高小龍(神華包頭煤化工有限責任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

煤化工項目水平衡、節(jié)水方案探討和研究

高小龍(神華包頭煤化工有限責任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

通過研究對某煤化工項目水平衡方案進行整體優(yōu)化，采用先進的節(jié)水工藝，減少工業(yè)生產(chǎn)水用量，進行污水的深度處理，提高回用率、降低廢水排放，盡量減少末端廢水量。通過課題的研究可以實現(xiàn)降低煤化工項目噸產(chǎn)品水消耗。

水平衡;節(jié)水方案;減排回用

0 引言

某煤化工項目是我國乃至世界第一套商業(yè)化運行的裝置，該煤化工項目取得了建設周期短、投料試車一次成功、開車即實現(xiàn)盈利并轉入商業(yè)化運行的優(yōu)異成績。該煤化工項目于2010年打通全流程，生產(chǎn)出合格聚乙烯和聚丙烯產(chǎn)品，經(jīng)過一年多的生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，生產(chǎn)每噸產(chǎn)品耗水在29.9噸，年用水量高達1800萬立方米，廢水排放量400萬立方米。

研究的背景:某煤化工項目于2010年開車成功，經(jīng)2011年商業(yè)化運行的檢驗，項目耗水量大成為突出問題，從多方入手控制和節(jié)約用水是煤化工項目長遠發(fā)展必須要解決的迫切任務，降低運行裝置的耗水、加大廢水回收利用率是節(jié)水的兩條途徑。

污水處理及回用裝置對于污水達標排放及廢水再利用發(fā)揮了重要作用，生產(chǎn)污水經(jīng)處理后回用于生產(chǎn)，但回用系統(tǒng)仍然產(chǎn)生接近35%濃水，外排廢水水質達不到日益提高的環(huán)保要求；此外，煤化工項目污水成分較復雜，給污水處理系統(tǒng)液下動力設備長周期運行帶來很多困難，需進一步研究解決。

研究的目的和意義:通過研究對某煤化工項目水平衡方案進行整體優(yōu)化，采用先進的節(jié)水工藝，減少工業(yè)生產(chǎn)水用量，進行污水的深度處理，提高回用率、降低各單元廢水排放，盡量減少末端廢水量，可以實現(xiàn)降低煤化工項目噸產(chǎn)品水消耗。通過研究對某煤化工項目工業(yè)水用量、中水回用率、廢水排放量的分析進行水平衡測試，確定節(jié)水方向，進而研討各種先進節(jié)水技術的可行性，通過在煤化工項目的各個環(huán)節(jié)運用節(jié)水技術降低綜合用水量和提高中水回用率。

1 研究的內(nèi)容

1.1 煤化工項目工業(yè)水消耗現(xiàn)狀

某煤化工項目設計產(chǎn)能為180萬噸/年煤制甲醇裝置、60萬噸/年甲醇制烯烴(MTO)裝置、30萬噸/年聚乙烯裝置、30萬噸/年聚丙烯裝置、24萬標立方米(氧氣)/小時空分裝置，并配套建設3臺410噸/小時高壓蒸汽鍋爐和100MW抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機組。全廠耗水量較大,通過對全廠用水數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以了解到全廠用水情況。

(1)2015年1月至2015年12月全廠生產(chǎn)水用量分布情況

從生產(chǎn)水用水分布圖可以看出生產(chǎn)裝置和循環(huán)水裝置是生產(chǎn)水的用水大戶，平均占到全廠生產(chǎn)水用水量的63%和31%。

(2)2015年7月全廠的生產(chǎn)水消耗分布情況

從7月份的生產(chǎn)水消耗情況看循環(huán)水裝置生產(chǎn)水的消耗占到全廠用水量的38%以上。2015年1-7月份循環(huán)水裝置補充回用水3196659噸，循環(huán)水裝置補水量共計達到6446107噸，其中蒸發(fā)損失達到80%，20%的水量作為排污水進行排放。另外氣化裝置生產(chǎn)水的消耗占全廠生產(chǎn)水用水量的5%，在公司各裝置生產(chǎn)水消耗中占第三位。

1.2 煤化工項目的水平衡

水作為工業(yè)生產(chǎn)中的原料和載體，在任何用水單元(設備或裝置)內(nèi)都存在著水量平衡關系。通過對各用水單元的實際測試、統(tǒng)計、分析得出水量平衡關系，確定各用水單元的水量值，根據(jù)其平衡關系分析用水合理程度的過程，稱之為水平衡測試，各用水單元或系統(tǒng)的輸入水量之和應等于輸出水量之和。

水平衡測試對于一個工廠在使用水、管理水的科學性、前瞻性方面具有重要意義。因此煤化工項目水平衡工作的開展可以達到以下六個目的。

(1)摸清煤化工項目用水現(xiàn)狀：煤化工有多少單元在用水，用水的水量、水網(wǎng)分布狀況，用水管線有無計量儀表以及儀表使用情況，各單元裝置的用水設備等。

(2)進行合理化用水分析，為煤化工項目深度開展節(jié)水工作提供數(shù)據(jù)支撐，對收集的資料、數(shù)據(jù)等進行整理、計算、分析，找出節(jié)水工作的突破口。

(3)針對煤化工企業(yè)工藝流程長，工業(yè)用水使用廣的特點，分單元建立用水檔案，做到管理人員熟悉本單元用水狀況。

(4)為編制煤化工項目工業(yè)產(chǎn)品供水、排水定額標準積累基礎數(shù)據(jù)。

(5)為煤化工項目用水系統(tǒng)性優(yōu)化提升做好數(shù)據(jù)保障，通過全廠水平衡圖，采用可靠的技術及先進的管理優(yōu)化用水網(wǎng)絡，使煤化工項目水耗進一步降低。

(6)為煤化工項目編制節(jié)能減排方案提供數(shù)據(jù)，根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)，工廠可以有針對性的對回用水的產(chǎn)水率、全廠蒸汽冷凝液的回用、循環(huán)水塔的結構形式等方面提出可靠的方案。

某煤化工項目2015年1月至12月全廠消耗工業(yè)水16962973噸。根據(jù)水平衡測試，對基層生產(chǎn)單位煤氣化裝置、凈化裝置、硫磺回收裝置、甲醇裝置、烯烴裝置、聚乙烯裝置、聚丙烯裝置，輔助生產(chǎn)裝置(熱電站、凈水場、循環(huán)水場、污水處理場)及公司所有附屬單位、機關職能部門及直屬部門的用水數(shù)據(jù)分析，煤氣化裝置和循環(huán)水裝置是主要消耗主體，雖然中水回用率達到65%，但仍然有500m3/h的廢水進行排放。

1.3 煤化工項目水消耗分析

根據(jù)煤化工項目運行情況可以看出，循環(huán)水、化學水裝置及氣化裝置是用水大戶。循環(huán)冷卻水用量由部分生產(chǎn)水和回用水組成供給，僅生產(chǎn)水補水量就占到全廠取水量的31%，夏季高溫季節(jié)接近40%；煤氣化裝置用水量占全廠取水量的5%，而且產(chǎn)生的廢水成分復雜，處理難度大?；瘜W水裝置用水量雖大，但是其產(chǎn)水主要供給其他生產(chǎn)裝置，自身耗水量不大。

建立循環(huán)水裝置節(jié)水措施，減少補水量，同時采取先進工藝降低生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)水用量，加大污水處理技術和深度回用技術的研究，降解廢水COD和氨氮等污染物質，提高回用率是煤化工項目節(jié)水的重要途徑。

2 煤化工項目的節(jié)水路線

煤化工項目要降低工業(yè)水消耗、減少排放是一項復雜的系統(tǒng)工程，要從全廠層次進行用水、排水的統(tǒng)一規(guī)劃，采取有效措施降低各用水系統(tǒng)污水的產(chǎn)生量。根據(jù)各用水系統(tǒng)對水質水量的要求和特點，實現(xiàn)水的梯級使用，在此基礎上再采取適當?shù)奶幚矸绞交赜酶黝愇鬯M量減少末端廢水量，最終實現(xiàn)全廠廢水零排放。針對煤化工項目的節(jié)水路線，從下面幾個方面進行了研究和探討。

(1)煤化工項目設計應首先考慮節(jié)水，其次考慮水的回用，從工藝選擇、設備選型上優(yōu)先考慮，同時對于使用后的廢水要考慮新的可靠工藝進行回收再利用。例如氣化裝置可采用兩種煤氣化方法進行設計配置，采用魯奇氣化產(chǎn)生廢水，采用多噴嘴對置式水煤漿技術的氣化裝置用水來源可以為魯奇氣化技術的廢水，工藝的互配就達到了節(jié)水的目的。

(2)空氣冷卻與傳統(tǒng)的水冷卻相比，節(jié)水明顯。由于空冷占地大、投資大，許多工程設計由于不愿意加大投資，放棄采用空冷器和優(yōu)化換熱網(wǎng)絡等節(jié)水措施，大量采用循環(huán)水冷卻，導致實際生產(chǎn)中噸產(chǎn)品耗水量大幅上升。業(yè)內(nèi)人士介紹，經(jīng)過論證，如果煤化工項目能夠全面應用空冷技術，其循環(huán)冷卻水量將減少50%～70%，總取水量將減少30%～50%。

(3)采用先進的工藝技術對生產(chǎn)污水進行三級處理。煤化工生產(chǎn)工藝流程復雜，工藝污水中的污染成分也十分復雜，主要特點是COD、氨氮高，有毒有害物質濃度高、B/C比低，較難生化處理。因此，針對煤化工生產(chǎn)污水水質特點，選擇適宜的物化預處理、生化處理，增加混凝澄清及高級氧化深度處理工藝是煤化工污水處理探討研究的工藝路徑，污水處理系統(tǒng)要滿足污水達到排放標準和后續(xù)回用處理工藝進水水質要求。

(4)采用適宜的膜技術回收清潔廢水，使回用率提高至75%以上。經(jīng)過膜處理回用后，系統(tǒng)出水仍有少量含鹽量更高的末端廢水需處理。這種高含鹽量的末端廢水采用常規(guī)的工藝很難回收，必須考慮采用新工藝進行處理，深度脫鹽后，淡水回收利用，少量濃鹽水采取特殊工藝處理，爭取實現(xiàn)真正的零排放。

3 研究和探討的具體成果

3.1 煤化工項目工藝優(yōu)化節(jié)水的研究

煤化工工藝中關鍵的氣化部分工藝形式很多，水煤漿氣化爐采用半封閉式供煤、濕法磨煤以及氣流床氣化，全過程污染輕微，氣化和變換都不耗用蒸汽，磨煤漿可以利用含醇污水，而且產(chǎn)生的廢水量少，廢水中的特征污染物單一，廢水中的COD僅200～760毫克/升，易于生化處理。有相關研究，水煤漿氣化1噸煤摻水大約0.66噸，完全可以利用系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水，大型煤化工項目選擇水煤漿氣化技術治污節(jié)水節(jié)能明顯；魯奇爐氣化產(chǎn)生的廢水COD在3500～23000毫克/升，廢水中含的污染物成分復雜，產(chǎn)生的水量大，治理難度大、成本高。

將水煤漿氣化爐與魯奇爐進行組合優(yōu)化設計，可以使魯奇爐工藝的廢水供給水煤漿氣化爐工藝進行消耗，如年產(chǎn)40億標準立方米天然氣項目，可采用兩種煤氣化方法進行設計配置，其中13.333億標準立方米天然氣采用魯奇氣化，廢水排放量557噸/時；26.667億標準立方米天然氣采用多噴嘴對置式水煤漿氣化，水煤漿制備需用水約500噸/時。水煤漿氣化制漿用水恰好消耗掉魯奇氣化的廢水，這樣不僅可以對水量進行平衡、循環(huán)利用，而且省去污水治理費用。

煤化工項目同樣可以采取多種氣化形式相結合的工藝，達到節(jié)約用水、減少廢水產(chǎn)生量的目的。

3.2 煤化工項目采用節(jié)水設備的研究

在煤化工行業(yè)，直接循環(huán)冷卻水用量最大可占到取水量的40%左右，而蒸發(fā)損失是循環(huán)冷卻水的主要損失方式，采用空冷技術可以大大減低循環(huán)水蒸發(fā)損失。將傳統(tǒng)的水冷卻改為空冷技術將是今后煤化工項目的選擇方向。

空冷方式較水冷方式的基礎建設和設備投資較大，煤化工企業(yè)受投資的影響多選擇循環(huán)水冷卻，但隨著水資源的日益緊張空冷技術必將成為今后煤化工行業(yè)不得不考慮的冷卻方式?？绽淅鋮s方式是以環(huán)境空氣作為冷卻介質，風機強制空氣橫掠翅片管外，使管內(nèi)高溫工藝流體得到冷卻或冷凝的。

空氣冷卻與傳統(tǒng)的水冷卻相比，節(jié)水明顯。研究表明，煤化工的合成工序和空分工序的壓縮機組完全適合采用空冷工藝，如果空冷技術在煤化工裝置廣泛運用可以使循環(huán)冷卻水量降低50%～70%，總取水量將減少30%～50%，當工業(yè)水價格高于3元/噸時，空冷冷卻不僅降低了取水量，而且運行費用低于循環(huán)水冷卻的運行費用，隨著水資源的緊缺工業(yè)水價格必將大幅上漲，空冷技術的優(yōu)勢會逐漸顯現(xiàn)。

3.3 優(yōu)化煤化工項目污水處理工藝的研究

某煤化工項目采用A/O和BAF組合工藝對生產(chǎn)廢水進行生化處理。經(jīng)過調(diào)研，在實際運行中甲醇制烯烴反應生成乙烯和丙烯的過程產(chǎn)生大量含有甲醇、二甲醚、油品等有機物質的廢水，同時在氣化工藝產(chǎn)生的廢水表現(xiàn)出硬度高、氨氮高，造成系統(tǒng)結垢，嚴重影響設備正常運行，氨氮對生化系統(tǒng)沖擊較大，這些都增加了污水處理的難度。

為去除甲醇制烯烴反應生成水中含有的大量有機物和催化劑顆粒，可以進行油水分離改造，使大量油類物質從MTO凈化水中分離出來，COD能降低至400～800mg/L。

氣化裝置污水含有較高濃度的鈣鎂離子，并含有大量的無機物，硬度較高，在污水系統(tǒng)結垢對污水生化系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的威脅，致使生化系統(tǒng)曝氣裝置效率衰減較快，建設石灰軟化系統(tǒng)對氣化污水進行降濁除硬，能夠保障后續(xù)的生化系統(tǒng)穩(wěn)定運行，延長污水處理系統(tǒng)液下設備和曝氣裝置的使用壽命，提高氧的利用率，保障了污水裝置處理水質指標。

煤化工項目中氣化裝置外排污水中COD為1000～1200mg/L、氨氮為250～450mg/L，增設脫氨塔系統(tǒng)可以脫除氣化污水中的部分氨氮，減輕對污水處理裝置的沖擊。

煤化工污水是一種高氨氮，高硬度的污水，應該采用軟化+脫氮+A/O+BAF組合工藝，以從根本上解決液下設備、管線和O池曝氣管結垢的問題。

3.4 提高回用水回收率的研究

煤化工項目實現(xiàn)了中水回用，但中水回用裝置的回收率達到65%，仍然有近500m3/h的濃鹽廢水排放，對于反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生的濃鹽水如何進一步的處理回用，并對分離的鹽分資源化利用，從而提高水的利用率，減少或不再排放廢水量和化學耗氧量(COD)總量在煤化工項目的綜合節(jié)水路線中具有重要意義。

經(jīng)過理論研究和實際考察確定了四種濃鹽廢水深度處理的工藝：

(1)活性炭吸附+雙膜濃縮+多效蒸發(fā)器蒸發(fā)濃縮

工廠廢水通過管線進入活性炭吸附罐，降低一部分有機物，活性炭吸附罐的出水再通過雙膜濃縮后便能回收約55%的水作為循環(huán)水系統(tǒng)的補水，剩余的高含鹽廢水可以進入多效蒸發(fā)器進一步處理，處理后的濃液可進一步結晶處理等。

(2)臭氧氧化+TMF(管式膜組件去除硬度)+RO系統(tǒng)+臭氧氧化+BAF曝氣生物濾池

選擇具有強氧化性的臭氧氧化工藝來降低COD濃度，然后采用TMF軟化工藝降低硬度。出水滿足進入濃鹽水處理裝置RO系統(tǒng)的進水水質要求。濃鹽水處理裝置排放的濃水COD濃度達不到排放的標準，因此需要再次進行臭氧氧化，并結合BAF生化工藝處理，以達到COD排放的總量目標和排放濃度限值目標。

(3)高效生物反應器處理系統(tǒng)

高效生物反應器采取針對難降解COD(BOD5/COD＜0.2)的特效生物菌群，將其接種于特殊的高效生物載體上，形成穩(wěn)定并可耐受多種底物作為能量來源的生物膜。在好氧條件下，通過高效生物接觸氧化，將反滲透濃水中的難去除COD進一步生物降解，最終合成微生物內(nèi)源物質或用于代謝，從物質上消除水中的有機物。高效生物技術能夠常態(tài)維持生物量處于較高濃度，掛膜成功后即使在入水營養(yǎng)貧瘠且無額外補充營養(yǎng)源的情況下，依然能利用水中難降解COD作為維持細菌穩(wěn)定性與生物活性的能量來源，從而持續(xù)對水中COD去除。

(4)高效電滲析脫鹽技術

高效電滲析技術是一種利用電能除去溶液中的可溶的礦物質離子的先進水處理技術。主要由預處理系統(tǒng)和高效頻繁倒極電滲析系統(tǒng)。其中預處理系統(tǒng)由加酸系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)組成。進水經(jīng)過預處理夠進入高效電滲析裝置后，進水被分離成產(chǎn)品水和系統(tǒng)濃水。通過中試試驗裝置可以看出通過高效電滲析技術可以將反滲透濃水的電導率從4000～8000uS/cm降低到1000uS/cm以下。

在研討最適宜的濃鹽廢水深度處理的同時，致力于開發(fā)一種綜合節(jié)能管理系統(tǒng)，節(jié)能管理軟件可以優(yōu)化裝置運行，達到提升水資源利用率的目的。通過論證綜合節(jié)能管理系統(tǒng)建設，可以通過節(jié)電、節(jié)水及降低藥劑消耗達到綜合節(jié)約能耗10%以上。

依據(jù)以上節(jié)水路線的研究結果，采取了現(xiàn)場試驗的方式利用一種先進的電滲析技術對某煤化工項目的含鹽廢水進行了深度處理研究，在不添加化學藥品和無需常規(guī)化學清洗的情況下仍能保證連續(xù)產(chǎn)水，且達到了理想的效果。電滲析技術試驗的產(chǎn)水電導率穩(wěn)定控制在500～800uS/cm范圍。高效電滲析的產(chǎn)水已達到甚至優(yōu)于煤化工取水水源黃河水，可以作為循環(huán)水系統(tǒng)的補水，甚至于進一步處理后作為熱電化學水的補水。

4 結論和建議

4.1 結論

煤化工行業(yè)要實現(xiàn)減少工業(yè)水用量，降低噸產(chǎn)品水消耗，是一項復雜的系統(tǒng)工程，要從各個環(huán)節(jié)入手，通過優(yōu)化水平衡，節(jié)制浪費，規(guī)范排放等管理手段減少原水取水量。通過各種先進的節(jié)水技術減少廢水產(chǎn)生和排放，努力提高污水回用率。

在目前的經(jīng)濟形勢下，首先應該從觀念上建立節(jié)水的意識，通過工藝優(yōu)化，技術管理，生產(chǎn)平衡等方方面面開展節(jié)水的深入研究，確保煤化工項目的水耗進一步降低，為行業(yè)發(fā)展提供技術保障。

通過研究，掌握了某煤化工項目的水平衡，通過新技術和新工藝的運用，可以降低循環(huán)水裝置水消耗、提高污水處理的出水水質并增加處理能力、提高回用水回收率并進一步深度處理回用濃鹽水。將研究成果運用到煤化工項目中，成為今后煤化工項目的適用技術、科學標準，推進煤化工節(jié)水減排,在研究階段,建立完善的水樣數(shù)據(jù)庫,循環(huán)水運行數(shù)據(jù)庫，開發(fā)出高效、經(jīng)濟、適用的污水處理技術與回用工藝。

通過研究可以實現(xiàn)煤化工項目噸產(chǎn)品水消耗的大幅降低。

4.2 建議

根據(jù)對各類不合理用水因素的分析，采取相應的行政和技術措施，在項目設計的同時采用節(jié)水技術，制定節(jié)水計劃和規(guī)范，實現(xiàn)全員參與。

按照單元裝置推動節(jié)水項目的小改造，新思路；迅速推動能夠立竿見影，迅速見效的環(huán)保項目啟動，統(tǒng)籌規(guī)劃節(jié)水工程，要定出時限，實行目標責任制。

[1]楊志嘉.能源計量與水平衡測試[J].中國計量,2011,07.

[2]程相龍，郭晉菊，曹敏，王蘭甫，陳琳方.影響我國煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素分析[J].中外能源,2016,02:15.

[3]張欣剛.煤化工項目節(jié)水設計亟待提升[N].中國化工報,2011-01-12.

[4]陳海濱.煤化工反滲透濃鹽水處理和回用探討[J].神華科技,2012,07:26.

高小龍(1982- )，男，工程師，多年從事公用工程系統(tǒng)技術管理工作，對全廠儲運系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)有一定研究。