煤化工全廠水平衡系統(tǒng)解決路徑及應(yīng)對(duì)措施

(中國(guó)化學(xué)工程集團(tuán)有限公司，北京 100007)

大型煤化工是一個(gè)耗水的行業(yè)，煤化工離不開(kāi)水，水是煤化工的重要原料。通過(guò)對(duì)大型煤化工項(xiàng)目全廠用水進(jìn)行全面分析，將煤化工原料用水、循環(huán)水用水、脫鹽水用水、污水處理和“跑、冒、滴、漏”耗水等從源頭和技術(shù)層面上進(jìn)行有效控制，減少循環(huán)水耗水以及污染水耗水，減輕污水處理負(fù)荷，采用成熟可靠的循環(huán)水冷卻技術(shù)和污水處理技術(shù)，全面提高回用水重復(fù)使用率，才可能最大程度地減少一次水使用量，降低水耗。

1 大型煤化工耗水類(lèi)型分析

大型煤化工項(xiàng)目耗水通?？梢苑譃?類(lèi)，即原料水耗水、循環(huán)水耗水、脫鹽水耗水、污水處理耗水和“跑、冒、滴、漏”耗水等。

1.1 煤化工原料耗水

通過(guò)化學(xué)反應(yīng)消耗一次水是煤化工耗水的一個(gè)重要因素，沒(méi)有煤炭和水作為原料，就沒(méi)有煤化工產(chǎn)品的生成。工藝水蒸氣參與的化學(xué)反應(yīng)包括煤的氣化反應(yīng)：首先是碳與氧氣反應(yīng)，生成二氧化碳和提供熱量；其次是碳的氣化反應(yīng)，生成一氧化碳，并消耗熱量；最后是碳與水蒸氣反應(yīng)，生成氫氣、一氧化碳，并消耗煤完全氧化反應(yīng)放出的熱量，碳的完全氧化反應(yīng)放熱和煤的氣化反應(yīng)生產(chǎn)合成氣的吸熱達(dá)到完全平衡。還有一氧化碳的變換反應(yīng)，一氧化碳與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳并放出大量熱量。工藝蒸汽參與反應(yīng)的過(guò)程就是一個(gè)大量消耗水的過(guò)程，生成的產(chǎn)物中含有一定量的氫，故水作為原料參與了煤化工的化學(xué)反應(yīng)，沒(méi)有水也就沒(méi)有煤化工產(chǎn)品。

在煤化工準(zhǔn)入規(guī)模條件下，部分煤化工產(chǎn)品理論計(jì)算耗水量見(jiàn)表1，實(shí)際原料水的消耗要遠(yuǎn)大于理論耗水量。煤氣化工藝不同，公用工程配置也不同，消耗的原料水量也是有很大區(qū)別的。

表1 煤化工準(zhǔn)入規(guī)模部分煤化工產(chǎn)品化學(xué)理論耗水量

1.2 循環(huán)冷卻水耗水

在化工反應(yīng)中，反應(yīng)物或產(chǎn)物溫度升高和降低的過(guò)程，以及產(chǎn)物的低溫分離過(guò)程，均需要移走熱量，而這又是一個(gè)間接(或直接)換熱的過(guò)程。一般而言，化工物料熱量的轉(zhuǎn)移是通過(guò)循環(huán)冷卻水換熱方式實(shí)現(xiàn)的。

在敞開(kāi)的環(huán)境中，大量冷循環(huán)水與化學(xué)物料間接換熱，變成熱循環(huán)水；熱循環(huán)水再與空氣直接換熱，轉(zhuǎn)移熱量到空氣中，同時(shí)也帶走了一部分水。所以，蒸發(fā)損失的循環(huán)冷卻水是需要補(bǔ)水的，其補(bǔ)水計(jì)算通常由3部分損失水組成，蒸發(fā)水量(等于補(bǔ)充水量)可通過(guò)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，3部分蒸發(fā)水量為：蒸發(fā)損失水量、風(fēng)吹損失水量和排污損失水量(對(duì)于零排放則是可以回收的，但在回收部分也會(huì)損失一部分水量)。

例如：干球溫度40℃，K=0.16，△t=8℃，Q=180 000 m3/h，PW=0.001，Qpw=0.002

補(bǔ)水量：QBW=0.01K△t×Q+PW×Q+0.2Q

=(0.01×0.16×8+0.001+0.002)×180 000=2 844 m3/h

對(duì)于部分煤化工項(xiàng)目，當(dāng)采用不同工藝、不同規(guī)模和不同產(chǎn)品的煤化工規(guī)定耗水指標(biāo)時(shí)，化學(xué)反應(yīng)原料水用量、循環(huán)水用量、循環(huán)水蒸發(fā)水耗等經(jīng)測(cè)算的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 煤化工部分產(chǎn)品循環(huán)水蒸發(fā)耗水量

1.3 污水處理耗水

在煤化工的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，往往會(huì)有水參加反應(yīng)而生成的產(chǎn)物，原因在于水作為原料會(huì)過(guò)量，或者蒸汽沒(méi)有完全參加反應(yīng)生成產(chǎn)品，同時(shí)還可能生成一部分副產(chǎn)品，這就形成了水的混合物；此外還有反應(yīng)物本身伴隨生成水的過(guò)程，比如氫和氧的反應(yīng)、一氧化碳和氫生成甲烷的反應(yīng)，會(huì)生成水的產(chǎn)物；氣固反應(yīng)生成新的氣體產(chǎn)物就夾帶著固體粉塵，將這些氣固分離，通常會(huì)用水進(jìn)行洗滌，粉塵會(huì)伴隨水一道分離出來(lái)，形成污水，這種污水含有高濃度的有機(jī)物或難溶解的有機(jī)物，被稱(chēng)為高濃度有機(jī)污水或高濃度難降解有機(jī)污水。主要特征是高氨氮與高COD，通?？稍? 000 mg/L左右，有些高濃度有機(jī)污水出水COD濃度可在3 000～10 000 mg/L，同時(shí)BOD也高。在處理這些污水的過(guò)程中必然有水的消耗。

1.4 回用水處理耗水

由于環(huán)保要求，煤化工的污水處理必須達(dá)到近零排放，因此煤化工污水通過(guò)生化處理脫去有機(jī)物污染后還必須進(jìn)行回用水軟化脫鹽處理，不能直接排放。經(jīng)回用水處理達(dá)標(biāo)后可以作為循環(huán)水的補(bǔ)充水，或脫鹽水補(bǔ)充水，或少量的用于除塵、綠化等用途。但在污水生化處理和回用水處理以及濃鹽水濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶過(guò)程中會(huì)有部分水蒸發(fā)和損失，這與污水處理量、回用水處理量和處理工藝有一定的關(guān)聯(lián)度，一般而言，處理量越大，水的補(bǔ)充和消耗就越多。

回用水處理3類(lèi)廢水，第1類(lèi)是污水生化處理來(lái)的污水，第2類(lèi)是生產(chǎn)裝置脫鹽水處理來(lái)的濃鹽水，第3類(lèi)循環(huán)冷卻水由于在循環(huán)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)和加藥處理后，會(huì)使得循環(huán)水鹽含量增加，只有通過(guò)循環(huán)排出一部分冷卻水，才能進(jìn)行脫鹽和水質(zhì)穩(wěn)定處理。這三類(lèi)污水，特征是含鹽量(包括硬度等固體含量)較高、生產(chǎn)過(guò)程和水系統(tǒng)添加化學(xué)藥劑導(dǎo)致的鹽量復(fù)雜、酸堿度高等，通常在500～7 000 mg/L，且水量較大，只有經(jīng)過(guò)回用水脫鹽軟化處理后才能回用，主要是返回循環(huán)冷卻水系統(tǒng)作為補(bǔ)充水，以減少對(duì)循環(huán)水的一次水補(bǔ)充量。

1.5 脫鹽水、管理不善損失水及生活用水

脫鹽水處理制備脫鹽軟水是提供化學(xué)反應(yīng)工藝用水和鍋爐發(fā)電、蒸汽透平。主要是在制備過(guò)程中濃鹽水排污損耗的水，與脫鹽水用量及原水中的含鹽量、硬度有關(guān)，用水量越大，則含鹽量越高；硬度越大，則排污水就越多，補(bǔ)充水就越多。由于濃鹽水經(jīng)除鹽處理后可以回用，故大部分排污水是可以回收的。

管理不善和生活用水是不可逆的，屬于消耗原水，但其中生活污水經(jīng)處理后是可以回用的。這部分水的范圍包括全廠涉及與水相關(guān)的設(shè)備、管道、閥門(mén)、蓄水池等的“跑、冒、滴、漏”損失的水量，以及沖洗、綠化、生活用水等。通過(guò)以上分析可以看出，煤化工生產(chǎn)的用水是大量的。

2 大型煤化工水平衡分析

當(dāng)采用不同的氣化工藝和配置不同的公用工程組合，以及不同的供熱方案時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致煤化工用水量有較大的差異。以生產(chǎn)40億Nm3/a煤制天然氣為例，進(jìn)行水平衡分析說(shuō)明。

2.1 煤制氣全廠水平衡需求量分析

在零排放作為限定性要求的條件下，大型煤化工項(xiàng)目全廠水平衡中循環(huán)水用量是一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，其次在于建立以回用水作為循環(huán)水補(bǔ)充水的工藝路線，這也就將污水處理與循環(huán)水緊密聯(lián)系在一起。不同氣化工藝對(duì)循環(huán)水的需求量見(jiàn)表3。

表3 3種不同氣化工藝循環(huán)水需求量/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

通過(guò)表3可知，對(duì)于40億Nm3/a的煤制氣項(xiàng)目，規(guī)模一致，產(chǎn)品一致，但選用不同的氣化工藝，循環(huán)水的需求量差異明顯。

2.2 全廠循環(huán)水平衡

通過(guò)對(duì)表3的分析，當(dāng)我們選擇了3種不同的氣化工藝后，全廠循環(huán)水的蒸發(fā)量可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。

例如，取計(jì)算條件為：干球溫度40℃，K=0.145，Δt=8℃，Q=121 037 m3/h，PW=0.001，Qpw=0.002

循環(huán)水蒸發(fā)量估算：

QBW=(0.01KΔt+ PW+Qpw)Q

=(0.01×0.145×8+0.001+0.002)×121 037=1 767 m3/h

將上述數(shù)據(jù)列入表4中進(jìn)行分析比較。

表4 3種不同氣化工藝循環(huán)水平衡數(shù)據(jù)/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

由于循環(huán)水一方面蒸發(fā)水量非常大，另一方面為保持水質(zhì)穩(wěn)定和防腐等要求，需要在循環(huán)水中加入一定的藥劑，以保障水質(zhì)符合循環(huán)水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于此緣故，也就需要不斷地排放一定量的循環(huán)水污水。一般是通過(guò)循環(huán)水旁流排放，其水量計(jì)算非常重要。這是為了保證循環(huán)水的水質(zhì)而采取的必要排放措施，一般情況下，旁流水量按循環(huán)水量的1%～5%計(jì)算。當(dāng)旁流過(guò)濾除去循環(huán)水中的懸浮物時(shí)，可按下列公式計(jì)算：

QPL=〔QBWCBW+KSACa-(QPW+QFC)CRS〕/(CRS-CSS)

CBW——補(bǔ)充水的懸浮物含量，mg/L；

KS——懸浮物沉降系數(shù)，通常取0.2，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定；

A——冷卻塔空氣流量，m3/h；

Ca ——空氣中含塵量，g/m3；

CRS——循環(huán)冷卻水的懸浮物含量，mg/L；

CSS——旁流過(guò)濾后水的懸浮物和含量，mg/L；

QPL——旁流過(guò)濾水量，m3/h。

當(dāng)旁流過(guò)濾除去循環(huán)水中的堿度、硬度、某種離子或其他雜質(zhì)時(shí)，需按下列公式計(jì)算：

QCL=〔QMCMi-(QPW+QFC)CRi〕/(CRi-CSi)；

CMi——補(bǔ)充水中某種成分的含量，mg/L；

CRi——循環(huán)冷卻水中某種成分含量，mg/L；

CSi——旁流處理后水中某種成分含量，mg/L；

QCi——旁流處理水量，m3/h。

對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)我們應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注：循環(huán)水用量與蒸發(fā)水量的關(guān)聯(lián)，循環(huán)水排污水與回用水的關(guān)聯(lián)，排污水取值約占循環(huán)冷卻水量的0.4%～0.7%。回用水補(bǔ)充水量與回用水、濃水濃縮回用水、多效蒸發(fā)回用水關(guān)聯(lián)；一次水補(bǔ)充水量與回用水補(bǔ)充的關(guān)聯(lián)。

2.3 全廠一次水補(bǔ)充平衡

全廠一次水用量是一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，其主要決定于化學(xué)產(chǎn)品用水的原量，一般通過(guò)蒸汽的形式參加化學(xué)反應(yīng)，而蒸汽制備與鍋爐脫鹽水密切相關(guān)。不同氣化工藝生產(chǎn)天然氣的脫鹽水平衡數(shù)據(jù)和需求見(jiàn)表5。全廠一次水補(bǔ)充的平衡見(jiàn)表6。

表5 3種不同氣化工藝脫鹽水平衡數(shù)據(jù)/(m3·h-1)

續(xù)表

注：煤制氣40億Nm3/a。

表6 三種不同氣化工藝一次水補(bǔ)充的平衡數(shù)據(jù)/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

通過(guò)進(jìn)一步分析一次水系統(tǒng)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的點(diǎn)有：一次水補(bǔ)充量與化學(xué)反應(yīng)原料水的關(guān)聯(lián)以及脫鹽水方案的選擇；冷凝液回收量與發(fā)電的關(guān)聯(lián)，冷凝液回收多，一次水補(bǔ)充就少；脫鹽水蒸氣用量與化學(xué)原料水過(guò)量，以及未參加化學(xué)反應(yīng)形成的污水處理量以及處理難度；脫鹽水濃鹽水排放對(duì)回用水的影響；脫鹽排污水與脫鹽工藝選擇的關(guān)系對(duì)回用水的影響等關(guān)聯(lián)度。一次水未預(yù)見(jiàn)水取值約占一次水的5%～8%。在零排放作為限定性要求的情況下，全廠水平衡中脫鹽水用量在于建立的脫鹽水與生產(chǎn)用戶(hù)之間的關(guān)系，除保證脫鹽水在化學(xué)反應(yīng)中所消耗的原料水外，還應(yīng)考慮如何建立最佳的用水量，以保障污水的處理規(guī)模最經(jīng)濟(jì)。

2.4 全廠污水處理平衡

不同工藝對(duì)全廠污水處理的影響非常大。3種氣化工藝對(duì)污水處理的平衡數(shù)據(jù)以及影響見(jiàn)表7～9。

表7 三種不同氣化工藝污水生化處理平衡數(shù)據(jù)/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

表8 三種不同氣化工藝回用水處理平衡數(shù)據(jù)/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

表9 三種不同氣化工藝濃鹽水濃縮及蒸發(fā)結(jié)晶處理平衡數(shù)據(jù)/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

2.5 不同工藝氣化對(duì)水平衡的影響分析

通過(guò)對(duì)幾種煤制氣項(xiàng)目不同工藝所產(chǎn)生的水平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即表3～9所示，各類(lèi)指標(biāo)均有一定的差異。其中一次水、脫鹽水、冷凝液回收、脫鹽水消耗量、循環(huán)水量、循環(huán)水蒸發(fā)量、回用水用水量等數(shù)據(jù)對(duì)水平衡均有一定的影響。將采用不同氣化工藝得到的上述數(shù)據(jù)列入表10。受不同氣化工藝影響較大，固定床一次水用量就非常大，各氣化工藝的用水量差別較大。最明顯的是與限額設(shè)計(jì)指標(biāo)有一定的差距，暫不能滿(mǎn)足限定要求。污水處理和回用水處理規(guī)模也非常大，這是因?yàn)檠h(huán)水用量大，造成循環(huán)水蒸發(fā)量大的主要原因。

表10 不同氣化工藝水平衡比較數(shù)據(jù)/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

3 影響水平衡不利因素的改進(jìn)建議

通過(guò)對(duì)部分大型煤化工項(xiàng)目水平衡數(shù)據(jù)分析得知：煤化工項(xiàng)目有些用水是通過(guò)改進(jìn)技術(shù)路線和工藝方法以及提高工藝水平和設(shè)備制造水平，達(dá)到了節(jié)水的目標(biāo)；有些用水是不能節(jié)省的，比如化學(xué)反應(yīng)理論用水，其中生成多少產(chǎn)品、產(chǎn)品中含有的氫份額是一定的，理論需求量是必不可少的。理論上假設(shè)沒(méi)有任何排放損失，所有的未參加反應(yīng)和洗滌分離后污水全部回收利用，那么產(chǎn)品和副產(chǎn)品的含氫量是一定的，其在全部用水中占比并非最大。在煤化工準(zhǔn)入門(mén)檻的規(guī)模條件下，示范工程原料水年消耗理論量在100萬(wàn)～360萬(wàn)t。如何降低大型煤化工一次水用量，應(yīng)從下面幾個(gè)方面改進(jìn)和完善。

3.1 統(tǒng)籌項(xiàng)目系統(tǒng)內(nèi)熱量平衡綜合利用

限額用水是煤化工項(xiàng)目能否立項(xiàng)和建設(shè)的紅線，是不可逾越的一條規(guī)矩，“十三五”再上煤化工新項(xiàng)目一定會(huì)審核這條紅線，因此限額用水設(shè)計(jì)是唯一可選擇的途徑。化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中生成的反應(yīng)熱、鍋爐蒸氣提供的熱，在參加完反應(yīng)過(guò)程后，熱量的回收和綜合利用是一個(gè)系統(tǒng)工程，盡可能讓反應(yīng)物料之間，氣-氣、氣-液、氣-固、液-液、液-固最大限度換熱和利用，改變工序內(nèi)、工序間、產(chǎn)品間熱量轉(zhuǎn)移方式，尤其在低位能上的熱量?jī)?yōu)化利用方式。

3.2 改變熱量轉(zhuǎn)移冷卻方式及選用節(jié)水設(shè)備

低品位反應(yīng)熱通過(guò)冷卻水移走熱量所消耗的冷卻水量是巨大的，反應(yīng)物或產(chǎn)物溫度降低的過(guò)程、產(chǎn)物分離過(guò)程，均需要移走熱量，一般是通過(guò)循環(huán)冷卻水換熱，水把物料的熱量帶走，空氣冷卻又把循環(huán)水中的熱量轉(zhuǎn)移到空氣中，這就形成了龐大的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)移熱量到空氣中的同時(shí)把水本身也帶走了，所以循環(huán)冷卻水蒸發(fā)損失的水量在一次水中的占比是非常大。3萬(wàn)～12萬(wàn)t/h循環(huán)冷卻水蒸發(fā)水量在390～1 800t/h，耗水量在300萬(wàn)～1 450萬(wàn)t/a。研究和降低循環(huán)水用量、降低蒸發(fā)強(qiáng)度、減少蒸發(fā)量是改進(jìn)的重點(diǎn)方向和發(fā)展趨勢(shì)，包括冷卻方式的改進(jìn)，特別在低位熱換熱方式上的改變，空冷、閉式以及其他節(jié)水工藝和設(shè)備的研發(fā)推廣應(yīng)用。

3.3 煤化工工藝選擇和設(shè)計(jì)優(yōu)化創(chuàng)新

煤化工在副產(chǎn)大量有機(jī)污水、無(wú)機(jī)濃鹽水等方面，工藝選擇非常重要，產(chǎn)污水量大的工藝技術(shù)，勢(shì)必會(huì)對(duì)下游的處理能力以及補(bǔ)充水方面產(chǎn)生較大的影響。氣流床工藝產(chǎn)污水量就比碎煤加壓氣化工藝產(chǎn)污水量少得多，僅從水平衡的角度分析，固定床的選擇就存在一定的缺陷。另外，選擇的工藝生成的污水成分特別復(fù)雜，導(dǎo)致污水處理難度和投資大幅增加，應(yīng)引起重視。

3.4 優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)與水平衡制約機(jī)制

脫鹽水用量是一個(gè)非常重要的因素。脫鹽水除為化學(xué)反應(yīng)提供大量原料水外，還要建立優(yōu)化的熱電聯(lián)產(chǎn)與水平衡制約機(jī)制，否則大量的濃鹽水排放是加大含鹽污水處理和回用水處理負(fù)荷的一大不利因素，要平衡好蒸汽與發(fā)電的關(guān)系。選擇最佳的脫鹽水制備工藝和關(guān)鍵設(shè)備十分重要，既可以減少回用水處理負(fù)荷，最大限度回收利用好冷凝液，又可以減少一次水補(bǔ)充量，前序環(huán)節(jié)減少排放量，有利于后續(xù)環(huán)節(jié)減輕負(fù)荷。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)分析大型煤化工水平衡及影響水平衡的要素，應(yīng)統(tǒng)籌考慮對(duì)煤化工一次水、循環(huán)水、脫鹽水、污水處理在源頭上的有效控制，選擇成熟可靠的煤化工節(jié)水型化工工藝和節(jié)水型熱量冷卻和轉(zhuǎn)移的水處理工藝、設(shè)備及環(huán)?？刂萍夹g(shù)。盡量改進(jìn)對(duì)物料低位熱的轉(zhuǎn)移綜合利用方式，以降低循環(huán)冷卻水用量。只有把大型煤化工耗水量控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，才能使煤化工產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。