降低化工產(chǎn)品循環(huán)水消耗措施研究

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津300402）

以循環(huán)水為冷卻介質進行換熱，不僅可以使熱介質溫度降至較低，而且工況穩(wěn)定，操作簡便，故循環(huán)水作為冷卻介質，廣泛應用于化工領域，且在產(chǎn)品物料消耗中占有較大比例。當今，水資源匱乏問題日益突出，也使得循環(huán)水系統(tǒng)的維護和運行成本不斷上升，降低化工產(chǎn)品循環(huán)水消耗受到廣泛而深入的研究，并取得顯著成效，本文簡要介紹相關措施及其應用現(xiàn)狀。

1 采用替代冷卻介質

空氣廣泛存在于自然環(huán)境之中，對于濕度低、常年氣溫偏低、水資源缺乏、水電費較高的地區(qū)，以空氣代替水對熱介質進行降溫是較理想的選擇，但受空氣溫度及設備換熱面積影響，空氣冷卻器降溫能力有限，不適合與溫度較低的熱介質進行換熱。此外，盡管近年來空氣冷卻器不斷改進，但其一次性投入費用高，現(xiàn)場噪音大，調節(jié)頻繁，對電機要求高等劣勢仍在一定程度上限制其應用。王斌[1]通過核算在原有焦爐煤氣制甲醇系統(tǒng)新增循環(huán)水設備和空冷設施兩種方案的總運行費用，得出新增空冷設施方案運行費用較低的結論。由此可知，對于水費、排污費較高的地區(qū)，以空冷代替水冷能夠顯著降低循環(huán)水用量，增加經(jīng)濟運行效益。研究也表明，隨著空冷技術日趨成熟，空冷及空冷串聯(lián)水冷的冷卻方式或可得到更廣泛的應用。除空氣外，采用其它介質亦可實現(xiàn)循環(huán)水的替代，如熱泵精餾技術即是通過工質氣液相轉化吸放熱來實現(xiàn)傳熱，該技術已成功實現(xiàn)工業(yè)化，節(jié)能效益可觀，但一次性投資較大，且由于系統(tǒng)內(nèi)部耦合加重，操作難度增大，大范圍推廣需進一步優(yōu)化改進。但綜合考慮設備投資及操作成本等，熱泵精餾可實現(xiàn)較大節(jié)約，工業(yè)應用前景廣闊[2]。

2 優(yōu)化能量網(wǎng)絡

循環(huán)水換熱既涉及到循環(huán)水消耗問題，同時也包含能量交換問題。因此，能量網(wǎng)絡優(yōu)化對降低循環(huán)水消耗同樣具有重要意義，且以能量夾點技術最具代表性。能量夾點技術最早由Linhoff教授于1978年提出，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展與完善，已經(jīng)與ASPENPLUS等計算機軟件充分結合，并成熟的應用于化工設計和改造之中，節(jié)能效果受到廣泛認可。該技術從系統(tǒng)用能角度出發(fā)，在合理分析冷熱工藝物流性質的基礎之上，通過繪制冷熱物流組合溫焓曲線確定出夾點位置，將夾點之上定義為熱阱部分，且僅向該部分物流輸入熱能，將夾點之下定義為熱源，僅對熱源部分采用公用工程進行降溫，不允許發(fā)生跨越夾點的傳熱。該技術已在石化領域獲得廣泛應用，且節(jié)約投資和操作費用效益顯著[3]。

3 加強控制管理

化工生產(chǎn)過程中，裝置負荷波動、室溫變化、循環(huán)水系統(tǒng)溫度及壓力波動都將對換熱設備的循環(huán)水用量產(chǎn)生較大影響，盡管部分工藝對熱介質溫度要求嚴格，循環(huán)水量基本可實現(xiàn)自動調控，但多數(shù)工藝對熱介質溫度無嚴格要求，甚至溫度越低越好，極易發(fā)生循環(huán)水過量消耗問題，以我公司某次循環(huán)水調控為例，由于部分裝置停車后關閉循環(huán)水閥門，導致循環(huán)水管網(wǎng)壓力升高，運行裝置的循環(huán)水量較此前上漲近4%，系統(tǒng)進出口循環(huán)水溫差顯著降低，此種情況若不及時監(jiān)測調控，極易導致循環(huán)水消耗上漲。因此，生產(chǎn)管理精細化水平提高對降低循環(huán)水消耗至關重要。近年來，電氣和儀表專業(yè)通過不斷完善控制系統(tǒng)，從泵站、閥門與管網(wǎng)、終端冷卻設備和冷卻塔四部分出發(fā)，不斷優(yōu)化循環(huán)水系統(tǒng)，減少了管網(wǎng)較大的阻尼工作點，實現(xiàn)了實時調控供水量、水泵運行臺數(shù)和效率以及冷卻塔投用數(shù)量等參數(shù)，大大降低了循環(huán)水用量及能耗。當前應用較廣泛的WECS技術，通過對各單元進行優(yōu)化控制，采用智慧閥門，對循環(huán)水換熱系統(tǒng)運行參數(shù)進行精確采集，并對主要耗能設備效率及能耗分析進行診斷優(yōu)化，綜合節(jié)能率可達到30%～60%。此外，水輪機改造、循環(huán)水泵葉輪切削優(yōu)化、變頻技術、閉路循環(huán)水系統(tǒng)應用、亞音頻波處理工業(yè)冷卻水技術、冷卻塔水蒸氣回收技術等循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化技術均得到較大發(fā)展，極大的加強了循環(huán)水控制管理的操作空間，對降低產(chǎn)品循環(huán)水消耗具有重要意義[4～6]。

4 維護換熱設備

換熱器的傳熱效率是決定循環(huán)水消耗的主要因素，化工生產(chǎn)中的循環(huán)水換熱器以間壁式換熱器為主，換熱量與換熱面積和傳熱系數(shù)成正比。經(jīng)過數(shù)年的優(yōu)化改進，換熱器通常都具有較大的傳熱面積，且傳熱過程也得到有效強化，但由于循環(huán)水系統(tǒng)存在較普遍的結垢問題，加之生產(chǎn)過程中熱介質側也可能存在代入粉塵、生成蠟等增加換熱器熱阻的情況，必將大大增加循環(huán)水的消耗。如我廠甲醇合成催化劑處于末期時，為保證生產(chǎn)條件，進入高壓分離器前的水冷器循環(huán)水量較前期用量上升超過1000t/h，使得甲醇產(chǎn)品循環(huán)水消耗顯著上升。因此，各單位在做好換熱設備循環(huán)水溫差監(jiān)測的同時，一方面，可選用涂料及涂裝工藝較先進的耐腐蝕結垢換熱器；另一方面，需定期清洗換熱器，必要時可根據(jù)生產(chǎn)情況采取在線煮蠟等措施清洗換熱器。此外，由于多數(shù)換熱器易發(fā)生腐蝕問題，不僅影響水質，甚至還會出現(xiàn)泄漏，嚴重影響生產(chǎn)，因此，在生產(chǎn)管理中要及時檢修甚至淘汰故障換熱設備，檢修時采用先進科學的焊接工藝，最大程度減輕設備結垢及腐蝕泄漏問題，延長換熱器使用壽命[7,8]。

5 嚴控水質指標

隨著節(jié)水意識的增強，各單位著力降低污水排放，不斷刷新循環(huán)水的濃縮倍數(shù)記錄，資料顯示，有單位循環(huán)水近零排放后循環(huán)水的濃縮倍數(shù)可提高至8[9]。盡管較高的濃縮倍數(shù)能減少用水量，但循環(huán)水中的固體微粒、生物污垢、無機鹽等組分也將增加，易粘附在換熱器或冷卻水管線表面形成水垢，甚至形成腐蝕電池或生物腐蝕，引起嚴重的垢下腐蝕，直接影響換熱效果。這就要求技術人員通過科學控制補水和加藥來維持適宜的循環(huán)水水質。一方面要加強補充水水質、水溫、流速等參數(shù)的控制，另一方面需除去水中的溶解氧并降低氯離子，使用合適的緩蝕阻垢劑與殺菌劑來控制循環(huán)水的硬度、總堿度、pH值、總磷等運行指標，及時通過殺菌清洗剝離粘泥，確保循環(huán)水水質合格，最大程度降低換熱器或冷卻水管線結垢，確保換熱效果，進而節(jié)約循環(huán)水用量[10]。

6 結論

節(jié)約循環(huán)水對減輕能源危機和降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本有重大意義，采用替代冷卻介質、優(yōu)化能量網(wǎng)絡、加強控制管理、維護換熱設備和嚴控水質指標等方式能夠實現(xiàn)降低循環(huán)水消耗的目標，各單位應根據(jù)生產(chǎn)情況，綜合利用上述技術來實現(xiàn)循環(huán)水消耗精細管理，進一步降低循環(huán)水消耗。