大型煤制烯烴項(xiàng)目用水節(jié)水研究

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(jiǎn)稱中煤陜西公司)位于陜西省榆林市，其一期項(xiàng)目(規(guī)模為180萬(wàn)t/a甲醇、60萬(wàn)t/a聚烯烴)于2011年8月23日開(kāi)工建設(shè)，于2015年1月正式進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，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(guó)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(wàn)t/a甲醇和60萬(wàn)t/a聚烯烴，以實(shí)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(kāi)展了全公司的水平衡測(cè)試，對(duì)煤制烯烴用水、節(jié)水的分析和研究等問(wèn)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(xiàng)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(chǎng)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(dòng)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(chǎng)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(diǎn)分析

中煤陜西公司煤制烯烴項(xiàng)目在2018年4月23日的水平衡測(cè)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(diǎn)分析，煤制烯烴項(xiàng)目的用水特點(diǎn)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(píng)價(jià)導(dǎo)則》(GB/T7119-2006)，計(jì)算用水技術(shù)的各項(xiàng)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(jì)量時(shí)間內(nèi)，生產(chǎn)過(guò)程中所使用的重復(fù)利用水量與總用水量之比見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：R——重復(fù)利用率， %；

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

Vi——在一定的計(jì)量時(shí)間內(nèi)企業(yè)的新鮮水取水量，m3/h。

根據(jù)水平衡測(cè)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(jiàn)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(cè)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(chǎng)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(jiàn)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(cè)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(shí)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(jiàn)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(cè)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(jiàn)式(5)：

(5)

式中：Vui——單位產(chǎn)品取水量，m3/t；

Q——在一定計(jì)量時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)品總量，t/h。

根據(jù)水平衡測(cè)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(cè)試時(shí)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(cè)試時(shí)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(jiàn)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(jì)量時(shí)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(cè)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(jì)量時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)處理后回用的污水量與處理的污水量總量之比見(jiàn)式(7):

(7)

式中：Kw——廢水回用率， %；

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

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

根據(jù)水平衡測(cè)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(jiàn)式(8)：

(8)

式中：K1——用水綜合損失率， %。

根據(jù)水平衡測(cè)試數(shù)據(jù)，新鮮水管網(wǎng)漏失量V1為17.96 m3/h(注：包括計(jì)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(shí)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(jì)用水Vi為495.16 m3/t；測(cè)試時(shí)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(píng)價(jià)分析

經(jīng)過(guò)計(jì)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(duì)標(biāo)評(píng)價(jià)，部分對(duì)標(biāo)分析的數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)源于《陜西省行業(yè)用水定額》。

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

表1 用水指標(biāo)與國(guó)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(duì)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(hào)〕)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(chǎng)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(xiàng)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(píng)價(jià)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(guò)9 m3/t。本項(xiàng)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(píng)價(jià)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(xiàng)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(guò)8 m3/t。本項(xiàng)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(guò)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(guó)內(nèi)、國(guó)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(shí)重視水資源的重復(fù)利用率，并通過(guò)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(xiàng)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(duì)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(shí)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(shí)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(jì)量?jī)x表，強(qiáng)化用水管理和節(jié)水考核；來(lái)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(shí)積極實(shí)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(jì)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(shù)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(kāi)車時(shí)的25 m3/t，經(jīng)過(guò)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(diǎn)，共新設(shè)4個(gè)凝液收集閃蒸罐，通過(guò)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(xiàng)目實(shí)施后回收凝結(jié)水為26.99萬(wàn)t/a，回收蒸汽為2.43 t/a，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為397萬(wàn)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(kāi)式冷卻塔塔頂水汽回收技改項(xiàng)目，已在2間開(kāi)式冷卻塔進(jìn)行初步試驗(yàn)性實(shí)施，經(jīng)過(guò)試運(yùn)行, 冬季冷卻塔塔頂水蒸氣明顯降低，回收水量超過(guò)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(shí)，對(duì)冷卻塔主風(fēng)機(jī)及循環(huán)水冷卻能力沒(méi)有明顯影響。目前存在的問(wèn)題是此裝置在冬季運(yùn)行時(shí)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(dòng)篩節(jié)水

氣化爐撈渣機(jī)出料的灰渣含水量較大，灰渣計(jì)量、收費(fèi)按照稱重收費(fèi)，運(yùn)輸成本高；對(duì)氣化裝置的8臺(tái)撈渣機(jī)進(jìn)行增加振動(dòng)篩改造，增設(shè)振動(dòng)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(yùn)輸費(fèi)用為211萬(wàn)元/a，可節(jié)約水量為22萬(wàn)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(shí)際供水溫度超過(guò)30℃，影響主裝置高負(fù)荷生產(chǎn)。針對(duì)冷卻塔風(fēng)機(jī)玻璃鋼強(qiáng)度小的問(wèn)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(guò)10℃，冷卻塔實(shí)際出水溫度低于30℃，通過(guò)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(guò)30℃，平時(shí)運(yùn)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(shí)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(yùn)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(jì)濃縮倍數(shù)≥5，按照年均濃縮倍數(shù)5.69計(jì)算，節(jié)約補(bǔ)水成本135萬(wàn)元。合理使用過(guò)程產(chǎn)水，降低新鮮水量，年節(jié)約費(fèi)用83萬(wàn)元。

5.3 節(jié)水管理

中煤陜西公司成立了專門(mén)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(duì)各用水設(shè)備的進(jìn)排水口設(shè)置計(jì)量?jī)x表，制定嚴(yán)格的用水定額，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)水量以及各生產(chǎn)中心消耗水量，對(duì)消耗偏高的生產(chǎn)單位及時(shí)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(duì)水實(shí)行定額管理

對(duì)水消耗制定嚴(yán)格的消耗定額計(jì)劃，并納入績(jī)效考核指標(biāo)范圍內(nèi)，使節(jié)水措施的實(shí)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(duì)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(kāi)停與負(fù)荷變化，及時(shí)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(jì)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(jì)、處理和分析，得出用水和排水?dāng)?shù)據(jù)，有針對(duì)性地進(jìn)行水量控制。

6 結(jié)語(yǔ)

節(jié)水是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，離不開(kāi)合理的設(shè)計(jì)和科學(xué)的管理，更離不開(kāi)采用高效低耗的節(jié)水技術(shù)和設(shè)備。對(duì)于煤制烯烴項(xiàng)目水耗高的問(wèn)題，通過(guò)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。