煤化工全廠水平衡系統解決路徑及應對措施

(中國化學工程集團有限公司，北京 100007)

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

1 大型煤化工耗水類型分析

大型煤化工項目耗水通常可以分為5類，即原料水耗水、循環水耗水、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

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

在煤化工準入規模條件下，部分煤化工產品理論計算耗水量見表1，實際原料水的消耗要遠大于理論耗水量。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別的。

表1 煤化工準入規模部分煤化工產品化學理論耗水量

1.2 循環冷卻水耗水

在化工反應中，反應物或產物溫度升高和降低的過程，以及產物的低溫分離過程，均需要移走熱量，而這又是一個間接(或直接)換熱的過程。一般而言，化工物料熱量的轉移是通過循環冷卻水換熱方式實現的。

在敞開的環境中，大量冷循環水與化學物料間接換熱，變成熱循環水；熱循環水再與空氣直接換熱，轉移熱量到空氣中，同時也帶走了一部分水。所以，蒸發損失的循環冷卻水是需要補水的，其補水計算通常由3部分損失水組成，蒸發水量(等于補充水量)可通過相應的經驗公式計算得到，3部分蒸發水量為：蒸發損失水量、風吹損失水量和排污損失水量(對于零排放則是可以回收的，但在回收部分也會損失一部分水量)。

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

對于部分煤化工項目，當采用不同工藝、不同規模和不同產品的煤化工規定耗水指標時，化學反應原料水用量、循環水用量、循環水蒸發水耗等經測算的數據見表2。

表2 煤化工部分產品循環水蒸發耗水量

1.3 污水處理耗水

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

1.4 回用水處理耗水

由于環保要求，煤化工的污水處理必須達到近零排放，因此煤化工污水通過生化處理脫去有機物污染后還必須進行回用水軟化脫鹽處理，不能直接排放。經回用水處理達標后可以作為循環水的補充水，或脫鹽水補充水，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結晶過程中會有部分水蒸發和損失，這與污水處理量、回用水處理量和處理工藝有一定的關聯度，一般而言，處理量越大，水的補充和消耗就越多。

回用水處理3類廢水，第1類是污水生化處理來的污水，第2類是生產裝置脫鹽水處理來的濃鹽水，第3類循環冷卻水由于在循環過程中，經過蒸發和加藥處理后，會使得循環水鹽含量增加，只有通過循環排出一部分冷卻水，才能進行脫鹽和水質穩定處理。這三類污水，特征是含鹽量(包括硬度等固體含量)較高、生產過程和水系統添加化學藥劑導致的鹽量復雜、酸堿度高等，通常在500～7 000 mg/L，且水量較大，只有經過回用水脫鹽軟化處理后才能回用，主要是返回循環冷卻水系統作為補充水，以減少對循環水的一次水補充量。

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反應工藝用水和鍋爐發電、蒸汽透平。主要是在制備過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，用水量越大，則含鹽量越高；硬度越大，則排污水就越多，補充水就越多。由于濃鹽水經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的設備、管道、閥門、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。通過以上分析可以看出，煤化工生產的用水是大量的。

2 大型煤化工水平衡分析

當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，均會導致煤化工用水量有較大的差異。以生產40億Nm3/a煤制天然氣為例，進行水平衡分析說明。

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，大型煤化工項目全廠水平衡中循環水用量是一個非常關鍵的數據，其次在于建立以回用水作為循環水補充水的工藝路線，這也就將污水處理與循環水緊密聯系在一起。不同氣化工藝對循環水的需求量見表3。

表3 3種不同氣化工藝循環水需求量/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

通過表3可知，對于40億Nm3/a的煤制氣項目，規模一致，產品一致，但選用不同的氣化工藝，循環水的需求量差異明顯。

2.2 全廠循環水平衡

通過對表3的分析，當我們選擇了3種不同的氣化工藝后，全廠循環水的蒸發量可通過經驗公式進行估算。

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

循環水蒸發量估算：

QBW=(0.01KΔt+ PW+Qpw)Q

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

將上述數據列入表4中進行分析比較。

表4 3種不同氣化工藝循環水平衡數據/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

由于循環水一方面蒸發水量非常大，另一方面為保持水質穩定和防腐等要求，需要在循環水中加入一定的藥劑，以保障水質符合循環水的水質標準。由于此緣故，也就需要不斷地排放一定量的循環水污水。一般是通過循環水旁流排放，其水量計算非常重要。這是為了保證循環水的水質而采取的必要排放措施，一般情況下，旁流水量按循環水量的1%～5%計算。當旁流過濾除去循環水中的懸浮物時，可按下列公式計算：

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

CBW——補充水的懸浮物含量，mg/L；

KS——懸浮物沉降系數，通常取0.2，可通過實驗確定；

A——冷卻塔空氣流量，m3/h；

Ca ——空氣中含塵量，g/m3；

CRS——循環冷卻水的懸浮物含量，mg/L；

CSS——旁流過濾后水的懸浮物和含量，mg/L；

QPL——旁流過濾水量，m3/h。

當旁流過濾除去循環水中的堿度、硬度、某種離子或其他雜質時，需按下列公式計算：

QCL=〔QMCMi-(QPW+QFC)CRi〕/(CRi-CSi)；

CMi——補充水中某種成分的含量，mg/L；

CRi——循環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。

對循環水系統我們應重點關注：循環水用量與蒸發水量的關聯，循環水排污水與回用水的關聯，排污水取值約占循環冷卻水量的0.4%～0.7%。回用水補充水量與回用水、濃水濃縮回用水、多效蒸發回用水關聯；一次水補充水量與回用水補充的關聯。

2.3 全廠一次水補充平衡

全廠一次水用量是一個非常關鍵的數據，其主要決定于化學產品用水的原量，一般通過蒸汽的形式參加化學反應，而蒸汽制備與鍋爐脫鹽水密切相關。不同氣化工藝生產天然氣的脫鹽水平衡數據和需求見表5。全廠一次水補充的平衡見表6。

表5 3種不同氣化工藝脫鹽水平衡數據/(m3·h-1)

續表

注：煤制氣40億Nm3/a。

表6 三種不同氣化工藝一次水補充的平衡數據/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

通過進一步分析一次水系統，應重點關注的點有：一次水補充量與化學反應原料水的關聯以及脫鹽水方案的選擇；冷凝液回收量與發電的關聯，冷凝液回收多，一次水補充就少；脫鹽水蒸氣用量與化學原料水過量，以及未參加化學反應形成的污水處理量以及處理難度；脫鹽水濃鹽水排放對回用水的影響；脫鹽排污水與脫鹽工藝選擇的關系對回用水的影響等關聯度。一次水未預見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用戶之間的關系，除保證脫鹽水在化學反應中所消耗的原料水外，還應考慮如何建立最佳的用水量，以保障污水的處理規模最經濟。

2.4 全廠污水處理平衡

不同工藝對全廠污水處理的影響非常大。3種氣化工藝對污水處理的平衡數據以及影響見表7～9。

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

注：煤制氣40億Nm3/a。

2.5 不同工藝氣化對水平衡的影響分析

通過對幾種煤制氣項目不同工藝所產生的水平衡數據進行分析，即表3～9所示，各類指標均有一定的差異。其中一次水、脫鹽水、冷凝液回收、脫鹽水消耗量、循環水量、循環水蒸發量、回用水用水量等數據對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據列入表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計指標有一定的差距，暫不能滿足限定要求。污水處理和回用水處理規模也非常大，這是因為循環水用量大，造成循環水蒸發量大的主要原因。

表10 不同氣化工藝水平衡比較數據/(m3·h-1)

注：煤制氣40億Nm3/a。

3 影響水平衡不利因素的改進建議

通過對部分大型煤化工項目水平衡數據分析得知：煤化工項目有些用水是通過改進技術路線和工藝方法以及提高工藝水平和設備制造水平，達到了節水的目標；有些用水是不能節省的，比如化學反應理論用水，其中生成多少產品、產品中含有的氫份額是一定的，理論需求量是必不可少的。理論上假設沒有任何排放損失，所有的未參加反應和洗滌分離后污水全部回收利用，那么產品和副產品的含氫量是一定的，其在全部用水中占比并非最大。在煤化工準入門檻的規模條件下，示范工程原料水年消耗理論量在100萬～360萬t。如何降低大型煤化工一次水用量，應從下面幾個方面改進和完善。

3.1 統籌項目系統內熱量平衡綜合利用

限額用水是煤化工項目能否立項和建設的紅線，是不可逾越的一條規矩，“十三五”再上煤化工新項目一定會審核這條紅線，因此限額用水設計是唯一可選擇的途徑。化學反應過程中生成的反應熱、鍋爐蒸氣提供的熱，在參加完反應過程后，熱量的回收和綜合利用是一個系統工程，盡可能讓反應物料之間，氣-氣、氣-液、氣-固、液-液、液-固最大限度換熱和利用，改變工序內、工序間、產品間熱量轉移方式，尤其在低位能上的熱量優化利用方式。

3.2 改變熱量轉移冷卻方式及選用節水設備

低品位反應熱通過冷卻水移走熱量所消耗的冷卻水量是巨大的，反應物或產物溫度降低的過程、產物分離過程，均需要移走熱量，一般是通過循環冷卻水換熱，水把物料的熱量帶走，空氣冷卻又把循環水中的熱量轉移到空氣中，這就形成了龐大的循環冷卻水系統，在轉移熱量到空氣中的同時把水本身也帶走了，所以循環冷卻水蒸發損失的水量在一次水中的占比是非常大。3萬～12萬t/h循環冷卻水蒸發水量在390～1 800t/h，耗水量在300萬～1 450萬t/a。研究和降低循環水用量、降低蒸發強度、減少蒸發量是改進的重點方向和發展趨勢，包括冷卻方式的改進，特別在低位熱換熱方式上的改變，空冷、閉式以及其他節水工藝和設備的研發推廣應用。

3.3 煤化工工藝選擇和設計優化創新

煤化工在副產大量有機污水、無機濃鹽水等方面，工藝選擇非常重要，產污水量大的工藝技術，勢必會對下游的處理能力以及補充水方面產生較大的影響。氣流床工藝產污水量就比碎煤加壓氣化工藝產污水量少得多，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雜，導致污水處理難度和投資大幅增加，應引起重視。

3.4 優化熱電聯產與水平衡制約機制

脫鹽水用量是一個非常重要的因素。脫鹽水除為化學反應提供大量原料水外，還要建立優化的熱電聯產與水平衡制約機制，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荷的一大不利因素，要平衡好蒸汽與發電的關系。選擇最佳的脫鹽水制備工藝和關鍵設備十分重要，既可以減少回用水處理負荷，最大限度回收利用好冷凝液，又可以減少一次水補充量，前序環節減少排放量，有利于后續環節減輕負荷。

4 結語

綜上所述，通過分析大型煤化工水平衡及影響水平衡的要素，應統籌考慮對煤化工一次水、循環水、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水型化工工藝和節水型熱量冷卻和轉移的水處理工藝、設備及環保控制技術。盡量改進對物料低位熱的轉移綜合利用方式，以降低循環冷卻水用量。只有把大型煤化工耗水量控制在規定的范圍內，才能使煤化工產業健康發展。