随着国内煤化工技术的逐渐成熟, 煤化工成为提高煤炭附加值及转化煤炭产能的有效途径。另一方面, 由于煤化工耗水量巨大且中国的煤炭煤化工产业与水资源呈逆向分布, 水资源成为制约发展煤化工产业的关键性因素。节水对于大型煤化工项目是一个必须面对和急需解决的问题。要做好煤化工项目节水工作, 需要从多层次多角度进行系统的分析研究、规划和设计, 技术应用与科学管理并重, 才能实现煤化工的可持续发展。
随着国内工业的快速发展, 工业用水需求快速增长, 水资源与工业快速发展的矛盾日益突显。节水减排及提高水的综合利用效率越来越受到国内外工业界的重视, 在节水减排研究方面已经取得了较大的成果并应用于工业实践。
(1) 水量平衡测试理论
水量平衡测试技术是一种在现状调查的基础上利用理论分析手段指导用水装置节水的方法。该理论是通过对工厂各用水装置做水量平衡测试, 通过取水量、补充水量、复用水量、排水量、耗水量及渗漏水量之间的关系, 绘制水量平衡图, 通过水量平衡分析, 制定合理的节水方案。水平衡测试是加强企业用水管理行之有效的方法, 但该理论仅限于单元装置节水研究, 缺乏对全厂用水系统的整体研究。
(2) 数学优化分配理论
水的数学优化分配研究始于20世纪80年代, 最初只针对简单的单杂质系统。随着工业需求的加强, 数学优化分配理论得到较大发展。该理论是通过定义的约束条件以使得装置或系统所需新鲜水量最小, 以此为目标函数对整个用水系统进行非线性回归。其主要内容是:构造模型, 定义约束条件, 建立数学模型, 形成非线性方程组, 最后通过数学软件得到最优化用水系统。该理论主要是针对多杂质和特殊模型的用水系统问题, 其中超结构模型研究较多[1], 其缺陷在于模型结构过于复杂。
(3) 水夹点理论
在系统热能回收的热加点技术上, 1994年曼彻斯特大学学者YP Wang和Robin Smith等人提出了水夹点理论[2]。该理论通过构造水的浓度组合曲线找出水夹点, 计算新鲜水最小消耗量和废水的最小产生量。根据系统所需的工艺水质和水量情况, 通过对部分用水进行一水多用、循环复用、串联使用或加水稀释后再用等措施, 对过程用水进行重新分配和合理规划, 从而实现整个系统新鲜水消耗量最小和废水产生量最小。水夹点技术侧重于整个系统的用水分配优化, 使整个用水系统的新鲜水用量和废水排放量达到最小化。但其缺陷是难以获得相关极限数据, 只可作为一种节水思路来借鉴, 工程应用难度较大。
(4) 系统集成优化法在化工中的应用
水系统的过程集成优化法可采用水夹点分析法和数学优化配置法两种理论模型。水夹点分析法适用于单组分杂质水网络, 数学优化配置法适用于多组分杂质水网络。20世纪90年代后期人们对这方面的研究进入高潮, 在工业上被逐步应用并取得较好的效益。由于节水集成优化技术在工业中的巨大潜在效益, 国外好多公司都在致力于此方面的应用软件开发。例如美国Aspen Tech公司的Aspen Water商品化应用软件以及英国Linnhoff March公司的水夹点应用软件Water Target。
为了达到节水减排的最佳效果, 通常采用水平衡测试、水系统集成优化和污水深度处理回用三步骤。在“水系统集成优化”这一环节, 合理的回用措施、冷凝水回收系统及循环冷却水系统的优化是主要内容[3]。
现代大型煤化工项目主要是以煤气化工艺为龙头生产合成气, 通过变换、净化等工序后进一步合成下游产品。此类项目主要的用水点主要包括冷却水系统补充水、除盐水补充水及工艺用新鲜水。以煤制200万吨/年甲醇制70万吨/年烯烃为例, 新鲜用水中生活及杂用用水约占3%, 冷却补水约占25%, 除盐补水约占55%, 工艺用水约占20%, 从新鲜用水量分配来看, 除盐水补水所占的比例较大, 其次是冷却水补水和工艺用水。表1和表2反映了全厂用水分布情况。
通过上述数据可知, 在全厂生产过程中新鲜水量的消耗在总用水量中所占比例较低, 新鲜水主要用于循环冷却水系统及脱盐水工段的补水和工艺用水。所以, 节水的重点还需要放在循环冷却水系统、制水系统以及工艺生产过程。
由于开式循环冷却水系统中循环水在敞开的凉水塔内流动, 会产生多种不利结果:
(1) 冷却塔内循环水与空气接触, 溶解了空气中大量的氧气至饱和状态。
(2) 循环水与空气接触, 外界的灰尘、泥沙及微生物等杂质会进入循环水并富集, 最终在系统内沉积形成泥垢。
(3) 水在凉水塔内与空气换热, 会产生大量蒸发损耗, 因水蒸发损耗的增加导致的盐分浓度升高会增加盐类物质在换热部位结垢析出的趋势。
(4) 循环水中的溶解氧、盐和污泥杂质会对循环水系统管道设备形成电化学腐蚀、垢下腐蚀等损坏。
(5) 各种沉积物会使换热设备的阻力降增大, 会大幅增加输送设备的能耗, 同时显著降低换热设备的传热效率, 造成企业运行成本增加及管道设备的加速老化。
闭式循环水系统由于不接触空气, 可解决循环水对设备及管道的腐蚀问题并减少结垢问题, 有效提高换热设备的换热效率并节省维修费用。闭式循环系统与与开式循环冷却系统相比具有如下优势:
(1) 闭式系统的喷淋水量较小, 仅为循环水量的1/3至1/5, 且在气温低于15℃时可以停用喷淋水, 可大大减少蒸发水耗。系统排污量比开式系统大大降低, 节水效果显著。
(2) 闭式循环冷却水系统, 循环水压损很小, 系统循环只需循环泵增加部分压头即可, 可大大降低循环能耗。而开式冷却系统中, 循环水的余压全部消失, 循环泵需从常压开始加压, 这样会大大增加循环系统的能耗。
(3) 闭式循环系统只需处理喷淋水, 可大大降低循环水处理量, 降低管理成本和药剂成本。
(4) 闭式系统中没有填料, 维护简单, 运转费用低[4], 开式循环系统的凉水塔填料一般2~3年需更换一次。
循环冷却水系统要实现节水就要减少补水量和外排水量。目前, 循环冷却水系统的节水技术的研究主要是抑制腐蚀、控制结垢、控制黏泥和改善旁滤系统四个方面。其中, 抑制腐蚀、控制结垢、控制黏泥是提高循环水浓缩倍数的主要研究内容。
目前循环水系统节水的主要途径就是提高循环水的浓缩倍数。在开式循环冷却水系统的冷却塔中, 外界杂质及氧气的混入以及循环水不断蒸发损耗浓缩, 会使循环水中有害物质组分的增加从而导致水质的恶化。为了降低水质恶化对管道设备的危害, 通常将循环冷却水系统排出一部分废水、补充一部分新鲜水来降低水中有害物质浓度。为了减少外排水和补充新鲜水用量, 主要通过在系统中添加药剂来提高循环水的浓缩倍数并维持系统的正常指标。因此, 循环冷却水的浓缩倍数越高外排水和新鲜补充水量就会越少, 所以提高循环水的浓缩倍数可以达到节水的目的。循环冷却水浓缩倍数主要还是看药剂的性能, 同样添加量不同的药剂所能达到的浓缩倍数不一样。所以, 要想得到较高的浓缩倍数就需要提高药剂的性能, 同时达到抑制腐蚀、控制结垢、控制黏泥的效果。
目前水处理常用的防腐药剂主要有苯并三唑 (BTA) 、巯基苯并噻唑 (MBT) 和甲基苯并三唑 (TTA) 等。水处理缓蚀剂主要有铜缓蚀剂N1336 (异噻啉酮) 和N7359 (Zn-P混合物和有机物) 两种药剂, 它们能够在设备表面形成致密的保护膜 (CaHEDP、Ca CO3、Zn (OH) 2、Ca3 (PO4) 2及TT) , 从而达到抑制管道和设备腐蚀的目的。
目前使用的阻垢剂主要有聚天冬氨酸类、木质素磺酸钠类、有机磷类、聚环氧琥珀酸类、丙烯酸及丙烯酰胺类。有机磷类具有较好的缓蚀和阻垢作用, 应用广泛, 但二次污染严重。高分子缓蚀阻垢剂以其缓蚀效果好、毒性小、热稳定性高, 使用条件限制少, 是高效阻垢剂的发展方向。阻垢剂目前很多都采用单体投加使用, 为了与其他缓蚀阻垢剂在性能上相配合以取得更好的效果, 不同阻垢剂的复配使用正在被试验和论证。
空冷是利用环境空气对工艺流体进行冷却 (冷凝) 的工业用热交换设备。空冷系统相对于循环水冷却系统, 具有节水效果好、介质来源广泛、运行维护费用低等优势。目前空冷技术按照热交换介质的接触方式分为直接空冷及间接空冷。间接空冷包括采用混合式凝汽器的间接空冷系统和采用表面式凝汽器的间接空冷。直接空冷由于空气比热小通常不能把工艺流体冷却到环境温度, 并且受环境温度、地形及周边建筑物分布等因素影响大, 应用受到一定的限制。间接空冷结合了直接空冷与水冷的特点, 大大改善了使用效果。大型煤化工项目中, 空冷工段主要设置在大型蒸汽透平设备的冷却及工艺流体的冷却。由于工艺过程对流体温度的要求较高, 通常工艺流体的冷却采用间接空冷的方式。目前空冷技术发展较为成熟, 主要应用领域为电站锅炉系统, 在大型煤化工项目中的应用才开始逐步推广, 特别是间接空冷技术在大型煤化工项目中的应用更少。目前国内一些公司开发的闭式水膜循环空冷技术在间接空冷的基本原理基础之上, 结合煤化工工艺装置的特点进行了优化, 在部分煤化工项目中得到了应用。
通过表3数据可以看出, 闭式循环冷却系统要比开始循环冷却系统明显节水, 可大大降低冷却水的补水量, 在用水成本上明显占有优势。
目前大部分工厂都是将污水集中收集处理, 部分中水进行回用。我们应该放弃原来的污水回用及处理理念, 对污水进行分质分级回用和处理。所谓分质分级回用, 就是根据污水的水质进行分级, 将过程中产生的污水不经过处理或者只进行部分处理消除影响因素后回用到过程中。这样可以大大减小污水处理系统的负荷, 降低水处理系统的投资和运行费用, 提高企业的用水效率。污水分质分级回用需要对污水系统整体进行规划和梳理, 对各用水点对水质的需求及影响因素进行综合全面的分析, 在了解各用水点对水质的要求基础上进行合理的分级分配。
废水回用按污水水质的不同可分为清净污水适度处理回用技术和达标排放污水的深度处理回用。达标排放污水的深度处理回用按处理后的水质又可分为制成中水 (作为循环水补水) 和制成脱盐水 (作为锅炉上水) 回用。当外排污水水质较差时, 通常要用膜分离法去除各种污染物, 采用最多的是双膜法。即达标排放水经曝气生物滤池、多介质过滤、超滤和反渗透单元, 最终出水作循环水或者脱盐水。但是, 超滤膜和反渗透膜对进水水质的要求都比较苛刻, 为了稳定进水水质不污染膜, 通常都需要增加预处理单元。这种处理方式装置投资和运行费用较高, 投资回收期也很长, 但社会效益高。
制约污水回用率提高的原因主要是污水深度处理回用技术不够成熟。随着工业的发展, 节能减排政策逐步收紧, 对大型企业的吨产品耗水指标要求越来越高, 因此废水回用技术越来越受到重视。但从目前运行的情况来看, 能够维持长周期稳定运行的情况较少, 大部分主要原因是因为膜容易被污染失效。从实际工程应用来看, 污水回用装置的投资大、投资回收期长, 虽然社会效益好但没有经济效益, 运行稳定性还不能完全保证。所以从长远角度想要实现污水回用的社会效益和经济效益还需要不断的提高装置的稳定性和降低投资成本。
节水管理分两个层次, 第一个层次是政府管理层次, 第二个层次是企业管理层次。长期以来, 节水一直被认为是企业行为。随着工业发展及水资源恶化, 节水被提到了政府管理层面。2006年国务院公布了《取水许可和水资源费征收管理条例》, 据专家估测我国水资源费全额征收量大约在200亿元/年左右, 这对于地方财政收入来说无足轻重, 由于水资源费定价很低, 所以一直没有引起重视。从政府层面, 应该加强对企业的取水及计量管理, 合理定价, 约束企业无节制的取水。对企业的单位产品水耗从政策上进行规范和引导, 制定企业用水考核制度。
对于企业层次的节水管理, 企业要完善节水管理制度并加强节水管理监督机制, 加强用水的计量与考核, 严格控制各装置的用水指标。强化节水思想, 牢固树立节水观念, 使节水管理渗透到生产的每一个环节。对水汽输送环节、制水环节、工艺水环节、循环水环节、蒸汽及冷凝液环节、生活水环节和污水回用环节提高管理, 杜绝跑冒滴漏, 防止水资源无谓的损失。提高装置运行操作水平和循环水浓缩倍数, 使循环水高效运行, 防止循环水低效率运转。
煤化工的发展, 开发节水型生产工艺是发展煤化工产业的当务之急。我国“十一五”期间出现了“煤化工热”, 富产煤炭的地区 (如山西、陕西、内蒙古、新疆等) 为了提高煤炭资源的附加值, 要求资源占有企业实行煤炭开采就地转化, 以获取最大附加值。目前, 全国3000万吨以上的大型煤炭企业几乎都涉及煤化工产业, 出现“逢煤必化”的高潮。应该清醒的认识到, 煤化工是一种高能耗、高水耗、高CO2排放的产业, “十一五”期间处于“打通工业流程”阶段, 工艺尚未完全成熟, 对于同样的产品煤化工项目水耗指标与石油化工路线相比要高很多。煤制甲醇为10~15 t/t产品;间接法 (F-T合成) 煤制柴油为13.5t/t产品;煤制烯烃为28~32 t/t产品。这些数据几乎比石油化工路线获得同样产品高5~20倍[5]。《“十二五”煤化工示范项目技术规范》对煤化工用水指标作出了明确规定, 单位产品新鲜水耗分别控制煤制合成氨不超过6t/t、煤制烯烃不超过22t/t烯烃、煤制油间接液化不超过11 t/t油品、煤制天然气不超过6.9 t/km3、煤制乙二醇不超过9.6t/t。这就为煤化工工艺的节水指标提出了明确要求。而富煤地区往往都是缺水地区, 水资源大约仅为全国平均值的1/4~1/2, 在“量水而行”的原则下, 煤化工项目如何拿到水资源指标就成为首要问题。所以, 开发节水型煤化工工艺是解决煤化工企业用水问题的重要课题。
大型煤化工的节水工作对大型煤化工项目建设审批及运营的制约性已经非常的显著。为了适应煤化工发展的新趋势, 从对环境的保护和资源充分利用的角度推进节水工作。必须从技术理论研究、工程设计及应用和运行管理三方面同时进行, 不断的累积经验, 将煤化工企业的用水量控制在合理的范围内。
摘要：本文从煤化工的发展现状出发, 从节水理论的研究、节水技术的应用和节水管理等方面进行了论述, 阐明了水资源对煤化工可持续发展的限制及节水措施对煤化工可持续发展的重要性和必要性。结论认为, 只有不断的研究开发新的节水技术和不断的完善科学的节水管理制度才能让煤化工健康可持续的发展。
关键词：煤化工,项目,节水,探讨
[1] Bagajewicz M.A review of recent design procedures for water networks in refineries and process plants[J].Computers&Chem, Engng.2000, 24:2093-2113.
[2] Wang Y, Smith R.Watse Water minimization[J].Chem Wang Y, Smith R.Watse Water minimization[J]Eng Science, 1994, 49 (7) :981-1006.
[3] 杨友麒, 庄芹仙.节水减排的过程系统工程方法[J].现代化工, 2008, 1 (20) :49-54.
[4] 史永宁.大型煤化工项目闭式循环冷却水系统设计探讨[J].工业用水与废水, 2014, 45 (4) :55-57.
[5] 杨友麒, 庄芹.炼油化工企业节水减排的进展和存在问题[J].化工进展, 2012, 12 (5) :34-38.
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