大型煤化工項目節水探討

王德海(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司， 北京 100010)

大型煤化工項目節水探討

王德海(中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司， 北京 100010)

本文從煤化工的發展現狀出發，從節水理論的研究、節水技術的應用和節水管理等方面進行了論述，闡明了水資源對煤化工可持續發展的限制及節水措施對煤化工可持續發展的重要性和必要性。結論認為，只有不斷的研究開發新的節水技術和不斷的完善科學的節水管理制度才能讓煤化工健康可持續的發展。

煤化工；項目；節水；探討

0 引言

隨著國內煤化工技術的逐漸成熟，煤化工成為提高煤炭附加值及轉化煤炭產能的有效途徑。另一方面，由于煤化工耗水量巨大且中國的煤炭煤化工產業與水資源呈逆向分布，水資源成為制約發展煤化工產業的關鍵性因素。節水對于大型煤化工項目是一個必須面對和急需解決的問題。要做好煤化工項目節水工作，需要從多層次多角度進行系統的分析研究、規劃和設計，技術應用與科學管理并重，才能實現煤化工的可持續發展。

1 國內外節水研究及應用

隨著國內工業的快速發展，工業用水需求快速增長，水資源與工業快速發展的矛盾日益突顯。節水減排及提高水的綜合利用效率越來越受到國內外工業界的重視，在節水減排研究方面已經取得了較大的成果并應用于工業實踐。

1.1 節水理論研究

(1)水量平衡測試理論

水量平衡測試技術是一種在現狀調查的基礎上利用理論分析手段指導用水裝置節水的方法。該理論是通過對工廠各用水裝置做水量平衡測試，通過取水量、補充水量、復用水量、排水量、耗水量及滲漏水量之間的關系，繪制水量平衡圖，通過水量平衡分析，制定合理的節水方案。水平衡測試是加強企業用水管理行之有效的方法，但該理論僅限于單元裝置節水研究，缺乏對全廠用水系統的整體研究。

(2)數學優化分配理論

水的數學優化分配研究始于20世紀80年代，最初只針對簡單的單雜質系統。隨著工業需求的加強，數學優化分配理論得到較大發展。該理論是通過定義的約束條件以使得裝置或系統所需新鮮水量最小，以此為目標函數對整個用水系統進行非線性回歸。其主要內容是:構造模型，定義約束條件，建立數學模型，形成非線性方程組，最后通過數學軟件得到最優化用水系統。該理論主要是針對多雜質和特殊模型的用水系統問題，其中超結構模型研究較多[1]，其缺陷在于模型結構過于復雜。

(3)水夾點理論

在系統熱能回收的熱加點技術上，1994年曼徹斯特大學學者YP Wang和Robin Smith等人提出了水夾點理論[2]。該理論通過構造水的濃度組合曲線找出水夾點，計算新鮮水最小消耗量和廢水的最小產生量。根據系統所需的工藝水質和水量情況，通過對部分用水進行一水多用、循環復用、串聯使用或加水稀釋后再用等措施，對過程用水進行重新分配和合理規劃，從而實現整個系統新鮮水消耗量最小和廢水產生量最小。水夾點技術側重于整個系統的用水分配優化，使整個用水系統的新鮮水用量和廢水排放量達到最小化。但其缺陷是難以獲得相關極限數據，只可作為一種節水思路來借鑒，工程應用難度較大。

(4)系統集成優化法在化工中的應用

水系統的過程集成優化法可采用水夾點分析法和數學優化配置法兩種理論模型。水夾點分析法適用于單組分雜質水網絡，數學優化配置法適用于多組分雜質水網絡。20世紀90年代后期人們對這方面的研究進入高潮，在工業上被逐步應用并取得較好的效益。由于節水集成優化技術在工業中的巨大潛在效益，國外好多公司都在致力于此方面的應用軟件開發。例如美國Aspen Tech公司的AspenWater商品化應用軟件以及英國LinnhoffMarch公司的水夾點應用軟件Water Target。

為了達到節水減排的最佳效果，通常采用水平衡測試、水系統集成優化和污水深度處理回用三步驟。在“水系統集成優化”這一環節，合理的回用措施、冷凝水回收系統及循環冷卻水系統的優化是主要內容[3]。

2 大型煤化工項目主要用水點分析

現代大型煤化工項目主要是以煤氣化工藝為龍頭生產合成氣，通過變換、凈化等工序后進一步合成下游產品。此類項目主要的用水點主要包括冷卻水系統補充水、除鹽水補充水及工藝用新鮮水。以煤制200萬噸/年甲醇制70萬噸/年烯烴為例，新鮮用水中生活及雜用用水約占3%，冷卻補水約占25%，除鹽補水約占55%，工藝用水約占20%，從新鮮用水量分配來看，除鹽水補水所占的比例較大，其次是冷卻水補水和工藝用水。表1和表2反映了全廠用水分布情況。

通過上述數據可知，在全廠生產過程中新鮮水量的消耗在總用水量中所占比例較低，新鮮水主要用于循環冷卻水系統及脫鹽水工段的補水和工藝用水。所以，節水的重點還需要放在循環冷卻水系統、制水系統以及工藝生產過程。

表1 全廠循環冷卻水量分布(m3/h)

表2 全廠用水供應

3 循環水系統節水

3.1 傳統開式循環水系統存在的問題

由于開式循環冷卻水系統中循環水在敞開的涼水塔內流動，會產生多種不利結果：

(1)冷卻塔內循環水與空氣接觸，溶解了空氣中大量的氧氣至飽和狀態。

(2)循環水與空氣接觸，外界的灰塵、泥沙及微生物等雜質會進入循環水并富集，最終在系統內沉積形成泥垢。

(3)水在涼水塔內與空氣換熱，會產生大量蒸發損耗，因水蒸發損耗的增加導致的鹽分濃度升高會增加鹽類物質在換熱部位結垢析出的趨勢。

(4)循環水中的溶解氧、鹽和污泥雜質會對循環水系統管道設備形成電化學腐蝕、垢下腐蝕等損壞。

(5)各種沉積物會使換熱設備的阻力降增大，會大幅增加輸送設備的能耗，同時顯著降低換熱設備的傳熱效率，造成企業運行成本增加及管道設備的加速老化。

3.2 閉式循環水系統的優勢

閉式循環水系統由于不接觸空氣，可解決循環水對設備及管道的腐蝕問題并減少結垢問題，有效提高換熱設備的換熱效率并節省維修費用。閉式循環系統與與開式循環冷卻系統相比具有如下優勢：

(1)閉式系統的噴淋水量較小，僅為循環水量的1/3至1/5，且在氣溫低于15℃時可以停用噴淋水，可大大減少蒸發水耗。系統排污量比開式系統大大降低，節水效果顯著。

(2)閉式循環冷卻水系統，循環水壓損很小，系統循環只需循環泵增加部分壓頭即可，可大大降低循環能耗。 而開式冷卻系統中，循環水的余壓全部消失，循環泵需從常壓開始加壓，這樣會大大增加循環系統的能耗。

(3)閉式循環系統只需處理噴淋水，可大大降低循環水處理量，降低管理成本和藥劑成本。

(4)閉式系統中沒有填料，維護簡單，運轉費用低[4]，開式循環系統的涼水塔填料一般2～3年需更換一次。

3.3 開式循環冷卻水系統節水技術

循環冷卻水系統要實現節水就要減少補水量和外排水量。目前，循環冷卻水系統的節水技術的研究主要是抑制腐蝕、控制結垢、控制黏泥和改善旁濾系統四個方面。其中，抑制腐蝕、控制結垢、控制黏泥是提高循環水濃縮倍數的主要研究內容。

目前循環水系統節水的主要途徑就是提高循環水的濃縮倍數。在開式循環冷卻水系統的冷卻塔中，外界雜質及氧氣的混入以及循環水不斷蒸發損耗濃縮，會使循環水中有害物質組分的增加從而導致水質的惡化。為了降低水質惡化對管道設備的危害，通常將循環冷卻水系統排出一部分廢水、補充一部分新鮮水來降低水中有害物質濃度。為了減少外排水和補充新鮮水用量，主要通過在系統中添加藥劑來提高循環水的濃縮倍數并維持系統的正常指標。因此，循環冷卻水的濃縮倍數越高外排水和新鮮補充水量就會越少，所以提高循環水的濃縮倍數可以達到節水的目的。循環冷卻水濃縮倍數主要還是看藥劑的性能，同樣添加量不同的藥劑所能達到的濃縮倍數不一樣。所以，要想得到較高的濃縮倍數就需要提高藥劑的性能，同時達到抑制腐蝕、控制結垢、控制黏泥的效果。

目前水處理常用的防腐藥劑主要有苯并三唑(BTA)、巰基苯并噻唑(MBT)和甲基苯并三唑(TTA)等。水處理緩蝕劑主要有銅緩蝕劑 N1336(異噻啉酮)和N7359(Zn-P混合物和有機物)兩種藥劑，它們能夠在設備表面形成致密的保護膜(Ca-HEDP、CaCO3、Zn(OH)2、Ca3(PO4)2及TT)，從而達到抑制管道和設備腐蝕的目的。

目前使用的阻垢劑主要有聚天冬氨酸類、木質素磺酸鈉類、有機磷類、聚環氧琥珀酸類、丙烯酸及丙烯酰胺類。有機磷類具有較好的緩蝕和阻垢作用，應用廣泛，但二次污染嚴重。高分子緩蝕阻垢劑以其緩蝕效果好、毒性小、熱穩定性高，使用條件限制少，是高效阻垢劑的發展方向。阻垢劑目前很多都采用單體投加使用，為了與其他緩蝕阻垢劑在性能上相配合以取得更好的效果，不同阻垢劑的復配使用正在被試驗和論證。

3.4 空冷技術

空冷是利用環境空氣對工藝流體進行冷卻(冷凝)的工業用熱交換設備?？绽湎到y相對于循環水冷卻系統，具有節水效果好、介質來源廣泛、運行維護費用低等優勢。目前空冷技術按照熱交換介質的接觸方式分為直接空冷及間接空冷。間接空冷包括采用混合式凝汽器的間接空冷系統和采用表面式凝汽器的間接空冷。直接空冷由于空氣比熱小通常不能把工藝流體冷卻到環境溫度，并且受環境溫度、地形及周邊建筑物分布等因素影響大，應用受到一定的限制。間接空冷結合了直接空冷與水冷的特點，大大改善了使用效果。大型煤化工項目中，空冷工段主要設置在大型蒸汽透平設備的冷卻及工藝流體的冷卻。由于工藝過程對流體溫度的要求較高，通常工藝流體的冷卻采用間接空冷的方式。目前空冷技術發展較為成熟，主要應用領域為電站鍋爐系統，在大型煤化工項目中的應用才開始逐步推廣，特別是間接空冷技術在大型煤化工項目中的應用更少。目前國內一些公司開發的閉式水膜循環空冷技術在間接空冷的基本原理基礎之上，結合煤化工工藝裝置的特點進行了優化，在部分煤化工項目中得到了應用。

表3 閉式水膜空冷循環技術節水效率

通過表3數據可以看出，閉式循環冷卻系統要比開始循環冷卻系統明顯節水，可大大降低冷卻水的補水量，在用水成本上明顯占有優勢。

4 污水回用

4.1 分質分級回用

目前大部分工廠都是將污水集中收集處理，部分中水進行回用。我們應該放棄原來的污水回用及處理理念，對污水進行分質分級回用和處理。所謂分質分級回用，就是根據污水的水質進行分級，將過程中產生的污水不經過處理或者只進行部分處理消除影響因素后回用到過程中。這樣可以大大減小污水處理系統的負荷，降低水處理系統的投資和運行費用，提高企業的用水效率。污水分質分級回用需要對污水系統整體進行規劃和梳理，對各用水點對水質的需求及影響因素進行綜合全面的分析，在了解各用水點對水質的要求基礎上進行合理的分級分配。

4.2 外排廢水的回用

廢水回用按污水水質的不同可分為清凈污水適度處理回用技術和達標排放污水的深度處理回用。達標排放污水的深度處理回用按處理后的水質又可分為制成中水(作為循環水補水)和制成脫鹽水(作為鍋爐上水)回用。當外排污水水質較差時，通常要用膜分離法去除各種污染物，采用最多的是雙膜法。即達標排放水經曝氣生物濾池、多介質過濾、超濾和反滲透單元，最終出水作循環水或者脫鹽水。但是，超濾膜和反滲透膜對進水水質的要求都比較苛刻，為了穩定進水水質不污染膜，通常都需要增加預處理單元。這種處理方式裝置投資和運行費用較高，投資回收期也很長，但社會效益高。

4.3 廢水回用存在的問題

制約污水回用率提高的原因主要是污水深度處理回用技術不夠成熟。隨著工業的發展，節能減排政策逐步收緊，對大型企業的噸產品耗水指標要求越來越高，因此廢水回用技術越來越受到重視。但從目前運行的情況來看，能夠維持長周期穩定運行的情況較少，大部分主要原因是因為膜容易被污染失效。從實際工程應用來看，污水回用裝置的投資大、投資回收期長，雖然社會效益好但沒有經濟效益，運行穩定性還不能完全保證。所以從長遠角度想要實現污水回用的社會效益和經濟效益還需要不斷的提高裝置的穩定性和降低投資成本。

5 節水管理

節水管理分兩個層次，第一個層次是政府管理層次，第二個層次是企業管理層次。長期以來，節水一直被認為是企業行為。隨著工業發展及水資源惡化，節水被提到了政府管理層面。2006年國務院公布了《取水許可和水資源費征收管理條例》，據專家估測我國水資源費全額征收量大約在200億元/年左右，這對于地方財政收入來說無足輕重，由于水資源費定價很低，所以一直沒有引起重視。從政府層面，應該加強對企業的取水及計量管理，合理定價，約束企業無節制的取水。對企業的單位產品水耗從政策上進行規范和引導，制定企業用水考核制度。

對于企業層次的節水管理，企業要完善節水管理制度并加強節水管理監督機制，加強用水的計量與考核，嚴格控制各裝置的用水指標。強化節水思想，牢固樹立節水觀念，使節水管理滲透到生產的每一個環節。對水汽輸送環節、制水環節、工藝水環節、循環水環節、蒸汽及冷凝液環節、生活水環節和污水回用環節提高管理，杜絕跑冒滴漏，防止水資源無謂的損失。提高裝置運行操作水平和循環水濃縮倍數，使循環水高效運行，防止循環水低效率運轉。

6 開發節水型工藝

煤化工的發展，開發節水型生產工藝是發展煤化工產業的當務之急。我國“十一五”期間出現了“煤化工熱”，富產煤炭的地區(如山西、陜西、內蒙古、新疆等)為了提高煤炭資源的附加值，要求資源占有企業實行煤炭開采就地轉化，以獲取最大附加值。目前，全國3000萬噸以上的大型煤炭企業幾乎都涉及煤化工產業，出現“逢煤必化”的高潮。應該清醒的認識到，煤化工是一種高能耗、高水耗、高CO2排放的產業，“十一五”期間處于“打通工業流程”階段，工藝尚未完全成熟，對于同樣的產品煤化工項目水耗指標與石油化工路線相比要高很多。煤制甲醇為10～15 t/t產品；間接法(F-T合成)煤制柴油為13.5 t/t產品；煤制烯烴為28～32 t/t產品。這些數據幾乎比石油化工路線獲得同樣產品高5～20倍[5]?！丁笆濉泵夯な痉俄椖考夹g規范》對煤化工用水指標作出了明確規定，單位產品新鮮水耗分別控制煤制合成氨不超過6t/t、煤制烯烴不超過22 t/t烯烴、煤制油間接液化不超過11 t/t油品、煤制天然氣不超過6.9 t/km3、煤制乙二醇不超過9.6t/t。這就為煤化工工藝的節水指標提出了明確要求。而富煤地區往往都是缺水地區，水資源大約僅為全國平均值的1/4～1/2，在“量水而行”的原則下，煤化工項目如何拿到水資源指標就成為首要問題。所以，開發節水型煤化工工藝是解決煤化工企業用水問題的重要課題。

7 結語

大型煤化工的節水工作對大型煤化工項目建設審批及運營的制約性已經非常的顯著。為了適應煤化工發展的新趨勢，從對環境的保護和資源充分利用的角度推進節水工作。必須從技術理論研究、工程設計及應用和運行管理三方面同時進行，不斷的累積經驗，將煤化工企業的用水量控制在合理的范圍內。

[1]Bagajewicz M.A review of recent design procedures for water networks in refineries and process plants[J].Computers& Chem,Engng.2000,24:2093-2113.

[2]Wang Y,Smith R.Watse Water minimization[J]. Chem Wang Y,Smith R.Watse Water minimization[J]Eng Science,1994,49(7):981-1006.

[3]楊友麒,莊芹仙.節水減排的過程系統工程方法[J].現代化工,2008,1(20):49-54.

[4]史永寧.大型煤化工項目閉式循環冷卻水系統設計探討[J].工業用水與廢水，2014,45(4):55-57.

[5]楊友麒,莊芹.煉油化工企業節水減排的進展和存在問題[J].化工進展,2012,12(5):34-38.