孫宗禮 楊金龍 朱曉霞

(中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西省榆林市，719000)

中煤陜西榆林能源化工有限公司(以下簡稱中煤陜西公司)位于陜西省榆林市，其一期項目(規(guī)模為180萬t/a甲醇、60萬t/a聚烯烴)于2011年8月23日開工建設(shè)，于2015年1月正式進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)運營，主要利用GE公司水煤漿加壓氣化技術(shù)、DAVY公司甲醇合成技術(shù)、大連化物所DMTO技術(shù)等國內(nèi)外成熟、先進(jìn)、可靠的生產(chǎn)工藝，以煤為原料生產(chǎn)180萬t/a甲醇和60萬t/a聚烯烴，以實現(xiàn)石油替代和煤的清潔利用。

為了詳細(xì)摸清水資源的科學(xué)利用情況，于2018年4月開展了全公司的水平衡測試，對煤制烯烴用水、節(jié)水的分析和研究等問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與探討。

1 水系統(tǒng)概況

中煤陜西公司煤制烯烴項目用水主要包括新鮮水、循環(huán)水、除鹽水、除氧水、蒸汽及其凝結(jié)水和中水等。其中，新鮮水主要用于制備除鹽水、循環(huán)水場補(bǔ)水、消防補(bǔ)水及生活用水等；除鹽水主要用于泵的密封、除氧器補(bǔ)水；循環(huán)水主要用于物流及設(shè)備冷卻；除氧水主要用于鍋爐及蒸汽發(fā)生器產(chǎn)汽；蒸汽蒸汽及其凝結(jié)水主要用于驅(qū)動汽輪機(jī)、工藝及設(shè)備加熱和采暖伴熱等；中水全部回用于循環(huán)水場補(bǔ)水和脫鹽水裝置原水制脫鹽水系統(tǒng)補(bǔ)水。

2 主要用水點分析

中煤陜西公司煤制烯烴項目在2018年4月23日的水平衡測試表明：新鮮水取水量為1641.54 m3/t， 其中循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水325.71 m3/t，制備除鹽水需新鮮水918.59 m3/t；其他工藝用水為211.99 m3/t；廠內(nèi)生活用水67 m3/t；高壓消防水為60.42 m3/t；基建及綠化用水為40.00 m3/t；儀表誤差及損失用水為17.96 m3/t。

從用水點分析，煤制烯烴項目的用水特點是直接取用的新鮮水在總用水中所占比例較低，新鮮水主要用于補(bǔ)充冷卻水及制取脫鹽水。

3 用水技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

依據(jù)《節(jié)水型企業(yè)評價導(dǎo)則》(GB/T7119-2006)，計算用水技術(shù)的各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

3.1 重復(fù)利用率

重復(fù)利用率是指在一定的計量時間內(nèi)，生產(chǎn)過程中所使用的重復(fù)利用水量與總用水量之比見式(1)：

(1)

式中：R——重復(fù)利用率， %；

Vr——在一定的計量時間內(nèi)企業(yè)的重復(fù)利用水量，m3/h；

Vi——在一定的計量時間內(nèi)企業(yè)的新鮮水取水量，m3/h。

根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)，重復(fù)利用水量Vr為118825.66 m3/h，新鮮水取水量Vi為1641.54 m3/h，因此工業(yè)水重復(fù)利用率為98.64%。

3.2 循環(huán)水濃縮倍數(shù)

循環(huán)水濃縮倍數(shù)是指循環(huán)水含鹽量與其補(bǔ)水的含鹽量之比見式(2)：

(2)

式中：K——循環(huán)水濃縮倍數(shù)；

Ccy——循環(huán)水含鹽量，mg/L；

Cf——補(bǔ)水的含鹽量，mg/L。

根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)：循環(huán)水含鹽量Ccy為1218.83 mg/L，補(bǔ)水的含鹽量Cf為214.2 mg/L，因此循環(huán)水場平均濃縮倍數(shù)為5.69。

3.3 除鹽水制水率

除鹽水制水率是指除鹽水產(chǎn)量與取水量之比見式(3)：

(3)

式中：k1——除鹽水制水率， %；

Vch——除鹽水水量，m3/h；

Vcin——制除鹽水取水量，m3/h。

根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)：制除鹽水取水量Vcin為918.59 m3/h(新鮮水)，生產(chǎn)的除鹽水量Vch為768.25 m3/h，因此，除鹽水制水率為0.713%。

3.4 蒸汽冷凝水回收率

在一定的時間內(nèi)，蒸汽冷凝水回收量與蒸汽總產(chǎn)量(包括裝置鍋爐、汽包自產(chǎn)蒸汽量)的質(zhì)量見式(4)：

(4)

式中：Rb——蒸汽冷凝水回收率， %；

Vbr——蒸汽冷凝水回收量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，m3/h；

D——產(chǎn)汽設(shè)備的產(chǎn)汽量，t/h；

ρ——蒸汽冷凝水體積質(zhì)量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，t/m3。

根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)，蒸汽冷凝水回收量Vbr為1748.76 m3/h，產(chǎn)汽設(shè)備的產(chǎn)汽D為1978 t/h，另蒸汽冷凝水體積質(zhì)量ρ為1 t/m3，因此蒸汽冷凝水回收率為88.41%。

3.5 單位聚烯烴產(chǎn)品取水量、單位甲醇取水量

單位化工產(chǎn)品取水量為生產(chǎn)單位產(chǎn)品所需要的新鮮水量見式(5)：

(5)

式中：Vui——單位產(chǎn)品取水量，m3/t；

Q——在一定計量時間內(nèi)的產(chǎn)品總量，t/h。

根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)：新鮮水取水量Vi(包括空分)為1641.54 m3/h；另進(jìn)行水平衡測試時烯烴產(chǎn)量Q為87.52 t/h，因此單位聚烯烴產(chǎn)品取水量為18.77 m3/t。

此外，測試時甲醇裝置Q折純產(chǎn)量為262.26 t/h，由于取水總量為1641.54 m3/h，扣除烯烴部分用水495.16 m3/h，剩余即生產(chǎn)甲醇的用水量Vi，即1641.54-495.16=1146.38 m3/h。因此，單位甲醇取水量為4.37 m3/t。

3.6 單位產(chǎn)品污水排放量

單位產(chǎn)品排污水量為加工每噸產(chǎn)品所排放的污水水量見式(6)：

(6)

式中：Pch——單位化工產(chǎn)品排水量，m3/t；

Vp-ch——在一定的計量時間內(nèi)生產(chǎn)某化工產(chǎn)品的排水量，m3/h。

根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)：污水排放量Vp-ch為731 m3/h，烯烴產(chǎn)量Q為87.52 t/h，因此單位烯烴污水排放量為8.35 m3/t。

3.7 廢水回用率

廢水回用率是指在一定的計量時間內(nèi)，經(jīng)過處理后回用的污水量與處理的污水量總量之比見式(7):

(7)

式中：Kw——廢水回用率， %；

Vw——在一定的計量時間內(nèi)，企業(yè)對外排放廢水自行處理后的回用水量，m3/h；

Vd——在一定的計量時間內(nèi)，企業(yè)向外排放的廢水量，m3/h。

根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)，中水回用量Vw為860.93 m3/h，外排廢水Vd為污水量為262.22 m3/h，因此廢水回用率為76.65%。

3.8 用水綜合漏失率

即用水管網(wǎng)損失占總供水量的比值見式(8)：

(8)

式中：K1——用水綜合損失率， %。

根據(jù)水平衡測試數(shù)據(jù)，新鮮水管網(wǎng)漏失量V1為17.96 m3/h(注：包括計量誤差)，企業(yè)的新鮮水取水量Vi為1641.54 m3/h，因此用水綜合漏失率為1.094%。

3.9 聚乙烯、聚丙烯單位產(chǎn)品用水量

聚乙烯聚丙烯單位產(chǎn)品用水量是指生產(chǎn)時的各種用水量與產(chǎn)品量之比同式(5)。聚乙烯、聚丙烯的用水量是指從甲醇生產(chǎn)出聚烯烴各裝置的用水量，包括循環(huán)水補(bǔ)水468.21 m3/t，脫鹽水20.16 m3/t，新鮮水6.80 m3/t，共總計用水Vi為495.16 m3/t；測試時烯烴產(chǎn)量Q為87.52 t/h，因此單位聚乙烯、聚丙烯產(chǎn)品用水量為5.66 m3/t。

4 用水技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評價分析

經(jīng)過計算，將用水技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和行業(yè)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行對標(biāo)評價，部分對標(biāo)分析的數(shù)據(jù)來源于石油化工行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、《節(jié)水型企業(yè)石油煉制行業(yè)》(GB/T 26926-2011)和《煉化企業(yè)節(jié)水減排考核指標(biāo)》(Q/SH0104-2007)，加工噸產(chǎn)品的用排水指標(biāo)來源于《陜西省行業(yè)用水定額》。

用水指標(biāo)與國家標(biāo)準(zhǔn)和同行業(yè)指標(biāo)比較分析見表1。

表1 用水指標(biāo)與國家標(biāo)準(zhǔn)和同行業(yè)指標(biāo)比較分析

由表1中煤陜西公司用水指標(biāo)與行業(yè)指標(biāo)對比可以看出，中煤陜西公司的工業(yè)水重復(fù)利用率為98.64%，優(yōu)于同行業(yè)水平98.33%，達(dá)到《建設(shè)部關(guān)于印發(fā)<節(jié)水型企業(yè)目標(biāo)導(dǎo)則>的通知》 (城建1997〔45號〕)中有機(jī)化工類水的重復(fù)利用率應(yīng)達(dá)到97.5%以上的指標(biāo)要求，優(yōu)于節(jié)水型企業(yè)要求的達(dá)標(biāo)水平。

(1)循環(huán)水場濃縮倍數(shù)為5.69，高于同行業(yè)和化工系統(tǒng)循環(huán)水濃縮倍數(shù)的達(dá)標(biāo)要求，屬于優(yōu)秀水平，這方面除了中煤陜西公司煤制烯烴項目的管理較好之外，還有循環(huán)水補(bǔ)水水質(zhì)較好的原因。

(2)脫鹽水裝置制水率數(shù)值為0.713%，優(yōu)于行業(yè)達(dá)標(biāo)水平要求的0.648%。

(3)蒸汽凝結(jié)水回收率為88.41%，優(yōu)于節(jié)水型企業(yè)評價標(biāo)準(zhǔn)要求的5.13%。

(4)單位烯烴取水量為18.77 m3/t，優(yōu)于同行業(yè)要求的24.38 m3/t。

(5)根據(jù)《陜西省行業(yè)用水定額》(DB61/T943-2014)規(guī)定：新建煤制甲醇，單位甲醇產(chǎn)品用水定額不得超過9 m3/t。本項目單位甲醇取水量為4.37 m3/t，符合該規(guī)定，優(yōu)于同行業(yè)要求的5.71 m3/t。

(6)廢水回用率為76.65%，優(yōu)于同行業(yè)要求的43.62%，達(dá)到50%標(biāo)準(zhǔn)要求。

(7)用水綜合漏失率為1.094%，優(yōu)于節(jié)水型企業(yè)的評價標(biāo)準(zhǔn)要求的5%，優(yōu)于同行業(yè)要求的1.82%。

(8)根據(jù)《陜西省行業(yè)用水定額》(DB61/T943-2014)規(guī)定：新建項目，MTO裝置原料為甲醇生產(chǎn)聚乙烯，單位產(chǎn)品用水定額不得超過8 m3/t。本項目單位聚乙烯、聚丙烯產(chǎn)品用水量為5.66 m3/t，符合該規(guī)定，優(yōu)于同行業(yè)要求的5.71 m3/t。

5 節(jié)水措施與管理

通過用水指標(biāo)分析后認(rèn)為，中煤陜西公司主要用水指標(biāo)都已達(dá)到了節(jié)水要求，這主要是由于采用了國內(nèi)、國際先進(jìn)的工藝技術(shù)，遵循了節(jié)約、可靠、經(jīng)濟(jì)的原則，同時重視水資源的重復(fù)利用率，并通過采取有效的節(jié)水措施，使主要用水指標(biāo)達(dá)到節(jié)水要求。此外，為了降低新鮮水的消耗量，中煤陜西公司煤制烯烴項目采用了節(jié)能型的工藝和設(shè)備，強(qiáng)化內(nèi)部節(jié)水措施，提高水資源利用；對各裝置主要工業(yè)水、冷卻水盡可能采用循環(huán)水；采用先進(jìn)的污水處理和污水回用處理工藝技術(shù)，在工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)上，盡可能地實現(xiàn)水的回收利用。

5.1 節(jié)水措施

主要采取嚴(yán)格控制地面沖洗水、設(shè)備沖洗水和生活用水，嚴(yán)禁濫用、多用等節(jié)水措施，實行清污分流，嚴(yán)格控制排污；蒸汽凝結(jié)水回收使用，提高凝結(jié)水回用率；設(shè)置用水計量儀表，強(qiáng)化用水管理和節(jié)水考核；來自MTO裝置的凈化水送至氣化裝置，用于煤漿制備單元的磨煤機(jī)補(bǔ)充水，節(jié)約了新鮮水用量；采用先進(jìn)的GE水煤漿加壓氣化工藝，優(yōu)化換熱流程，選用高效節(jié)能的設(shè)備，合理利用熱位能，提高換熱效率，節(jié)省循環(huán)水用量。

同時積極實行分質(zhì)供水，給水系統(tǒng)劃分為生活給水系統(tǒng)、生產(chǎn)給水系統(tǒng)、穩(wěn)高壓消防系統(tǒng)和循環(huán)水給水系統(tǒng)。 排水系統(tǒng)按清污分流、污污分流、分類收集的設(shè)計原則進(jìn)行劃分，嚴(yán)格控制排污。裝置內(nèi)排水系統(tǒng)劃分為生活污水系統(tǒng)、污染雨水及生產(chǎn)污水系統(tǒng)、含樹脂廢水系統(tǒng)和雨水清凈下水系統(tǒng)。脫鹽水站收集各生產(chǎn)裝置的蒸汽工藝?yán)淠汉屯钙嚼淠哼M(jìn)行精制處理，變成合格的脫鹽水供給各生產(chǎn)裝置使用，減少了新鮮水的用量。

5.2 依靠科技節(jié)水降耗

中煤陜西公司化工裝置的噸烯烴耗水由開車時的25 m3/t，經(jīng)過一系列的節(jié)水技改措施降至目前的23 m3/t，為企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，主要節(jié)水技改技措如下。

5.2.1 蒸汽伴熱系統(tǒng)凝液回收

根據(jù)凝液收集分布區(qū)域的特點，共新設(shè)4個凝液收集閃蒸罐，通過技術(shù)改造回收全部排放的凝結(jié)水，回收的凝結(jié)水可以送至第二循環(huán)水站作為補(bǔ)充水，降低原水消耗，從而達(dá)到節(jié)水目的。項目實施后回收凝結(jié)水為26.99萬t/a，回收蒸汽為2.43 t/a，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為397萬元/a。

5.2.2 循環(huán)水冷卻塔塔頂水汽回收

循環(huán)水裝置開式冷卻塔塔頂水汽回收技改項目，已在2間開式冷卻塔進(jìn)行初步試驗性實施，經(jīng)過試運行, 冬季冷卻塔塔頂水蒸氣明顯降低，回收水量超過蒸發(fā)水量的20%，回收凝結(jié)水電導(dǎo)率小于100 μs/cm，達(dá)到軟化水標(biāo)準(zhǔn)。在夏季環(huán)境溫度較高時，對冷卻塔主風(fēng)機(jī)及循環(huán)水冷卻能力沒有明顯影響。目前存在的問題是此裝置在冬季運行時冷卻的凝結(jié)水不能全部回收，此外塔外有結(jié)冰現(xiàn)象，所以冷凝水的收集方式需要繼續(xù)改造。

5.2.3 氣化爐撈渣機(jī)增加振動篩節(jié)水

氣化爐撈渣機(jī)出料的灰渣含水量較大，灰渣計量、收費按照稱重收費，運輸成本高；對氣化裝置的8臺撈渣機(jī)進(jìn)行增加振動篩改造，增設(shè)振動篩后可將灰渣含水量由50%減少至25%左右；改造后氣化爐灰渣產(chǎn)出量減少為600 t/d，可節(jié)約運輸費用為211萬元/a，可節(jié)約水量為22萬t/a，節(jié)水減排效果顯著。

5.2.4改變冷卻塔風(fēng)機(jī)葉片材質(zhì)，提高冷卻塔冷卻能力

循環(huán)水裝置夏季實際供水溫度超過30℃，影響主裝置高負(fù)荷生產(chǎn)。針對冷卻塔風(fēng)機(jī)玻璃鋼強(qiáng)度小的問題，提出將玻璃鋼葉片更換為強(qiáng)度大、質(zhì)量輕的碳纖維，葉片角度可調(diào)整20℃，冷卻風(fēng)量增加10%以上，夏季最熱月冷卻塔溫差超過10℃，冷卻塔實際出水溫度低于30℃，通過更換強(qiáng)度更大碳纖維葉片，在不增加投資的情況，提高冷卻塔冷卻能力10%，雖然電耗增加一倍，但是保證供水溫度在最熱月不超過30℃，平時運行比玻璃鋼葉片冷卻塔低1～2℃，保證主裝置高負(fù)荷甚至超負(fù)荷生產(chǎn)，產(chǎn)量不降，節(jié)水效益顯著。

5.2.5 控制循環(huán)水的濃縮倍數(shù)，減少補(bǔ)水量

加強(qiáng)循環(huán)水水質(zhì)管理與精細(xì)化操作，根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)及時調(diào)整排污量和加藥量，在保證循環(huán)水水質(zhì)指標(biāo)合格的前提下，降低循環(huán)水排污量，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，并保證不影響全廠換熱器的正常運行。這樣既可以降低回用水處理循環(huán)水排污量，為污水超負(fù)荷提供條件，也為全廠節(jié)約新鮮水用量。循環(huán)水設(shè)計濃縮倍數(shù)≥5，按照年均濃縮倍數(shù)5.69計算，節(jié)約補(bǔ)水成本135萬元。合理使用過程產(chǎn)水，降低新鮮水量，年節(jié)約費用83萬元。

5.3 節(jié)水管理

中煤陜西公司成立了專門的節(jié)水工作領(lǐng)導(dǎo)小組，領(lǐng)導(dǎo)和監(jiān)督各單位的節(jié)水工作，對各用水設(shè)備的進(jìn)排水口設(shè)置計量儀表，制定嚴(yán)格的用水定額，實現(xiàn)對各系統(tǒng)用排水量的有效控制。

5.3.1 加強(qiáng)用水分析，控制水耗

每天密切關(guān)切園區(qū)來水量以及各生產(chǎn)中心消耗水量，對消耗偏高的生產(chǎn)單位及時查找原因、采取措施，盡量將水消耗控制在最佳消耗范圍內(nèi)。

5.3.2 對水實行定額管理

對水消耗制定嚴(yán)格的消耗定額計劃，并納入績效考核指標(biāo)范圍內(nèi)，使節(jié)水措施的實施有保障。

5.3.3 分質(zhì)供水，梯次利用，優(yōu)化工藝管理

嚴(yán)格控制綠化用水、生活用水以及施工建設(shè)用水。在工藝上嚴(yán)格控制循環(huán)水溫差，減少循環(huán)水用量，達(dá)到節(jié)能和節(jié)水的目的。優(yōu)化循環(huán)冷卻水水質(zhì)穩(wěn)定處理方案，提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)，減少補(bǔ)充水量，減少泄漏和蒸發(fā)等損失量。對用水水質(zhì)的不同要求，合理劃分給水系統(tǒng)，分質(zhì)供水，梯次利用。優(yōu)化工藝并摸索最佳操作條件，在滿足生產(chǎn)的前提下，優(yōu)化各脫鹽水用戶的補(bǔ)水量，減少脫鹽水補(bǔ)水量。根據(jù)季節(jié)變化和設(shè)備開停與負(fù)荷變化，及時調(diào)整循環(huán)用水水量。

5.3.4 建立節(jié)水信息化管理系統(tǒng)

將廠區(qū)內(nèi)水的計量數(shù)據(jù)傳送到EMS信息化系統(tǒng)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、處理和分析，得出用水和排水?dāng)?shù)據(jù)，有針對性地進(jìn)行水量控制。

6 結(jié)語

節(jié)水是一項系統(tǒng)工程，離不開合理的設(shè)計和科學(xué)的管理，更離不開采用高效低耗的節(jié)水技術(shù)和設(shè)備。對于煤制烯烴項目水耗高的問題，通過采取先進(jìn)的節(jié)水措施與管理，將能夠?qū)崿F(xiàn)煤制烯烴耗水的持續(xù)降低，從而為促進(jìn)煤化工的協(xié)調(diào)有序發(fā)展創(chuàng)造良好的條件。