王 伯 瑜

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

隨著人口和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源不足矛盾日趨嚴重，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，正在嚴重制約社會經(jīng)濟的發(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。實現(xiàn)污水回用、增加凝結水回收率、提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)、進行工藝物料熱聯(lián)合，是煉化企業(yè)節(jié)水的關鍵途徑，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 國際先進水平

社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的增加，導致水資源供求矛盾和環(huán)境污染程度的加劇，引起發(fā)達國家的高度重視，從20世紀60年代開始就注意節(jié)水和減排，如美國1962年成功實現(xiàn)了城市達標污水回用于工業(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，由于采用了凝結水回收技術、循環(huán)水高濃縮倍數(shù)運行技術、污水回用技術、空冷技術等，使加工每噸原油的取水量和排污水量大幅降低，先進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，領先水平的加工每噸原油取水量和排污水量分別達到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，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)歷了提高認識、管理節(jié)水、技術節(jié)水等幾個階段的工作，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，降低到當前的平均0.5 t以下，實現(xiàn)了增產(chǎn)不增水、增產(chǎn)降水的目標，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效益和經(jīng)濟效益。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國際先進水平或領先水平而得出。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70年代國際取水領先企業(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年國內取水領先企業(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)計分析，化學水系統(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)要實現(xiàn)大幅節(jié)水，降低化學水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的水耗是關鍵。

3.1 進行污水回用

根據(jù)對典型煉化企業(yè)取水和排污統(tǒng)計分析，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%的達標外排污水實現(xiàn)回用，可減少企業(yè)60%的總取水量。由于不同地區(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，應首先考慮回用到對水質要求較低的水用戶[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行脫鹽處理，從而實現(xiàn)大幅減少污水回用設施的建設投資和運行成本；對含鹽量較高的污水，應首先進行深度處理再進行脫鹽[5-10]，生產(chǎn)準一級脫鹽水，作為對水質要求較高的鍋爐給水或其他水用戶，實現(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，如低含鹽達標污水適度處理回用循環(huán)水技術、高含鹽污水深度處理脫鹽回用鍋爐水技術。

對電導率小于1 200 μS/cm、含鹽量較低的達標污水，中國石化石油化工科學研究院在對企業(yè)進行污水回用循環(huán)冷卻水失敗案例深入分析的基礎上，針對這類污水特性，以穩(wěn)定水質為重點、結合改善水質，研發(fā)出含鹽量較低的達標污水適度處理回用循環(huán)冷卻水成套技術，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備腐蝕嚴重的技術難題，處理效果完全滿足生產(chǎn)裝置長周期運行的要求，較好實現(xiàn)了達標污水低成本、低投入回用。該技術自2000年8月工業(yè)化運行成功以來，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)濟效益，現(xiàn)已成為含鹽量較低的污水回用支撐技術。

對電導率大于1 200 μS/cm、含鹽量較高的達標污水，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煉油達標污水和1 200 t/h化工達標污水深度處理“雙膜”脫鹽回用裝置，生產(chǎn)準一級脫鹽水回用到鍋爐系統(tǒng)。兩套裝置投入運行后，每年生產(chǎn)約9 Mt準一級脫鹽水，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余套達標污水深度處理“雙膜”脫鹽裝置，該技術已成為含鹽較高的達標污水回用支撐技術。

3.2 提高凝結水回收率

化學水系統(tǒng)耗水量占企業(yè)總取水量的50%，是企業(yè)水耗的第一大用戶，主要原因是蒸汽使用后產(chǎn)生大量的凝結水得不到有效回收，因此，提高凝結水回收率可大幅降低化學水系統(tǒng)的取水量。20世紀70年代凝結水回收率的國際先進水平為75%，當前中國石化領先水平達到了80%，平均水平接近40%，說明中國石化煉化企業(yè)在凝結水回收方面發(fā)展不平衡，大多數(shù)煉化企業(yè)的凝結水回收率仍然不高，與國際先進水平或國內領先水平相比，潛力還很大。如果將凝結水回收率從目前的平均水平提高到國際先進水平，可以降低化學水系統(tǒng)取水量約40%、企業(yè)總取水量約20%，節(jié)水潛力巨大。

調查顯示，當前制約凝結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)裝置龐大而復雜，凝結水排放點很多且分布在裝置的各個地方，而每個排放點的水量又少，為每個排放點鋪設收集管道的投資和場地限制成為制約凝結水回收的瓶頸。因此，采用節(jié)水效果好的器具、減少排放點、實現(xiàn)相對集中定點排放，是大幅提高凝結水回收率的關鍵。

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

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)總取水量的35%，是企業(yè)水耗的第二大用戶，主要原因是運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)與補充水量、排污水量及蒸發(fā)水量的關系。由表1可知，對于一個循環(huán)水量為10 000 t/h的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，當濃縮倍數(shù)從3.0提高到5.0時，補充水量從166 t/h減少到138 t/h，節(jié)水28 t/h，節(jié)水率達到16.9%；排污水量從56 t/h降低到28 t/h，降低28 t/h，減排率達到50%。

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

當前制約循環(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、使用的水質不同，要求采用不同的水處理技術方案，才能實現(xiàn)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)高濃縮倍數(shù)運行。如對于硬度、堿度較高的“三北”地區(qū)的水，采用預處理技術方案可以將濃縮倍數(shù)提高到5.0以上，其他技術方案難以滿足高濃縮倍數(shù)運行時生產(chǎn)裝置長周期運行對水處理效果的要求。一些建設較早、投入運行時間較長的煉化企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，由于當時的設計理念較落后、裝置老化、給回水溫差偏小、系統(tǒng)難以實現(xiàn)封閉運行等方面的原因，即使不強制排污，濃縮倍數(shù)也提不上去。因此，對這些不能實現(xiàn)高濃縮倍數(shù)運行的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應進行技術改造，消除制約濃縮倍數(shù)提高的系統(tǒng)因素，如：加強管理，杜絕跑冒滴漏，使循環(huán)冷卻水系統(tǒng)實現(xiàn)封閉運行；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，雨水水質一般較好，明顯優(yōu)于達標污水，一般只需經(jīng)過簡單的除油處理，水質即可滿足回用循環(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，對降低煉化企業(yè)取水量和取水成本意義重大，社會效益和經(jīng)濟效益顯著，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。因此，應大力加強和推廣廠區(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雜，一些熱物料需要進行冷卻降溫，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、熱物料實現(xiàn)熱量互換，即為熱聯(lián)合。工藝物料熱聯(lián)合不僅可實現(xiàn)無水冷卻，實現(xiàn)冷卻水的零使用，而且可以使大量的低溫熱得到有效利用，從根本上實現(xiàn)節(jié)水和節(jié)能，是最佳的節(jié)水、節(jié)能工藝。

當前煉化企業(yè)對溫度較低的熱物料一般采用循環(huán)冷卻水進行冷卻，因此一個企業(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。如果按照當前補水量一般占循環(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、涼水塔風機冷卻1 t循環(huán)水耗電0.05 kW·h、水價2.5元/t、電價0.5元/(kW·h)計算，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、減少動力用電9.1 kW·h、降低電費和水費支出共5.6元。對于一個千萬噸級煉油廠，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，在技術上不難實現(xiàn)，主要是增加一些管線及管線投資。因此，在今后的技術改造和新建裝置的設計中，應大力采用熱聯(lián)合程度高的工藝技術，從源頭上實現(xiàn)節(jié)水和節(jié)能。

3.6 采用海水間接冷卻技術

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行換熱，對熱的循環(huán)冷卻水進行冷卻，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，以及需要對當前循環(huán)冷卻水系統(tǒng)改造，技術優(yōu)勢明顯。因此，該技術在國外沿海地區(qū)的煉化企業(yè)得到了成功應用。中國石化地處沿海的煉化企業(yè)，不僅水價昂貴，而且面臨十分嚴峻的水資源不足問題，因此其循環(huán)冷卻水系統(tǒng)應該積極采用海水間接冷卻技術，大幅實現(xiàn)節(jié)水和節(jié)支。

圖2 海水間接冷卻系統(tǒng)示意

4 結 論

(1) 中國石化經(jīng)過近20年的節(jié)水和減排工作，取得了顯著進步，加工每噸原油取水量和排污水量實現(xiàn)大幅降低，但對照國際和國內領先水平，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，其中達標污水適度處理回用技術適用含鹽量較低的污水，達標污水深度處理脫鹽技術適用含鹽量較高的污水，應根據(jù)污水含鹽量高低選擇污水回用技術路線。

(3) 提高凝結水回收率和循環(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，不僅可從根本上實現(xiàn)無水冷卻，而且可實現(xiàn)顯著節(jié)能，不但社會效益顯著，而且經(jīng)濟效益也非常顯著。

(5) 海水間接冷卻技術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。