铁、石化化工、火电等行业直接利用海水作为循环冷却水，并重点建设一批海水淡化和综合利用项目”。发改委将海水淡化设备及开发利用工程纳入《产业结构调整指导目录(2019年本)》[3]。山东、广东、福建等省份均将海水淡化作为落实国家节水行动实施方案主要节水技术之一。

　　低温多效蒸馏海水淡化技术是一种将多个水平管喷淋降膜发生器串联并分组成多个效组的海水淡化技术。通过引入一定量的输入蒸汽作为热源，该技术经过多次蒸发和冷凝过程，充分利用二次蒸汽的潜热，从而获得多倍原始加热蒸汽量的蒸馏海水。在炼化企业中，这种技术可以有效地应用于节能和降耗。特别地，它能够充分利用高于油品储存温度的余热或炼化工艺本身产生的余温作为热源进行回收利用。通常，当工艺或储存温度在85～160℃范围内时，这些余热均适用于回收。根据数据统计，一个千万吨级的炼化企业可回收的余温资源达到970 GJ/h。若能将这部分余热进行回收利用，炼化企业的能耗将显著降低，进而实现运行成本的减少和能源的有效节约。

　　在深入研究炼化企业低温余热资源的基础上，详细分析了低温多效蒸馏海水淡化技术方案及其经济效益。此研究的目的是促进该技术的应用和推广，有效缓解炼化企业日益增长的用水需求与水资源短缺之间的矛盾，降低海水淡化的成本，并为炼化企业实现节能和降耗提供有效的解决方案。

　　1炼化企业低温余热资源分析

　　石油炼化即将原油切割成各种不同沸程馏分并将切割馏分或按石油产品规格要求，利用分离、转化、精制、改质、气加工等工艺手段加工原油，生产各种燃料、润滑油、石蜡、沥青等石油产品或石化燃料的工艺过程。炼化企业生产工艺过程中，加热和冷却会产生大量余热，包括油气组分分离、转化、精制、改制、聚合、氧化等工艺加工过程中产生的余热，工艺装置加热炉和余热锅炉产生的烟气余热，动力锅炉、循环水冷却等公用工程和辅助设施余热。以某日处理重油2 500 t的炼化企业为例，其炼化石油产品温度较高，汽油、柴油、石蜡、沥青等产品冷却温度分别为70℃、140℃、140℃和160℃,产品需冷却入罐储存，该部分热量未被回收利用，存在“高能低用”、能量利用不合理等问题，并形成了较大的资源浪费。

　　针对该部分低温余热资源总量计算时，可根据石油产品产量、产品的比热容和余热回收进出口温度计算石油产品回收利用余热资源：

　　式中：φ0为可回收余热资源流量；m为产品产量；

　　cp为恒压状态下石油产品比热容；θ1为余热回收装置出口温度；θ2为余热回收装置进口温度。

　　以日生产汽油150 t、柴油450 t、石蜡油500 t和沥青1 400 t计算，2 500 t/d炼化装置中的可回收产品冷却余热分别为：汽油0.28 GJ/(t·h)，柴油3.1 GJ/(t·h)，石蜡油2.6 GJ/(t·h)和沥青4.1 GJ/(t·h)。根据这些数据，可以得出每天可回收的总余热为：

　　因此，该炼化装置每天可以回收的余热资源约为9.93 GJ。

　　2低温多效蒸馏海水淡化技术原理及应用

　　2.1低温多效蒸馏海水淡化技术原理

　　低温多效蒸馏海水淡化技术是一种通过利用低温多效蒸馏原理进行海水淡化的工艺。其工艺流程包括将海水预热与脱气，然后分两路物流：一路作为装置冷却水排入大海；另一路则作为海水淡化原料进入低温多效蒸馏海水淡化装置。加入适量阻垢剂后引入原蒸发器，海水料液经原蒸发器喷嘴均匀分布至顶排管中，随后以薄膜形式沿顶排管向下流动，该过程中部分海水料液吸收余热而出现潜热蒸发现象，下一蒸发器中料液再次冷凝形成淡化，剩余料液经泵送至蒸发器内下一效组中。由于后一效温度高于前一效温度，海水料液在一系列效组中经喷淋、蒸发、冷凝，在温度最高效组中形成初期淡水，完成海水淡化过程[4]。

　　在炼化企业节能降耗中应用低温多效蒸馏海水淡化技术，系统由闪蒸汽、低温多效海水淡化主体设备等设备组成。海水物料经多效组低温余热回收后输出淡水。

　　2.2石油产品冷却系统

　　在石油炼化工艺中，低温多效蒸馏海水淡化技术通过梯级利用原则，使海水淡化产品逐级通过汽油冷却器、柴油冷却器、石蜡冷却器和沥青冷却器，使海水物料由41.5℃升至150.0℃,压力≥0.5 MPa[5]。通过回收石油产品冷却低温余热，能够降低炼化工艺产品冷却余热浪费和对环境产生的热污染影响。由于冷却水采用多效蒸馏产生的蒸馏淡水，不存在冷却水结垢问题，从而有效提高了冷却系统换热效率和冷却器使用寿命。在石油产品冷却系统中，螺旋式板式换热器是一种可选的冷却器。该换热器具有价格优势、紧凑的结构设计、大的传热面积以及高流体流速等特点。冷却水在冷却器中沿螺旋方向流动，由于冷却水流速大、传热系数高，相较于管式换热器换热效率高，且不易结垢、堵塞，适用于作为炼化企业产品冷却器。

　　2.3闪蒸器

　　为确保闪蒸器内过热淡水充分蒸发，闪蒸器内设置多层蒸发板，提高低温多效蒸馏海水淡化装置换热效率。经梯级换热，淡化加热至150℃后流入闪蒸器。由于闪蒸器压力低于淡水的饱和蒸汽压，淡水进入闪蒸器后迅速汽化并形成初始蒸汽，作为低温多效蒸馏海水淡化装置的动力蒸汽。

　　闪蒸器压力确定时，可根据进入闪蒸器过热淡水流量计算：

　　式中：qm,D为闪蒸器蒸汽质量流量；qm,G为进入闪蒸器淡水流量；h 1为闪蒸前淡水质量焓；h2为闪蒸压力下饱和水质量焓；r为闪蒸压力下饱和蒸汽汽化潜热。

　　2.4低温多效蒸馏海水淡化装置

　　低温多效蒸馏海水淡化装置采用7效系统，通过海水与蒸汽换热，利用各效间的自然压差逐级回流，最终实现海水淡化。海水物料经过滤后，经泵送至末效蒸发器，与蒸发器内换热管束外蒸汽换热，在蒸汽冷凝的同时，海水被预热。部分被预热海水物料作为补给水喷淋至前7效的换热管束外，在管内蒸汽被冷凝的同时，管外部分海水物料被蒸发，前一效海水蒸发产生的蒸汽作为后一效的热源。经蒸发器冷却后，在添加阻垢剂和消泡剂后，以平行进料方式喷淋至各效冷凝器的换热管束上。由于后一效冷凝器的温度低于前一效，所产生的蒸汽流入后一效的换热管束中并继续发生冷凝，经蒸发后剩余的部分物料流入下一效的冷凝器，利用各效间的自然压差逐级回流。经前一效蒸发后流入下一效，由于下一效的压力下降，剩余浓海水物料作为过热蒸汽继续闪蒸出部分蒸汽。

　　闪蒸蒸馏产量增加的部分与石油产品冷却产生的热量经蒸汽与海水物料换热得到回收，换热效率提高的部分，随海水物料经各效换热、蒸发后进入第7效冷凝器，剩余浓海水经泵升压后排出。

　　在装置运行过程中，存在不凝气体溢出和密封泄漏问题。为维持真空度，采用水环式真空泵技术。同时，为确保系统的稳定运行，加强了密封检查与检修工作。蒸发器作为系统的核心组件，其设计标准化程度对维护和维修具有重要影响。因此，采用相同规格、尺寸和结构的铜铝合金换热管，以确保系统的可靠性和稳定性。各效的蒸发温度和进料温度根据系统需求进行精确控制，热源蒸汽的压力和温度也严格按照标准进行设定。该系统日产淡水500 t，有效缓解了炼化企业的用水紧张问题。同时，通过高效回收利用余热资源，实现了能源的高效利用。

　　2.5装置除垢工艺

　　低温多效蒸馏海水淡化装置运行后，可能因海水中的硫酸钙、碳酸钙等成分形成结垢。这些垢可能会降低装置的效率。为了解决这个问题，可以采用“酸洗+中性清洗”两步法清洗前7效蒸发器，清洗工艺为：水洗—酸洗—水洗—中性清洗—水洗—钝化处理。酸洗清洗药剂采用铜缓、302药剂、710药剂、氨基磺酸、片碱、NaOH等，中性清洗药剂可采用硫酸钙螯合剂等药剂。末效冷凝器清洗时，可采用高压水枪冲洗后采用酸洗方法清洗，清洗工艺为：水洗—酸洗—水洗—钝化处理，清洗药剂采用铜缓蚀剂、盐酸、片碱、NaOH等[6]。通过这种方式，可以有效地清除装置中的结垢，提高装置的效率。这可以解决蒸发器换热管表面与末效冷凝器换热管结垢问题，换热管和冷凝管表面清洁、光滑，无点蚀和二次浮锈问题。低温多效蒸馏海水淡化系统应用中，炼化企业可借助装置大修机会清洗除垢，以此达到提高海水淡化处理效率的目的。

　　2.6技术应用经济效益分析

　　当前，海水淡化技术主要分为三大类别30余种，各种技术的应用优缺点各异，但如何降低海水淡化的成本是海水淡化技术面临的主要问题。在低温多效蒸馏海水淡化技术中，蒸汽成本占比41%，固定资产折旧成本占比40%，运营维护成本占比10%，电力成本占比仅7%，其他成本仅2%。由此可见，蒸汽成本是海水淡化的主要成本之一。为了降低海水淡化的成本，高效利用炼化产品冷却余热生产蒸汽是一种主要的措施。

　　以2 500 t炼化装置为例，预计日产500 t低温多效蒸馏海水淡化装置的成本为550万元。按折旧年限25 a计，装置的制水成本包括化学药品成本、热力消耗成本、人工成本、管理成本、设备维修和设备折旧费用成本等组成。化学药品成本主要为海水物料进料前加入适量的阻垢剂、消泡剂等药品，装置每年清洗1次，每吨药品成本约0.4元/t。热能消耗成本主要为余热回收利用，每吨制水热能消耗为0元/t。电力消耗每吨制水成本2.4 kW·h，以工业用电0.8元/kW·h计算，每吨制水用电成本为1.92元。人工费用成本可忽略不计。固定资产折旧费用按25 a计，固定资产残值为4%，按投资费用550万元、日制水500 t核算，制水固定资产折旧费用约为1.22元/t。装置除垢、检修费用按固定资产总值1.5%计，装置除垢、检修成本费用约为0.48元/t。综合核算装置运行成本为2.32元/t，总制水成本为4.02元/t。总体制水成本略高于新手购买均价3.1元/t，但显著低于再生水成本6～10元/t，经济效益显著。

　　3炼化企业节能降耗发展方向

　　3.1工艺装置低温余热区域划分

　　当前，炼化企业工艺生产中存在大量可回收余热资源，但这些资源未得到充分利用。部分装置需要借助空冷器、水冷器等冷却设备，消耗大量电能和循环水，造成资源浪费。为了解决这一问题，可以综合考虑全厂余热分布、热量结、温位等因素，将全厂余热回收利用划分为若干区域。其中，符合低温多效蒸馏海水淡化技术应用的余热资源可以得到充分利用。通过热媒水串联、并联换热等手段，将分散在不同区域、不同位置的余热资源集中起来，合并至低温多效蒸馏海水淡化系统。这种集中利用的方式可以实现炼化企业余热资源“温度对口、梯级利用”，使余热资源匹配利用效益最大化。

　　3.2焦化、高压加氢裂化装置余热利用

　　针对焦化、高压加氢裂化等装置低温余热利用率低的问题，提出了利用淡化海水作为余热制冷换热水的解决方案。通过替代饱和气回收装置电制冷机组，可以实现该区域余热资源的合理回收利用。淡化海水具有温度适宜、资源丰富、环保无污染等优点，可以满足余热制冷换热的需求。同时，该技术方案具有较高的经济效益和环境效益，有助于提高炼化企业的整体运营水平和竞争力。

　　3.3气分、重整装置余热利用

　　为了解决气分装置高能低用的问题，提出了利用催化裂化装置顶循、油气、轻柴油余热作为热源，与淡化海水换热形成70～90℃热媒水，供气分装置分馏塔重沸器使用的方案。该方案可以替代1.0 MPa蒸汽，提高气分装置的能效。同时，利用后的热媒水还可以作为低温多效蒸馏海水淡化效组热源，进一步优化气分重整装置的余热资源利用。

　　3.4汽油脱硫、加氢装置余热利用

　　根据“高能高用、低能低用”的原则，炼化企业应优先将催化汽油脱硫装置、加氢装置中温位较高的余热资源用于余热发电。对其余低温位的余热，可以将其用于海水淡化装置的梯度利用，以实现这部分余热的综合利用。

　　3.5蒸汽系统平衡优化

　　在炼化企业余热资源区域划分和综合利用中，企业应根据生产调度计划，通过计算余热温位来计算热量。在海水淡化系统中，应做好蒸汽系统平衡优化，以确保蒸汽资源的合理利用。按照能级匹配利用原则，企业应合理平衡蒸汽资源，实现全厂范围内的余热综合利用。通过这种综合利用方式，企业可以进一步提高能源利用率和经济效益，降低对环境的影响。

　　4结语

　　炼化行业作为高耗能行业，在工艺生产中存在大量未被开发利用的余热资源。根据《高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021年版)》数据[7]，炼化行业的能效标杆水平为7.5 kg标准油/(吨·能量因数)，而基准水平为8.5 kg标准油/(吨·能量因数)。然而，根据2020年底的数据，我国炼化行业企业达到标杆水平的产能占比仅为25%，低于基准水平的产能占比约为20%。这表明炼化行业企业节能降耗仍面临艰巨的挑战。通过将可回收利用的余热资源开发利用与低温多效蒸馏海水淡化技术相结合，大力开发利用炼化企业可回收利用的余热资源来淡化海水。这不仅能够实现炼化企业的节能降耗，实现余热资源的梯级利用，降低企业的生产成本，还能够高效地利用余热资源进行海水淡化，缓解炼化企业高耗水与水资源缺乏的矛盾。

　　参考文献：

　　[1]国家发展改革委.国家发展改革委印发《产业结构调整指导目录(2019年本)》[J].招标采购管理，2019(12)：7.

　　[2]工业和信息化部，水利部，科技部，等.四部门联合发布京津冀工业节水行动计划[J].中国信息化，2019(10)：22-27.

　　[3]曹悦妮.《2020年全国海水利用报告》公布[N].中国自然资源报，2021-12-07(1).

　　[4]张腾飞，史载辉.低温多效海水淡化工艺相关问题探讨[J].石化技术，2021，28(3)：91-92，145.

　　[5]安少鹏，张元奇.余热利用海水淡化装置设计[J].一重技术，2020(1)：31-36.

　　[6]邢兆强，依庆文，杨德久，等.一种低温多效蒸馏海水淡化系统：CN202120657216.0[P].2023-12-20.

　　[7]国家发展改革委.国家发改委等五部门发布高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平(2021年)[J].中国建材，2021(12)：26-27.