(神華包頭煤化工有限責(zé)任公司公用工程中心 ，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

水資源在煤化工產(chǎn)業(yè)中扮演著重要的角色，其主要功能體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：工藝用水參加化學(xué)反應(yīng)、循環(huán)冷卻水蒸發(fā)或“跑、冒、滴、漏”損失需要的系統(tǒng)補(bǔ)水、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)指標(biāo)超高時(shí)須進(jìn)行的必要排污后的補(bǔ)水、脫鹽水補(bǔ)充水、生產(chǎn)必須的沖洗水、工廠生活用水等。

對(duì)于上述水資源用途進(jìn)行分析和思考，其中工藝參加化學(xué)反應(yīng)用水、脫鹽水補(bǔ)充水、生產(chǎn)必須的沖洗水等是由煤化工工藝路線決定，在工藝路線不發(fā)生重大改進(jìn)和變革的前提下，要進(jìn)行水資源優(yōu)化利用的降耗程度不大，對(duì)煤化工行業(yè)整體水資源消耗水平的降低不能起到明顯的作用，而工藝路線發(fā)生重大改進(jìn)和變革往往意味著現(xiàn)有工廠設(shè)備設(shè)施的廢棄，重新投入大量人力物力進(jìn)行裝置二次建設(shè)，因此通過主工藝路線變革來達(dá)到節(jié)水降耗的目的對(duì)現(xiàn)有工廠意義不大；生活用水的水資源消耗量取決于化工廠的人員數(shù)量，而且生活用水在整個(gè)煤化工工廠用水量中所占比例極小，基本可以忽略；而循環(huán)冷卻水蒸發(fā)或“跑、冒、滴、漏”損失時(shí)需要的系統(tǒng)補(bǔ)水和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)指標(biāo)超高時(shí)需進(jìn)行的必要排污后的補(bǔ)水在煤化工工廠用水量占比較高，而且通過改進(jìn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行狀況對(duì)降耗挖潛有較大的幫助。

1 應(yīng)用實(shí)例

以我國(guó)西部黃河流域某60萬t/a煤制烯烴項(xiàng)目為例，其穩(wěn)定運(yùn)行1年實(shí)際統(tǒng)計(jì)的水量消耗見表1。

表1 60萬t/a煤制烯烴項(xiàng)目的水量消耗

從上表可以看出，循環(huán)水補(bǔ)水量占煤制烯烴水消耗總量31.9%，如果能夠?qū)⑦@部分耗水進(jìn)行有效控制，將對(duì)煤制烯烴用水單耗下降起著關(guān)鍵作用。

2 循環(huán)水用水量控制措施

2.1 循環(huán)水蒸發(fā)水量控制

以上述我國(guó)西部黃河流域某60萬t/a煤制烯烴工廠為例，此工廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)循環(huán)水量12萬t/h，共設(shè)計(jì)24間機(jī)械通風(fēng)開式冷卻塔，此循環(huán)冷卻系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)指標(biāo)見表2。

表2 循環(huán)冷卻系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)指標(biāo)

當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁刈罡咴路菁性?～9月，且平均最高溫度為30℃，10月～來年4月溫度較低，最低平均溫度為-17℃。經(jīng)過多年的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)總結(jié)，在上游裝置100%負(fù)荷，當(dāng)環(huán)境溫度高于10℃時(shí)，循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)基本需要全部開啟，通過大量的蒸發(fā)散熱才能滿足循環(huán)水供水溫度要求；當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，循環(huán)水冷卻塔風(fēng)機(jī)不需要全部開啟，部分冷卻塔通過自然通風(fēng)即可滿足生產(chǎn)需求；當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)，須將部分冷卻塔停用，增大冷卻塔淋水密度，預(yù)防冷卻塔填料結(jié)冰。

針對(duì)目前采用的機(jī)械通風(fēng)開式冷卻塔，可以通過改造增加空冷翹片等措施，減少循環(huán)冷卻水與環(huán)境的接觸面積，將冷卻水傳熱方式通過空冷翹片變?yōu)榕c環(huán)境的間接傳熱，達(dá)到根據(jù)環(huán)境溫度變化采取不同的冷卻措施進(jìn)行降溫的效果，進(jìn)而降低單純依靠蒸發(fā)降溫而帶來的水量損失。冷卻塔工作原理見圖1。

圖1 冷卻塔工作原理

通過改造，在高溫天氣情況下，循環(huán)回水全部通過上塔線進(jìn)入冷卻塔填料進(jìn)行蒸發(fā)冷卻降溫，以滿足供水溫度要求；當(dāng)環(huán)境溫度下降后，可以減少通過冷卻塔填料的水量，增加進(jìn)入空冷設(shè)備的水量，通過環(huán)境溫差進(jìn)行間壁式換熱，對(duì)循環(huán)冷卻水進(jìn)行間接冷卻，同樣可以達(dá)到降低循環(huán)水溫度的效果，同時(shí)減少因蒸發(fā)散熱帶來的大量蒸發(fā)損耗。

此種類型冷卻塔目前已經(jīng)在多家大型化工企業(yè)成功應(yīng)用，尤其在西北、東北、華北等氣候濕度較小，但全年溫差較大且冬季環(huán)境溫度較低的地區(qū)應(yīng)用效果尤為明顯。而這些地區(qū)也正是我國(guó)大型工業(yè)企業(yè)集中、資源開發(fā)集中、水資源存量較小、環(huán)境污染容量較小的重點(diǎn)地區(qū)，因此，此類型冷卻塔的應(yīng)用具有更重要的意義。

經(jīng)估算，將傳統(tǒng)的機(jī)械通風(fēng)冷卻塔改造為新型半開式冷卻塔后，在保障同樣冷卻能力的前提下，系統(tǒng)全年補(bǔ)充水量可下降約10%以上。

2.2 循環(huán)水排污水量控制

工業(yè)冷卻水通過在系統(tǒng)內(nèi)部的循環(huán)使用，達(dá)到降低水量消耗的目的。冷卻水在系統(tǒng)內(nèi)部不斷循環(huán)使用，導(dǎo)致水體中雜質(zhì)、離子、污染物等的濃縮；濃縮倍數(shù)越高，則系統(tǒng)補(bǔ)充水量越少，系統(tǒng)消耗水量也隨之降低。

系統(tǒng)排污量根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

其中，B指系統(tǒng)排污水量；E指系統(tǒng)蒸發(fā)量；K指系統(tǒng)濃縮倍數(shù)。

通過上式可以看出，同一冷卻塔系統(tǒng)濃縮倍數(shù)K越大，則系統(tǒng)排污量B越小。但是當(dāng)系統(tǒng)雜質(zhì)、離子、污染物等濃縮到一定程度，將會(huì)給系統(tǒng)帶來腐蝕、結(jié)垢、堵塞等不利影響。因此，需要定期對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行排污操作，將高濃度水排出，補(bǔ)充新鮮低濃度水。以上述烯烴工廠為例，循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水來自黃河，黃河水體自身特點(diǎn)為高氯離子、高濁度，因此，在以此水為補(bǔ)充水源的循環(huán)水系統(tǒng)中，氯離子和濁度是否能夠得到有效控制是循環(huán)水系統(tǒng)是否能夠達(dá)到高濃縮倍數(shù)、降低補(bǔ)充水量的關(guān)鍵所在，另外，系統(tǒng)中CODCr的高低和總Fe濃度也是循環(huán)水系統(tǒng)排污的一個(gè)主要控制因素。

根據(jù)GB 50050—2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中濁度控制在20NTU以下，氯離子控制在700mg/L以下，CODCr控制在150mg/L以下，總Fe濃度控制在2mg/L以下。

2.2.1 系統(tǒng)中濁度的控制

開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)內(nèi)的濁度主要來源于水體中的固體雜質(zhì)、膠體，以及冷卻水系統(tǒng)所處環(huán)境中的灰塵、花粉，夏季的昆蟲尸體等。目前主流的處理方法是通過增設(shè)旁濾系統(tǒng)將系統(tǒng)中的循環(huán)水進(jìn)行過濾，過濾后的出水濁度控制在3NTU以下，將濾后水兌入冷卻水系統(tǒng)，來達(dá)到降低整個(gè)系統(tǒng)濁度的目的。

同時(shí)，通過改善冷卻塔所處環(huán)境，例如減少冷卻塔周邊裸露土地等方式，也能從一定程度上緩解環(huán)境對(duì)冷卻水濁度增加的不利影響。

2.2.2 系統(tǒng)中CODCr的控制

冷卻水系統(tǒng)中的CODCr主要來源于冷卻水中微生物滋生以及外界還原性物質(zhì)的泄漏。

在冷卻水運(yùn)行控制的過程中，為了能夠有效抑制系統(tǒng)中微生物生長(zhǎng)，水體中一般會(huì)過量投加殺生劑，使水中余氯保持在0.2～1.0mg/L之間。而為了節(jié)約成本，一般工廠會(huì)盡可能靠下限保持余氯值。如果在系統(tǒng)沒有發(fā)生泄漏的情況下，系統(tǒng)余氯下降較快，CODCr呈現(xiàn)較快的上漲趨勢(shì)，則表明系統(tǒng)中微生物有可能出現(xiàn)大規(guī)模增長(zhǎng)，應(yīng)當(dāng)加大殺生劑的投加量，適當(dāng)提高余氯值，進(jìn)一步抑制微生物的生長(zhǎng)趨勢(shì)。被殺滅的微生物殘留物將會(huì)轉(zhuǎn)換為部分還原性物質(zhì)，使CODCr呈現(xiàn)短暫的升高趨勢(shì)，通過排水后可以降低。

綜合上述情況，控制CODCr第一要控制好系統(tǒng)中的泄漏，盡可能減少外來的還原性物質(zhì)產(chǎn)生的CODCr；其次要做好系統(tǒng)中微生物的日常控制，一旦微生物已經(jīng)爆發(fā)，再利用大量的殺生劑予以去除，將會(huì)使系統(tǒng)中的CODCr出現(xiàn)明顯上漲的情況。而系統(tǒng)中CODCr的大量存在，將會(huì)大量增加系統(tǒng)的排水量，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)本身的健康運(yùn)行將帶來非常不利的影響。

2.2.3 系統(tǒng)中總Fe的控制

冷卻水系統(tǒng)中的總Fe主要來源于系統(tǒng)內(nèi)管道、設(shè)備的沖刷、腐蝕等。系統(tǒng)日常運(yùn)行中，主要通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH值、緩蝕劑投加量等措施來控制系統(tǒng)中總Fe含量。系統(tǒng)中的總Fe含量一旦上升，對(duì)于系統(tǒng)的破壞性極大，而且目前來看除大量排水去除系統(tǒng)中總Fe含量外，并沒有特別有效的控制措施。如果提高系統(tǒng)pH值，將會(huì)在水中形成大量的氫氧化鐵沉淀，沉淀下部會(huì)產(chǎn)生垢下腐蝕，嚴(yán)重地影響系統(tǒng)壽命，同時(shí)沉淀將會(huì)影響系統(tǒng)換熱效率；而如果降低系統(tǒng)的pH值，則會(huì)進(jìn)一步加劇管道、設(shè)備腐蝕；如果保持現(xiàn)狀不對(duì)系統(tǒng)內(nèi)總Fe進(jìn)行去除，則總Fe內(nèi)包含的部分三價(jià)鐵會(huì)與管道、設(shè)備的單質(zhì)鐵發(fā)生氧化還原反應(yīng)，逐步加劇系統(tǒng)腐蝕，而且此類腐蝕一般為點(diǎn)蝕，對(duì)系統(tǒng)傷害極大。

因此，在系統(tǒng)投用前應(yīng)當(dāng)做好系統(tǒng)清洗、預(yù)膜工作；日常運(yùn)行中，應(yīng)當(dāng)做好pH值控制，緩蝕劑投加、補(bǔ)膜等多項(xiàng)工作，使得系統(tǒng)中總Fe含量始終能夠維持在較低的水平，進(jìn)而控制因總Fe含量超高而帶來的水耗損失。

2.2.4 系統(tǒng)中氯離子的控制

由于補(bǔ)充水中的氯離子無法去除，因此對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)中氯離子的控制，只能是盡可能減少除補(bǔ)充水中氯離子外的其他氯離子加成。

系統(tǒng)中氯離子的來源除補(bǔ)充水以外，另外一個(gè)重要來源是氯基殺生劑在進(jìn)入系統(tǒng)后分解產(chǎn)生的大量氯離子。尋找高效的氯基殺生劑，提高藥劑中有效成分的比例，控制氯離子的分解；或使用其他類型不產(chǎn)生氯離子的殺生劑，可以大幅度降低由于藥劑使用而給系統(tǒng)中帶來的氯離子加成。通過實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，可以采取以下幾種方法。

(1)使用非氧化性殺生劑替代原有氯基氧化性殺生劑，如異色唑啉酮、季銨鹽類殺生劑。但是由于此類藥劑一般成本較高，且長(zhǎng)時(shí)間使用容易使系統(tǒng)內(nèi)生物產(chǎn)生抗藥性，因此在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐過程中非氧化性殺生劑的投加一般以輔助沖擊性投加為主。

(2)使用溴基殺生劑替代原有氯基殺生劑。此類殺生劑的殺生原理與氯基殺生劑基本相同，但是由于其作用的主要成分不同，因此不會(huì)給系統(tǒng)帶來明顯的氯離子上升的問題。但是此類殺生劑對(duì)于藻類殺生效果有限，不能很好地控制系統(tǒng)內(nèi)藻類滋生，須使用其他殺生劑進(jìn)行配合除藻。

(3)使用高效氯基殺生劑，提高殺生劑內(nèi)有效氯含量，減少氯離子產(chǎn)生。高效氯基殺生劑一般指氯化異氰尿酸、二氧化氯等。由于二氧化氯性質(zhì)不穩(wěn)定易發(fā)生爆炸，因此一般不推薦使用。氯化異氰尿酸能夠很好地進(jìn)行儲(chǔ)存，使用方便，而且水解產(chǎn)物異氰尿酸可以防止日光對(duì)于有效氯的破壞，因此可以更高效、長(zhǎng)時(shí)間地對(duì)系統(tǒng)內(nèi)微生物進(jìn)行抑制，且其對(duì)藻類能夠產(chǎn)生極好的殺生效果。但是氯化異氰尿酸類殺生劑一般價(jià)格較高。

綜合上述幾點(diǎn)內(nèi)容，在日常的生產(chǎn)中可以根據(jù)水質(zhì)、水量、成本等多方面因素的不同變化采用不同的殺生劑復(fù)配的投加方式，最大限度降低殺生劑對(duì)水體中氯離子的加成，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，減少系統(tǒng)排污水量。

2.3 循環(huán)水冷卻塔風(fēng)吹損失的控制

循環(huán)冷卻水由塔頂向下噴濺進(jìn)行冷卻時(shí)，由于外界風(fēng)吹及風(fēng)機(jī)的抽吸作用影響，循環(huán)水會(huì)有一定的飛濺損失和隨空氣帶出的霧沫夾帶損失。這些損失掉的水，統(tǒng)稱為風(fēng)吹損失。參照各地冷卻塔的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，主要采取以下兩種措施來減少風(fēng)吹損失。

2.3.1 采取強(qiáng)制導(dǎo)流通風(fēng)的措施

在冷卻塔塔底進(jìn)風(fēng)口處增加百葉窗，改變進(jìn)入和吹出冷卻塔的空氣流向，避免水滴隨風(fēng)擴(kuò)散至冷卻塔集水池以外的范圍，強(qiáng)制導(dǎo)流通風(fēng)裝置見圖2。

圖2 強(qiáng)制導(dǎo)流通風(fēng)裝置

2.3.2 選擇優(yōu)良的收水器

冷卻塔排出濕空氣中挾帶許多細(xì)小水滴，排氣挾帶的水滴與塔內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)筒風(fēng)速的大小及淋水密度有關(guān)，也與配水裝置噴出水滴大小及水速有關(guān)。為防止水量的風(fēng)吹損失，避免對(duì)環(huán)境造成污染，通常在塔中設(shè)置收水器來捕獲這部分水分。

目前，大型機(jī)械通風(fēng)冷卻塔多采用波形收水器來進(jìn)行收水。但是不同的波形和波長(zhǎng)所產(chǎn)生的收水效果差異較大，目前市面上采用較多的波形為V形波收水器(見圖3)、S形波收水器(見圖4)、M形波收水器(見圖5)、多波形收水器(見圖6)等，波長(zhǎng)基本介于160～180mm，收水器片距從30～50mm等多種；也有部分冷卻塔采用蜂窩式收水器進(jìn)行收水。

圖3 V形波收水器

圖4 S形波收水器

圖5 M形波收水器

圖6 多波形收水器

雖然收水器有不同型號(hào)，但是收水器工作的主要原理是增加水蒸氣在收水器上的流動(dòng)距離及水蒸氣與收水器的碰撞概率，通過延長(zhǎng)水蒸氣在收水器部分的通過時(shí)間來增加水蒸氣液化的概率，使得形成的液滴依靠重力重新回到冷卻塔中，降低水分通過風(fēng)機(jī)飄逸的比例。

不同型號(hào)的收水器的收水效果不盡相同，一般來說波長(zhǎng)越長(zhǎng)、片距越小的收水器收水效果越好，但其帶來的通風(fēng)阻力也就越大，雖然能夠得到更好的收水效果，降低水的飄散損失，但是對(duì)于冷卻塔風(fēng)機(jī)電機(jī)功率要求也越高，冷卻塔的冷卻效果將受到影響。因此，要根據(jù)冷卻塔自身的冷卻能力、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行功率、綜合能耗等多方面因素來考慮，選擇最優(yōu)化的冷卻塔收水器，從而在保證冷卻效果的前提下盡可能降低水的飄散損失。

3 結(jié)語

通過本文的探索可以看到，對(duì)于目前大量應(yīng)用的開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)確實(shí)有很多途徑可以達(dá)到節(jié)水的目的。不同的企業(yè)和用戶可以根據(jù)自身工廠所處的環(huán)境，結(jié)合運(yùn)行中存在的特點(diǎn)等，通過合理地選擇冷卻塔形式、冷卻塔內(nèi)部構(gòu)造，優(yōu)化日常藥劑投加方式、水質(zhì)控制方式等措施來達(dá)到節(jié)水的目的。

在項(xiàng)目建設(shè)初期，最好能夠結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、環(huán)境等因素選擇節(jié)水、消霧類型的冷卻塔，目前市場(chǎng)上此類冷卻塔的冷卻能力已經(jīng)可以與大型開式冷卻塔媲美，因此，還突破了原有閉式冷卻系統(tǒng)冷卻能力有限的制約，節(jié)水、消霧冷卻塔無疑為大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)提供了一個(gè)更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的新選擇。

在外界環(huán)境不發(fā)生劇烈變換的前提下，盡可能保證循環(huán)冷卻水系統(tǒng)處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，能夠保持系統(tǒng)中的腐蝕、結(jié)垢、微生物控制等狀態(tài)相對(duì)平衡，避免系統(tǒng)控制指標(biāo)出現(xiàn)大的偏移。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中腐蝕、結(jié)垢和微生物滋生是時(shí)刻發(fā)生的，而且是不可避免的，盡可能地減少外來藥劑、物質(zhì)對(duì)系統(tǒng)平衡的影響，減少對(duì)水體的人為干擾和沖擊，才能使得循環(huán)水系統(tǒng)達(dá)到更高的濃縮倍數(shù)，從而減少系統(tǒng)排污水量。

其他如收水器換型等措施，必須結(jié)合原有設(shè)備運(yùn)行工況來適度進(jìn)行，不能為了節(jié)水而影響到系統(tǒng)的功能發(fā)揮，本末倒置。

總之，煤制烯烴工廠節(jié)水工作的關(guān)鍵在于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，對(duì)于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的深入研究將為工廠節(jié)水工作帶來更寬廣的思路，也將為煤制烯烴行業(yè)的生存和發(fā)展增添新的動(dòng)力。