大型煤制烯烴項目用水節水研究

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(以下簡稱中煤陜西公司)位于陜西省榆林市，其一期項目(規模為180萬t/a甲醇、60萬t/a聚烯烴)于2011年8月23日開工建設，于2015年1月正式進入商業化生產運營，主要利用GE公司水煤漿加壓氣化技術、DAVY公司甲醇合成技術、大連化物所DMTO技術等國內外成熟、先進、可靠的生產工藝，以煤為原料生產180萬t/a甲醇和60萬t/a聚烯烴，以實現石油替代和煤的清潔利用。

為了詳細摸清水資源的科學利用情況，于2018年4月開展了全公司的水平衡測試，對煤制烯烴用水、節水的分析和研究等問題進行了系統的研究與探討。

1 水系統概況

中煤陜西公司煤制烯烴項目用水主要包括新鮮水、循環水、除鹽水、除氧水、蒸汽及其凝結水和中水等。其中，新鮮水主要用于制備除鹽水、循環水場補水、消防補水及生活用水等；除鹽水主要用于泵的密封、除氧器補水；循環水主要用于物流及設備冷卻；除氧水主要用于鍋爐及蒸汽發生器產汽；蒸汽蒸汽及其凝結水主要用于驅動汽輪機、工藝及設備加熱和采暖伴熱等；中水全部回用于循環水場補水和脫鹽水裝置原水制脫鹽水系統補水。

2 主要用水點分析

中煤陜西公司煤制烯烴項目在2018年4月23日的水平衡測試表明：新鮮水取水量為1641.54 m3/t， 其中循環水系統補水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。

從用水點分析，煤制烯烴項目的用水特點是直接取用的新鮮水在總用水中所占比例較低，新鮮水主要用于補充冷卻水及制取脫鹽水。

3 用水技術經濟指標

依據《節水型企業評價導則》(GB/T7119-2006)，計算用水技術的各項經濟指標。

3.1 重復利用率

重復利用率是指在一定的計量時間內，生產過程中所使用的重復利用水量與總用水量之比見式(1)：

(1)

式中：R——重復利用率， %；

Vr——在一定的計量時間內企業的重復利用水量，m3/h；

Vi——在一定的計量時間內企業的新鮮水取水量，m3/h。

根據水平衡測試數據，重復利用水量Vr為118825.66 m3/h，新鮮水取水量Vi為1641.54 m3/h，因此工業水重復利用率為98.64%。

3.2 循環水濃縮倍數

循環水濃縮倍數是指循環水含鹽量與其補水的含鹽量之比見式(2)：

(2)

式中：K——循環水濃縮倍數；

Ccy——循環水含鹽量，mg/L；

Cf——補水的含鹽量，mg/L。

根據水平衡測試數據：循環水含鹽量Ccy為1218.83 mg/L，補水的含鹽量Cf為214.2 mg/L，因此循環水場平均濃縮倍數為5.69。

3.3 除鹽水制水率

除鹽水制水率是指除鹽水產量與取水量之比見式(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。

根據水平衡測試數據：制除鹽水取水量Vcin為918.59 m3/h(新鮮水)，生產的除鹽水量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

在一定的時間內，蒸汽冷凝水回收量與蒸汽總產量(包括裝置鍋爐、汽包自產蒸汽量)的質量見式(4)：

(4)

式中：Rb——蒸汽冷凝水回收率， %；

Vbr——蒸汽冷凝水回收量(標準狀態下)，m3/h；

D——產汽設備的產汽量，t/h；

ρ——蒸汽冷凝水體積質量(標準狀態下)，t/m3。

根據水平衡測試數據，蒸汽冷凝水回收量Vbr為1748.76 m3/h，產汽設備的產汽D為1978 t/h，另蒸汽冷凝水體積質量ρ為1 t/m3，因此蒸汽冷凝水回收率為88.41%。

3.5 單位聚烯烴產品取水量、單位甲醇取水量

單位化工產品取水量為生產單位產品所需要的新鮮水量見式(5)：

(5)

式中：Vui——單位產品取水量，m3/t；

Q——在一定計量時間內的產品總量，t/h。

根據水平衡測試數據：新鮮水取水量Vi(包括空分)為1641.54 m3/h；另進行水平衡測試時烯烴產量Q為87.52 t/h，因此單位聚烯烴產品取水量為18.77 m3/t。

此外，測試時甲醇裝置Q折純產量為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 單位產品污水排放量

單位產品排污水量為加工每噸產品所排放的污水水量見式(6)：

(6)

式中：Pch——單位化工產品排水量，m3/t；

Vp-ch——在一定的計量時間內生產某化工產品的排水量，m3/h。

根據水平衡測試數據：污水排放量Vp-ch為731 m3/h，烯烴產量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量時間內，經過處理后回用的污水量與處理的污水量總量之比見式(7):

(7)

式中：Kw——廢水回用率， %；

Vw——在一定的計量時間內，企業對外排放廢水自行處理后的回用水量，m3/h；

Vd——在一定的計量時間內，企業向外排放的廢水量，m3/h。

根據水平衡測試數據，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

即用水管網損失占總供水量的比值見式(8)：

(8)

式中：K1——用水綜合損失率， %。

根據水平衡測試數據，新鮮水管網漏失量V1為17.96 m3/h(注：包括計量誤差)，企業的新鮮水取水量Vi為1641.54 m3/h，因此用水綜合漏失率為1.094%。

3.9 聚乙烯、聚丙烯單位產品用水量

聚乙烯聚丙烯單位產品用水量是指生產時的各種用水量與產品量之比同式(5)。聚乙烯、聚丙烯的用水量是指從甲醇生產出聚烯烴各裝置的用水量，包括循環水補水468.21 m3/t，脫鹽水20.16 m3/t，新鮮水6.80 m3/t，共總計用水Vi為495.16 m3/t；測試時烯烴產量Q為87.52 t/h，因此單位聚乙烯、聚丙烯產品用水量為5.66 m3/t。

4 用水技術經濟指標評價分析

經過計算，將用水技術經濟指標和行業相關指標進行對標評價，部分對標分析的數據來源于石油化工行業的相關標準、《節水型企業石油煉制行業》(GB/T 26926-2011)和《煉化企業節水減排考核指標》(Q/SH0104-2007)，加工噸產品的用排水指標來源于《陜西省行業用水定額》。

用水指標與國家標準和同行業指標比較分析見表1。

表1 用水指標與國家標準和同行業指標比較分析

由表1中煤陜西公司用水指標與行業指標對比可以看出，中煤陜西公司的工業水重復利用率為98.64%，優于同行業水平98.33%，達到《建設部關于印發<節水型企業目標導則>的通知》 (城建1997〔45號〕)中有機化工類水的重復利用率應達到97.5%以上的指標要求，優于節水型企業要求的達標水平。

(1)循環水場濃縮倍數為5.69，高于同行業和化工系統循環水濃縮倍數的達標要求，屬于優秀水平，這方面除了中煤陜西公司煤制烯烴項目的管理較好之外，還有循環水補水水質較好的原因。

(2)脫鹽水裝置制水率數值為0.713%，優于行業達標水平要求的0.648%。

(3)蒸汽凝結水回收率為88.41%，優于節水型企業評價標準要求的5.13%。

(4)單位烯烴取水量為18.77 m3/t，優于同行業要求的24.38 m3/t。

(5)根據《陜西省行業用水定額》(DB61/T943-2014)規定：新建煤制甲醇，單位甲醇產品用水定額不得超過9 m3/t。本項目單位甲醇取水量為4.37 m3/t，符合該規定，優于同行業要求的5.71 m3/t。

(6)廢水回用率為76.65%，優于同行業要求的43.62%，達到50%標準要求。

(7)用水綜合漏失率為1.094%，優于節水型企業的評價標準要求的5%，優于同行業要求的1.82%。

(8)根據《陜西省行業用水定額》(DB61/T943-2014)規定：新建項目，MTO裝置原料為甲醇生產聚乙烯，單位產品用水定額不得超過8 m3/t。本項目單位聚乙烯、聚丙烯產品用水量為5.66 m3/t，符合該規定，優于同行業要求的5.71 m3/t。

5 節水措施與管理

通過用水指標分析后認為，中煤陜西公司主要用水指標都已達到了節水要求，這主要是由于采用了國內、國際先進的工藝技術，遵循了節約、可靠、經濟的原則，同時重視水資源的重復利用率，并通過采取有效的節水措施，使主要用水指標達到節水要求。此外，為了降低新鮮水的消耗量，中煤陜西公司煤制烯烴項目采用了節能型的工藝和設備，強化內部節水措施，提高水資源利用；對各裝置主要工業水、冷卻水盡可能采用循環水；采用先進的污水處理和污水回用處理工藝技術，在工藝技術經濟可行的基礎上，盡可能地實現水的回收利用。

5.1 節水措施

主要采取嚴格控制地面沖洗水、設備沖洗水和生活用水，嚴禁濫用、多用等節水措施，實行清污分流，嚴格控制排污；蒸汽凝結水回收使用，提高凝結水回用率；設置用水計量儀表，強化用水管理和節水考核；來自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補充水，節約了新鮮水用量；采用先進的GE水煤漿加壓氣化工藝，優化換熱流程，選用高效節能的設備，合理利用熱位能，提高換熱效率，節省循環水用量。

同時積極實行分質供水，給水系統劃分為生活給水系統、生產給水系統、穩高壓消防系統和循環水給水系統。 排水系統按清污分流、污污分流、分類收集的設計原則進行劃分，嚴格控制排污。裝置內排水系統劃分為生活污水系統、污染雨水及生產污水系統、含樹脂廢水系統和雨水清凈下水系統。脫鹽水站收集各生產裝置的蒸汽工藝冷凝液和透平冷凝液進行精制處理，變成合格的脫鹽水供給各生產裝置使用，減少了新鮮水的用量。

5.2 依靠科技節水降耗

中煤陜西公司化工裝置的噸烯烴耗水由開車時的25 m3/t，經過一系列的節水技改措施降至目前的23 m3/t，為企業創造了良好的經濟效益，主要節水技改技措如下。

5.2.1 蒸汽伴熱系統凝液回收

根據凝液收集分布區域的特點，共新設4個凝液收集閃蒸罐，通過技術改造回收全部排放的凝結水，回收的凝結水可以送至第二循環水站作為補充水，降低原水消耗，從而達到節水目的。項目實施后回收凝結水為26.99萬t/a，回收蒸汽為2.43 t/a，產生經濟效益為397萬元/a。

5.2.2 循環水冷卻塔塔頂水汽回收

循環水裝置開式冷卻塔塔頂水汽回收技改項目，已在2間開式冷卻塔進行初步試驗性實施，經過試運行, 冬季冷卻塔塔頂水蒸氣明顯降低，回收水量超過蒸發水量的20%，回收凝結水電導率小于100 μs/cm，達到軟化水標準。在夏季環境溫度較高時，對冷卻塔主風機及循環水冷卻能力沒有明顯影響。目前存在的問題是此裝置在冬季運行時冷卻的凝結水不能全部回收，此外塔外有結冰現象，所以冷凝水的收集方式需要繼續改造。

5.2.3 氣化爐撈渣機增加振動篩節水

氣化爐撈渣機出料的灰渣含水量較大，灰渣計量、收費按照稱重收費，運輸成本高；對氣化裝置的8臺撈渣機進行增加振動篩改造，增設振動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出量減少為600 t/d，可節約運輸費用為211萬元/a，可節約水量為22萬t/a，節水減排效果顯著。

5.2.4改變冷卻塔風機葉片材質，提高冷卻塔冷卻能力

循環水裝置夏季實際供水溫度超過30℃，影響主裝置高負荷生產。針對冷卻塔風機玻璃鋼強度小的問題，提出將玻璃鋼葉片更換為強度大、質量輕的碳纖維，葉片角度可調整20℃，冷卻風量增加10%以上，夏季最熱月冷卻塔溫差超過10℃，冷卻塔實際出水溫度低于30℃，通過更換強度更大碳纖維葉片，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30℃，平時運行比玻璃鋼葉片冷卻塔低1～2℃，保證主裝置高負荷甚至超負荷生產，產量不降，節水效益顯著。

5.2.5 控制循環水的濃縮倍數，減少補水量

加強循環水水質管理與精細化操作，根據循環水水質及時調整排污量和加藥量，在保證循環水水質指標合格的前提下，降低循環水排污量，提高循環水濃縮倍數，并保證不影響全廠換熱器的正常運行。這樣既可以降低回用水處理循環水排污量，為污水超負荷提供條件，也為全廠節約新鮮水用量。循環水設計濃縮倍數≥5，按照年均濃縮倍數5.69計算，節約補水成本135萬元。合理使用過程產水，降低新鮮水量，年節約費用83萬元。

5.3 節水管理

中煤陜西公司成立了專門的節水工作領導小組，領導和監督各單位的節水工作，對各用水設備的進排水口設置計量儀表，制定嚴格的用水定額，實現對各系統用排水量的有效控制。

5.3.1 加強用水分析，控制水耗

每天密切關切園區來水量以及各生產中心消耗水量，對消耗偏高的生產單位及時查找原因、采取措施，盡量將水消耗控制在最佳消耗范圍內。

5.3.2 對水實行定額管理

對水消耗制定嚴格的消耗定額計劃，并納入績效考核指標范圍內，使節水措施的實施有保障。

5.3.3 分質供水，梯次利用，優化工藝管理

嚴格控制綠化用水、生活用水以及施工建設用水。在工藝上嚴格控制循環水溫差，減少循環水用量，達到節能和節水的目的。優化循環冷卻水水質穩定處理方案，提高循環水濃縮倍數，減少補充水量，減少泄漏和蒸發等損失量。對用水水質的不同要求，合理劃分給水系統，分質供水，梯次利用。優化工藝并摸索最佳操作條件，在滿足生產的前提下，優化各脫鹽水用戶的補水量，減少脫鹽水補水量。根據季節變化和設備開停與負荷變化，及時調整循環用水水量。

5.3.4 建立節水信息化管理系統

將廠區內水的計量數據傳送到EMS信息化系統上，進行數據統計、處理和分析，得出用水和排水數據，有針對性地進行水量控制。

6 結語

節水是一項系統工程，離不開合理的設計和科學的管理，更離不開采用高效低耗的節水技術和設備。對于煤制烯烴項目水耗高的問題，通過采取先進的節水措施與管理，將能夠實現煤制烯烴耗水的持續降低，從而為促進煤化工的協調有序發展創造良好的條件。