煤制烯烴工廠節水途徑的探索

(神華包頭煤化工有限責任公司公用工程中心 ，內蒙古 包頭 014000)

水資源在煤化工產業中扮演著重要的角色，其主要功能體現在如下幾個方面：工藝用水參加化學反應、循環冷卻水蒸發或“跑、冒、滴、漏”損失需要的系統補水、循環冷卻水系統指標超高時須進行的必要排污后的補水、脫鹽水補充水、生產必須的沖洗水、工廠生活用水等。

對于上述水資源用途進行分析和思考，其中工藝參加化學反應用水、脫鹽水補充水、生產必須的沖洗水等是由煤化工工藝路線決定，在工藝路線不發生重大改進和變革的前提下，要進行水資源優化利用的降耗程度不大，對煤化工行業整體水資源消耗水平的降低不能起到明顯的作用，而工藝路線發生重大改進和變革往往意味著現有工廠設備設施的廢棄，重新投入大量人力物力進行裝置二次建設，因此通過主工藝路線變革來達到節水降耗的目的對現有工廠意義不大；生活用水的水資源消耗量取決于化工廠的人員數量，而且生活用水在整個煤化工工廠用水量中所占比例極小，基本可以忽略；而循環冷卻水蒸發或“跑、冒、滴、漏”損失時需要的系統補水和循環冷卻水系統指標超高時需進行的必要排污后的補水在煤化工工廠用水量占比較高，而且通過改進循環冷卻水系統運行狀況對降耗挖潛有較大的幫助。

1 應用實例

以我國西部黃河流域某60萬t/a煤制烯烴項目為例，其穩定運行1年實際統計的水量消耗見表1。

表1 60萬t/a煤制烯烴項目的水量消耗

從上表可以看出，循環水補水量占煤制烯烴水消耗總量31.9%，如果能夠將這部分耗水進行有效控制，將對煤制烯烴用水單耗下降起著關鍵作用。

2 循環水用水量控制措施

2.1 循環水蒸發水量控制

以上述我國西部黃河流域某60萬t/a煤制烯烴工廠為例，此工廠循環冷卻水系統設計循環水量12萬t/h，共設計24間機械通風開式冷卻塔，此循環冷卻系統部分設計指標見表2。

表2 循環冷卻系統部分設計指標

當地平均氣溫最高月份集中在5～9月，且平均最高溫度為30℃，10月～來年4月溫度較低，最低平均溫度為-17℃。經過多年的生產運行數據總結，在上游裝置100%負荷，當環境溫度高于10℃時，循環水冷卻塔風機基本需要全部開啟，通過大量的蒸發散熱才能滿足循環水供水溫度要求；當環境溫度低于10℃時，循環水冷卻塔風機不需要全部開啟，部分冷卻塔通過自然通風即可滿足生產需求；當環境溫度低于-10℃時，須將部分冷卻塔停用，增大冷卻塔淋水密度，預防冷卻塔填料結冰。

針對目前采用的機械通風開式冷卻塔，可以通過改造增加空冷翹片等措施，減少循環冷卻水與環境的接觸面積，將冷卻水傳熱方式通過空冷翹片變為與環境的間接傳熱，達到根據環境溫度變化采取不同的冷卻措施進行降溫的效果，進而降低單純依靠蒸發降溫而帶來的水量損失。冷卻塔工作原理見圖1。

圖1 冷卻塔工作原理

通過改造，在高溫天氣情況下，循環回水全部通過上塔線進入冷卻塔填料進行蒸發冷卻降溫，以滿足供水溫度要求；當環境溫度下降后，可以減少通過冷卻塔填料的水量，增加進入空冷設備的水量，通過環境溫差進行間壁式換熱，對循環冷卻水進行間接冷卻，同樣可以達到降低循環水溫度的效果，同時減少因蒸發散熱帶來的大量蒸發損耗。

此種類型冷卻塔目前已經在多家大型化工企業成功應用，尤其在西北、東北、華北等氣候濕度較小，但全年溫差較大且冬季環境溫度較低的地區應用效果尤為明顯。而這些地區也正是我國大型工業企業集中、資源開發集中、水資源存量較小、環境污染容量較小的重點地區，因此，此類型冷卻塔的應用具有更重要的意義。

經估算，將傳統的機械通風冷卻塔改造為新型半開式冷卻塔后，在保障同樣冷卻能力的前提下，系統全年補充水量可下降約10%以上。

2.2 循環水排污水量控制

工業冷卻水通過在系統內部的循環使用，達到降低水量消耗的目的。冷卻水在系統內部不斷循環使用，導致水體中雜質、離子、污染物等的濃縮；濃縮倍數越高，則系統補充水量越少，系統消耗水量也隨之降低。

系統排污量根據下式進行計算：

其中，B指系統排污水量；E指系統蒸發量；K指系統濃縮倍數。

通過上式可以看出，同一冷卻塔系統濃縮倍數K越大，則系統排污量B越小。但是當系統雜質、離子、污染物等濃縮到一定程度，將會給系統帶來腐蝕、結垢、堵塞等不利影響。因此，需要定期對循環水系統進行排污操作，將高濃度水排出，補充新鮮低濃度水。以上述烯烴工廠為例，循環水系統補水來自黃河，黃河水體自身特點為高氯離子、高濁度，因此，在以此水為補充水源的循環水系統中，氯離子和濁度是否能夠得到有效控制是循環水系統是否能夠達到高濃縮倍數、降低補充水量的關鍵所在，另外，系統中CODCr的高低和總Fe濃度也是循環水系統排污的一個主要控制因素。

根據GB 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》中要求，循環冷卻水系統中濁度控制在20NTU以下，氯離子控制在700mg/L以下，CODCr控制在150mg/L以下，總Fe濃度控制在2mg/L以下。

2.2.1 系統中濁度的控制

開式循環冷卻水系統內的濁度主要來源于水體中的固體雜質、膠體，以及冷卻水系統所處環境中的灰塵、花粉，夏季的昆蟲尸體等。目前主流的處理方法是通過增設旁濾系統將系統中的循環水進行過濾，過濾后的出水濁度控制在3NTU以下，將濾后水兌入冷卻水系統，來達到降低整個系統濁度的目的。

同時，通過改善冷卻塔所處環境，例如減少冷卻塔周邊裸露土地等方式，也能從一定程度上緩解環境對冷卻水濁度增加的不利影響。

2.2.2 系統中CODCr的控制

冷卻水系統中的CODCr主要來源于冷卻水中微生物滋生以及外界還原性物質的泄漏。

在冷卻水運行控制的過程中，為了能夠有效抑制系統中微生物生長，水體中一般會過量投加殺生劑，使水中余氯保持在0.2～1.0mg/L之間。而為了節約成本，一般工廠會盡可能靠下限保持余氯值。如果在系統沒有發生泄漏的情況下，系統余氯下降較快，CODCr呈現較快的上漲趨勢，則表明系統中微生物有可能出現大規模增長，應當加大殺生劑的投加量，適當提高余氯值，進一步抑制微生物的生長趨勢。被殺滅的微生物殘留物將會轉換為部分還原性物質，使CODCr呈現短暫的升高趨勢，通過排水后可以降低。

綜合上述情況，控制CODCr第一要控制好系統中的泄漏，盡可能減少外來的還原性物質產生的CODCr；其次要做好系統中微生物的日常控制，一旦微生物已經爆發，再利用大量的殺生劑予以去除，將會使系統中的CODCr出現明顯上漲的情況。而系統中CODCr的大量存在，將會大量增加系統的排水量，同時對系統本身的健康運行將帶來非常不利的影響。

2.2.3 系統中總Fe的控制

冷卻水系統中的總Fe主要來源于系統內管道、設備的沖刷、腐蝕等。系統日常運行中，主要通過調節系統pH值、緩蝕劑投加量等措施來控制系統中總Fe含量。系統中的總Fe含量一旦上升，對于系統的破壞性極大，而且目前來看除大量排水去除系統中總Fe含量外，并沒有特別有效的控制措施。如果提高系統pH值，將會在水中形成大量的氫氧化鐵沉淀，沉淀下部會產生垢下腐蝕，嚴重地影響系統壽命，同時沉淀將會影響系統換熱效率；而如果降低系統的pH值，則會進一步加劇管道、設備腐蝕；如果保持現狀不對系統內總Fe進行去除，則總Fe內包含的部分三價鐵會與管道、設備的單質鐵發生氧化還原反應，逐步加劇系統腐蝕，而且此類腐蝕一般為點蝕，對系統傷害極大。

因此，在系統投用前應當做好系統清洗、預膜工作；日常運行中，應當做好pH值控制，緩蝕劑投加、補膜等多項工作，使得系統中總Fe含量始終能夠維持在較低的水平，進而控制因總Fe含量超高而帶來的水耗損失。

2.2.4 系統中氯離子的控制

由于補充水中的氯離子無法去除，因此對于循環水系統中氯離子的控制，只能是盡可能減少除補充水中氯離子外的其他氯離子加成。

系統中氯離子的來源除補充水以外，另外一個重要來源是氯基殺生劑在進入系統后分解產生的大量氯離子。尋找高效的氯基殺生劑，提高藥劑中有效成分的比例，控制氯離子的分解；或使用其他類型不產生氯離子的殺生劑，可以大幅度降低由于藥劑使用而給系統中帶來的氯離子加成。通過實驗和生產實踐，可以采取以下幾種方法。

(1)使用非氧化性殺生劑替代原有氯基氧化性殺生劑，如異色唑啉酮、季銨鹽類殺生劑。但是由于此類藥劑一般成本較高，且長時間使用容易使系統內生物產生抗藥性，因此在實際生產實踐過程中非氧化性殺生劑的投加一般以輔助沖擊性投加為主。

(2)使用溴基殺生劑替代原有氯基殺生劑。此類殺生劑的殺生原理與氯基殺生劑基本相同，但是由于其作用的主要成分不同，因此不會給系統帶來明顯的氯離子上升的問題。但是此類殺生劑對于藻類殺生效果有限，不能很好地控制系統內藻類滋生，須使用其他殺生劑進行配合除藻。

(3)使用高效氯基殺生劑，提高殺生劑內有效氯含量，減少氯離子產生。高效氯基殺生劑一般指氯化異氰尿酸、二氧化氯等。由于二氧化氯性質不穩定易發生爆炸，因此一般不推薦使用。氯化異氰尿酸能夠很好地進行儲存，使用方便，而且水解產物異氰尿酸可以防止日光對于有效氯的破壞，因此可以更高效、長時間地對系統內微生物進行抑制，且其對藻類能夠產生極好的殺生效果。但是氯化異氰尿酸類殺生劑一般價格較高。

綜合上述幾點內容，在日常的生產中可以根據水質、水量、成本等多方面因素的不同變化采用不同的殺生劑復配的投加方式，最大限度降低殺生劑對水體中氯離子的加成，提高循環水濃縮倍數，減少系統排污水量。

2.3 循環水冷卻塔風吹損失的控制

循環冷卻水由塔頂向下噴濺進行冷卻時，由于外界風吹及風機的抽吸作用影響，循環水會有一定的飛濺損失和隨空氣帶出的霧沫夾帶損失。這些損失掉的水，統稱為風吹損失。參照各地冷卻塔的運行經驗，主要采取以下兩種措施來減少風吹損失。

2.3.1 采取強制導流通風的措施

在冷卻塔塔底進風口處增加百葉窗，改變進入和吹出冷卻塔的空氣流向，避免水滴隨風擴散至冷卻塔集水池以外的范圍，強制導流通風裝置見圖2。

圖2 強制導流通風裝置

2.3.2 選擇優良的收水器

冷卻塔排出濕空氣中挾帶許多細小水滴，排氣挾帶的水滴與塔內風速、風筒風速的大小及淋水密度有關，也與配水裝置噴出水滴大小及水速有關。為防止水量的風吹損失，避免對環境造成污染，通常在塔中設置收水器來捕獲這部分水分。

目前，大型機械通風冷卻塔多采用波形收水器來進行收水。但是不同的波形和波長所產生的收水效果差異較大，目前市面上采用較多的波形為V形波收水器(見圖3)、S形波收水器(見圖4)、M形波收水器(見圖5)、多波形收水器(見圖6)等，波長基本介于160～180mm，收水器片距從30～50mm等多種；也有部分冷卻塔采用蜂窩式收水器進行收水。

圖3 V形波收水器

圖4 S形波收水器

圖5 M形波收水器

圖6 多波形收水器

雖然收水器有不同型號，但是收水器工作的主要原理是增加水蒸氣在收水器上的流動距離及水蒸氣與收水器的碰撞概率，通過延長水蒸氣在收水器部分的通過時間來增加水蒸氣液化的概率，使得形成的液滴依靠重力重新回到冷卻塔中，降低水分通過風機飄逸的比例。

不同型號的收水器的收水效果不盡相同，一般來說波長越長、片距越小的收水器收水效果越好，但其帶來的通風阻力也就越大，雖然能夠得到更好的收水效果，降低水的飄散損失，但是對于冷卻塔風機電機功率要求也越高，冷卻塔的冷卻效果將受到影響。因此，要根據冷卻塔自身的冷卻能力、風機的運行功率、綜合能耗等多方面因素來考慮，選擇最優化的冷卻塔收水器，從而在保證冷卻效果的前提下盡可能降低水的飄散損失。

3 結語

通過本文的探索可以看到，對于目前大量應用的開式循環冷卻水系統確實有很多途徑可以達到節水的目的。不同的企業和用戶可以根據自身工廠所處的環境，結合運行中存在的特點等，通過合理地選擇冷卻塔形式、冷卻塔內部構造，優化日常藥劑投加方式、水質控制方式等措施來達到節水的目的。

在項目建設初期，最好能夠結合當地氣候、環境等因素選擇節水、消霧類型的冷卻塔，目前市場上此類冷卻塔的冷卻能力已經可以與大型開式冷卻塔媲美，因此，還突破了原有閉式冷卻系統冷卻能力有限的制約，節水、消霧冷卻塔無疑為大型循環冷卻水系統提供了一個更加經濟、環保的新選擇。

在外界環境不發生劇烈變換的前提下，盡可能保證循環冷卻水系統處于較穩定的狀態，能夠保持系統中的腐蝕、結垢、微生物控制等狀態相對平衡，避免系統控制指標出現大的偏移。循環冷卻水系統中腐蝕、結垢和微生物滋生是時刻發生的，而且是不可避免的，盡可能地減少外來藥劑、物質對系統平衡的影響，減少對水體的人為干擾和沖擊，才能使得循環水系統達到更高的濃縮倍數，從而減少系統排污水量。

其他如收水器換型等措施，必須結合原有設備運行工況來適度進行，不能為了節水而影響到系統的功能發揮，本末倒置。

總之，煤制烯烴工廠節水工作的關鍵在于循環冷卻水系統，對于循環冷卻水系統的深入研究將為工廠節水工作帶來更寬廣的思路，也將為煤制烯烴行業的生存和發展增添新的動力。