王 伯 瑜

(中國石油化工股份有限公司能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100728)

隨著人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源不足矛盾日趨嚴(yán)重，引起各國政府的高度重視。我國水資源不足已成為不爭事實(shí)，正在嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。特別是對被列入我國五大高耗水行業(yè)之一的石油化工行業(yè)，水資源成為企業(yè)生存和發(fā)展的瓶頸。因此，大幅降低水耗，是擺在煉化企業(yè)面前迫切需要解決的問題。實(shí)現(xiàn)污水回用、增加凝結(jié)水回收率、提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)、進(jìn)行工藝物料熱聯(lián)合，是煉化企業(yè)節(jié)水的關(guān)鍵途徑，可以大幅降低企業(yè)水耗，正在得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

1 煉化企業(yè)加工原油的取水和排污情況

1.1 國際先進(jìn)水平

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的增加，導(dǎo)致水資源供求矛盾和環(huán)境污染程度的加劇，引起發(fā)達(dá)國家的高度重視，從20世紀(jì)60年代開始就注意節(jié)水和減排，如美國1962年成功實(shí)現(xiàn)了城市達(dá)標(biāo)污水回用于工業(yè)企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，日本1972年也實(shí)現(xiàn)了城市污水回用。特別是作為用水和排污大戶的煉化企業(yè)，十分注意節(jié)水和減排，由于采用了凝結(jié)水回收技術(shù)、循環(huán)水高濃縮倍數(shù)運(yùn)行技術(shù)、污水回用技術(shù)、空冷技術(shù)等，使加工每噸原油的取水量和排污水量大幅降低，先進(jìn)水平的加工每噸原油取水量從煉油工業(yè)發(fā)展初期的大于4 t降低到0.5 t以下、排污水量從3 t降低到0.2 t以下，領(lǐng)先水平的加工每噸原油取水量和排污水量分別達(dá)到0.3 t和0.14 t，大幅降低了企業(yè)水耗和排污量[1]。

1.2 中國國內(nèi)企業(yè)

圖1 中國石化加工每噸原油的取水量和排污水量變化情況◆—取水量; ■—排污水量

在國內(nèi)，中國石油化工股份有限公司(簡稱中國石化)于2000年開始廣泛開展節(jié)水減排工作，到目前經(jīng)歷了提高認(rèn)識(shí)、管理節(jié)水、技術(shù)節(jié)水等幾個(gè)階段的工作，取得了顯著成效，大幅度降低了煉化企業(yè)取水量，加工每噸原油的取水量從1999年的最高5.4 t、平均2.4 t，降低到當(dāng)前的平均0.5 t以下，實(shí)現(xiàn)了增產(chǎn)不增水、增產(chǎn)降水的目標(biāo)，較好地緩解了企業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展與水資源不足之間的矛盾，并取得了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。圖1是中國石化2007年至2018年期間加工每噸原油的取水量和排污水量的變化情況。從圖1可以看出：中國石化加工每噸原油的取水量從2007年的0.70 t降低到2018年的0.47 t，降幅達(dá)到32.8%；排污水量從2007年的0.38 t降低到2018年的0.19 t，降幅達(dá)到50.0%。通過開展節(jié)水減排工作，中國石化加工每噸原油取水量和排污量總體呈不斷降低的趨勢。

2 節(jié)水潛力分析

煉化企業(yè)的節(jié)水和減排潛力可以對標(biāo)國際先進(jìn)水平或領(lǐng)先水平而得出。2018年中國石化煉化企業(yè)加工每噸原油的取水量為0.47 t、排污水量為0.19 t，而領(lǐng)先企業(yè)加工每噸原油的取水量為0.32 t、排污水量為0.07 t。與20世紀(jì)70年代國際取水領(lǐng)先企業(yè)相比，中國石化煉化企業(yè)加工噸原油取水量高56.7%、排污水量高35.7%；與2018年國內(nèi)取水領(lǐng)先企業(yè)相比，加工每噸原油的取水量和排污量分別高46.9%和171.4%，說明中國石化大部分煉化企業(yè)仍然具有較大的節(jié)水和減排潛力。

3 節(jié)水途徑

根據(jù)對典型煉化企業(yè)水耗統(tǒng)計(jì)分析，化學(xué)水系統(tǒng)水耗占比約50%、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)水耗占比約35%、工藝用水水耗占比約15%，化學(xué)水系統(tǒng)水耗最大，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)次之。因此，煉化企業(yè)要實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)水，降低化學(xué)水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水耗是關(guān)鍵。

3.1 進(jìn)行污水回用

根據(jù)對典型煉化企業(yè)取水和排污統(tǒng)計(jì)分析，污水量一般為本企業(yè)取水量的75%左右。為滿足國家和地方環(huán)保排放要求，中國煉化企業(yè)一般都建有獨(dú)立完整的污水處理系統(tǒng)，處理本企業(yè)的生產(chǎn)和生活污水，為企業(yè)污水回用創(chuàng)造了良好條件。如果煉化企業(yè)80%的達(dá)標(biāo)外排污水實(shí)現(xiàn)回用，可減少企業(yè)60%的總?cè)∷俊Ｓ捎诓煌貐^(qū)、不同水源的水中含鹽量差別較大，如長江流域及以南廣大地區(qū)的水源含鹽量較低，產(chǎn)生的污水含鹽量也較低，污水電導(dǎo)率一般小于1 200 μS/cm，水中含鹽量滿足一般水用戶的要求；黃河流域及“三北”廣大地區(qū)的大部分水源的含鹽量較高，產(chǎn)生的污水含鹽量也較高，污水電導(dǎo)率一般大于1 200 μS/cm，超過一般水用戶的要求。因此，對含鹽量較低的污水，應(yīng)首先考慮回用到對水質(zhì)要求較低的水用戶[2-4]，如循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等，這樣可以避免對污水進(jìn)行脫鹽處理，從而實(shí)現(xiàn)大幅減少污水回用設(shè)施的建設(shè)投資和運(yùn)行成本；對含鹽量較高的污水，應(yīng)首先進(jìn)行深度處理再進(jìn)行脫鹽[5-10]，生產(chǎn)準(zhǔn)一級脫鹽水，作為對水質(zhì)要求較高的鍋爐給水或其他水用戶，實(shí)現(xiàn)“高水高用”，緩解污水回用成本過高、增加企業(yè)用水成本矛盾。中國石化在這些方面已探索出很成功的經(jīng)驗(yàn)，如低含鹽達(dá)標(biāo)污水適度處理回用循環(huán)水技術(shù)、高含鹽污水深度處理脫鹽回用鍋爐水技術(shù)。

對電導(dǎo)率小于1 200 μS/cm、含鹽量較低的達(dá)標(biāo)污水，中國石化石油化工科學(xué)研究院在對企業(yè)進(jìn)行污水回用循環(huán)冷卻水失敗案例深入分析的基礎(chǔ)上，針對這類污水特性，以穩(wěn)定水質(zhì)為重點(diǎn)、結(jié)合改善水質(zhì)，研發(fā)出含鹽量較低的達(dá)標(biāo)污水適度處理回用循環(huán)冷卻水成套技術(shù)，成功解決了污水適度處理回用于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)帶來的微生物大量繁殖和設(shè)備腐蝕嚴(yán)重的技術(shù)難題，處理效果完全滿足生產(chǎn)裝置長周期運(yùn)行的要求，較好實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)污水低成本、低投入回用。該技術(shù)自2000年8月工業(yè)化運(yùn)行成功以來，已推廣到煉化企業(yè)50余套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，替代了循環(huán)冷卻水系統(tǒng)需要補(bǔ)充的新水，取得了巨大的節(jié)水、減排效益以及良好的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)已成為含鹽量較低的污水回用支撐技術(shù)。

對電導(dǎo)率大于1 200 μS/cm、含鹽量較高的達(dá)標(biāo)污水，中國石化北京燕山分公司在2004年和2007年分別建成了450 t/h煉油達(dá)標(biāo)污水和1 200 t/h化工達(dá)標(biāo)污水深度處理“雙膜”脫鹽回用裝置，生產(chǎn)準(zhǔn)一級脫鹽水回用到鍋爐系統(tǒng)。兩套裝置投入運(yùn)行后，每年生產(chǎn)約9 Mt準(zhǔn)一級脫鹽水，不但大幅降低了企業(yè)取水量，有效緩解了企業(yè)水資源不足的矛盾，而且也大幅減少了企業(yè)的排污水量，減輕了企業(yè)環(huán)保排污壓力。目前，中國石化煉化企業(yè)建有30余套達(dá)標(biāo)污水深度處理“雙膜”脫鹽裝置，該技術(shù)已成為含鹽較高的達(dá)標(biāo)污水回用支撐技術(shù)。

3.2 提高凝結(jié)水回收率

化學(xué)水系統(tǒng)耗水量占企業(yè)總?cè)∷康?0%，是企業(yè)水耗的第一大用戶，主要原因是蒸汽使用后產(chǎn)生大量的凝結(jié)水得不到有效回收，因此，提高凝結(jié)水回收率可大幅降低化學(xué)水系統(tǒng)的取水量。20世紀(jì)70年代凝結(jié)水回收率的國際先進(jìn)水平為75%，當(dāng)前中國石化領(lǐng)先水平達(dá)到了80%，平均水平接近40%，說明中國石化煉化企業(yè)在凝結(jié)水回收方面發(fā)展不平衡，大多數(shù)煉化企業(yè)的凝結(jié)水回收率仍然不高，與國際先進(jìn)水平或國內(nèi)領(lǐng)先水平相比，潛力還很大。如果將凝結(jié)水回收率從目前的平均水平提高到國際先進(jìn)水平，可以降低化學(xué)水系統(tǒng)取水量約40%、企業(yè)總?cè)∷考s20%，節(jié)水潛力巨大。

調(diào)查顯示，當(dāng)前制約凝結(jié)水回收率的主要原因是收集困難。由于煉化企業(yè)的生產(chǎn)裝置龐大而復(fù)雜，凝結(jié)水排放點(diǎn)很多且分布在裝置的各個(gè)地方，而每個(gè)排放點(diǎn)的水量又少，為每個(gè)排放點(diǎn)鋪設(shè)收集管道的投資和場地限制成為制約凝結(jié)水回收的瓶頸。因此，采用節(jié)水效果好的器具、減少排放點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)相對集中定點(diǎn)排放，是大幅提高凝結(jié)水回收率的關(guān)鍵。

另一方面，凝結(jié)水溫度較高(一般為70～95 ℃)，含有大量的顯熱。據(jù)測算，如果將凝結(jié)水中的顯熱與凝結(jié)水一并回收，不僅節(jié)水，而且節(jié)能，經(jīng)濟(jì)效益也非常好。但由于當(dāng)前缺少凝結(jié)水高溫除油除鐵技術(shù)，使凝結(jié)水中所含的大量顯熱得不到有效回收，影響凝結(jié)水回收的經(jīng)濟(jì)效益，也是凝結(jié)水回收率不高的一個(gè)重要原因。

3.3 提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)耗水量約占企業(yè)總?cè)∷康?5%，是企業(yè)水耗的第二大用戶，主要原因是運(yùn)行過程的排污水量和蒸發(fā)水量大，因此，提高濃縮倍數(shù)可以大幅降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水耗。表1是循環(huán)冷卻水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)與補(bǔ)充水量、排污水量及蒸發(fā)水量的關(guān)系。由表1可知，對于一個(gè)循環(huán)水量為10 000 t/h的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，當(dāng)濃縮倍數(shù)從3.0提高到5.0時(shí)，補(bǔ)充水量從166 t/h減少到138 t/h，節(jié)水28 t/h，節(jié)水率達(dá)到16.9%；排污水量從56 t/h降低到28 t/h，降低28 t/h，減排率達(dá)到50%。

表1 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)與補(bǔ)充水量、排污水量及蒸發(fā)水量的關(guān)系

當(dāng)前制約循環(huán)冷卻水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)提高的主要因素是水處理技術(shù)方案和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的條件。由于企業(yè)所處地域不同、使用的水質(zhì)不同，要求采用不同的水處理技術(shù)方案，才能實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)高濃縮倍數(shù)運(yùn)行。如對于硬度、堿度較高的“三北”地區(qū)的水，采用預(yù)處理技術(shù)方案可以將濃縮倍數(shù)提高到5.0以上，其他技術(shù)方案難以滿足高濃縮倍數(shù)運(yùn)行時(shí)生產(chǎn)裝置長周期運(yùn)行對水處理效果的要求。一些建設(shè)較早、投入運(yùn)行時(shí)間較長的煉化企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念較落后、裝置老化、給回水溫差偏小、系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)封閉運(yùn)行等方面的原因，即使不強(qiáng)制排污，濃縮倍數(shù)也提不上去。因此，對這些不能實(shí)現(xiàn)高濃縮倍數(shù)運(yùn)行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)改造，消除制約濃縮倍數(shù)提高的系統(tǒng)因素，如：加強(qiáng)管理，杜絕跑冒滴漏，使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)封閉運(yùn)行；提高循環(huán)水給回水溫差，將溫差提高到8 ℃左右；降低循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的保有水量與循環(huán)水量的比值(V/R比)，將V/R比降低到(1∶3)～(1∶4)；采用節(jié)水型旁濾器，降低反沖洗水耗等。

3.4 廠區(qū)雨水利用

煉化企業(yè)占地面積大，一般占地幾平方千米或十幾平方千米，每年能夠收集到大量雨水，特別是多雨的廣大南方地區(qū)的煉化企業(yè)，每年可以收集到數(shù)十萬噸至上百萬噸雨水。除初期含油量較高外，雨水水質(zhì)一般較好，明顯優(yōu)于達(dá)標(biāo)污水，一般只需經(jīng)過簡單的除油處理，水質(zhì)即可滿足回用循環(huán)冷卻水、消防水、廠區(qū)綠化用水或其他水用戶的要求。廠區(qū)雨水利用具有投入少、成本低、見效快的顯著特點(diǎn)，對降低煉化企業(yè)取水量和取水成本意義重大，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，中國石化的一些煉化企業(yè)在雨水收集和利用方面已經(jīng)積累了較豐富的成功經(jīng)驗(yàn)。因此，應(yīng)大力加強(qiáng)和推廣廠區(qū)雨水的收集和利用。

3.5 提高工藝物料的熱聯(lián)合程度

煉化工藝過程十分復(fù)雜，一些熱物料需要進(jìn)行冷卻降溫，一些冷物料需要加熱提高溫度。如果用需要加熱的冷物料冷卻需要降溫的熱物料，即冷、熱物料實(shí)現(xiàn)熱量互換，即為熱聯(lián)合。工藝物料熱聯(lián)合不僅可實(shí)現(xiàn)無水冷卻，實(shí)現(xiàn)冷卻水的零使用，而且可以使大量的低溫?zé)岬玫接行Ю?，從根本上?shí)現(xiàn)節(jié)水和節(jié)能，是最佳的節(jié)水、節(jié)能工藝。

當(dāng)前煉化企業(yè)對溫度較低的熱物料一般采用循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻，因此一個(gè)企業(yè)循環(huán)冷卻水使用量的多少可以間接反映其工藝裝置的熱聯(lián)合程度。通過對典型煉化企業(yè)使用循環(huán)冷卻水量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，熱聯(lián)合程度較低的裝置加工每噸原油約需要使用51 t循環(huán)冷卻水，熱聯(lián)合程度較高的裝置加工每噸原油僅需使用18 t循環(huán)冷卻水，兩者的循環(huán)冷卻水使用量相差33 t。如果按照當(dāng)前補(bǔ)水量一般占循環(huán)冷卻水量的1.3%、循環(huán)水泵輸送1 t循環(huán)水耗電0.225 kW·h、涼水塔風(fēng)機(jī)冷卻1 t循環(huán)水耗電0.05 kW·h、水價(jià)2.5元/t、電價(jià)0.5元/(kW·h)計(jì)算，每加工1 t原油，熱聯(lián)合程度較高的裝置較熱聯(lián)合程度較低的裝置少取水0.43 t、減少動(dòng)力用電9.1 kW·h、降低電費(fèi)和水費(fèi)支出共5.6元。對于一個(gè)千萬噸級煉油廠，熱聯(lián)合程度高的裝置較熱聯(lián)合程度低的裝置，每年可節(jié)水4.3 Mt，節(jié)電9.1×107kW·h，節(jié)支大于5 600萬元。

提高煉化工藝過程的熱聯(lián)合水平，在技術(shù)上不難實(shí)現(xiàn)，主要是增加一些管線及管線投資。因此，在今后的技術(shù)改造和新建裝置的設(shè)計(jì)中，應(yīng)大力采用熱聯(lián)合程度高的工藝技術(shù)，從源頭上實(shí)現(xiàn)節(jié)水和節(jié)能。

3.6 采用海水間接冷卻技術(shù)

海平面以下的海水溫度一般為18 ℃，比較適合作為循環(huán)冷卻水的冷媒使用。海水間接冷卻技術(shù)是采用如圖2所示的工藝流程，將溫度較低的海水與經(jīng)過換熱的循環(huán)冷卻水在間接換熱器中進(jìn)行換熱，對熱的循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻，冷卻后的循環(huán)冷卻水再送回生產(chǎn)裝置冷卻工藝物料，而后將升溫后的海水返回到大海。該工藝一方面避免循環(huán)冷卻水系統(tǒng)消耗大量的淡水資源，節(jié)水效果十分突出；另一方面避免了工藝物料泄漏對海水的污染，以及需要對當(dāng)前循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改造，技術(shù)優(yōu)勢明顯。因此，該技術(shù)在國外沿海地區(qū)的煉化企業(yè)得到了成功應(yīng)用。中國石化地處沿海的煉化企業(yè)，不僅水價(jià)昂貴，而且面臨十分嚴(yán)峻的水資源不足問題，因此其循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應(yīng)該積極采用海水間接冷卻技術(shù)，大幅實(shí)現(xiàn)節(jié)水和節(jié)支。

圖2 海水間接冷卻系統(tǒng)示意

4 結(jié) 論

(1) 中國石化經(jīng)過近20年的節(jié)水和減排工作，取得了顯著進(jìn)步，加工每噸原油取水量和排污水量實(shí)現(xiàn)大幅降低，但對照國際和國內(nèi)領(lǐng)先水平，仍具有較大的節(jié)水和減排潛力。

(2) 污水回用可大幅降低煉化企業(yè)的取水量和排污水量，其中達(dá)標(biāo)污水適度處理回用技術(shù)適用含鹽量較低的污水，達(dá)標(biāo)污水深度處理脫鹽技術(shù)適用含鹽量較高的污水，應(yīng)根據(jù)污水含鹽量高低選擇污水回用技術(shù)路線。

(3) 提高凝結(jié)水回收率和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)，可分別大幅降低化學(xué)水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的取水量和排污水量。

(4) 提高生產(chǎn)裝置工藝物料的熱聯(lián)合程度，不僅可從根本上實(shí)現(xiàn)無水冷卻，而且可實(shí)現(xiàn)顯著節(jié)能，不但社會(huì)效益顯著，而且經(jīng)濟(jì)效益也非常顯著。

(5) 海水間接冷卻技術(shù)可大幅降低煉化企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的取水量和排污水量，適合沿海煉化企業(yè)采用。