化工企業(yè)水平衡測試實(shí)踐分析

陳曉成

(阜陽水文水資源局，安徽 阜陽 236000)

阜陽市地處安徽省西北部，人均水資源占有量約400m3，為全省人均占有量的1/3。多年來城區(qū)工業(yè)用水和居民生活用水大都以開采中深層地下水為主，由于長期超量開采中深層地下水，導(dǎo)致出現(xiàn)了以阜陽城區(qū)為中心達(dá)1200km2的地下水水位降落漏斗區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，特別是工業(yè)化、城市化進(jìn)程的不斷加快，水資源供需矛盾日益突出，節(jié)水是緩解阜陽市水資源供需矛盾的根本途徑之一。

昊源化工是阜陽市主要工業(yè)用水大戶，開展水平衡測試可為企業(yè)提高用水效率、節(jié)約用水提供最直接的科學(xué)依據(jù)。昊源化工具有工藝復(fù)雜、產(chǎn)品種類繁多、用水單元多、用水量大的特點(diǎn)。水在化工產(chǎn)品生產(chǎn)中既做原料又做介質(zhì)，參與了化工工序過程中的化學(xué)反應(yīng)，形成了化工產(chǎn)品。昊源化工廠區(qū)存在大量由各種管道構(gòu)成的生產(chǎn)系統(tǒng)，做水平衡測試范圍大、難度大、困難多。本文介紹了安徽昊源化工水平衡測試的步驟和方法，并采用化學(xué)分析法，對(duì)生產(chǎn)尿素、碳酸氫銨、甲醇和嗎啉等產(chǎn)品，從理論上分析計(jì)算化工產(chǎn)品耗用水量，與水平衡測試成果中產(chǎn)品耗用水量進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證測試成果的合理性。

1 企業(yè)概況

1.1 企業(yè)規(guī)模

安徽昊源化工集團(tuán)有限公司(簡稱昊源化工)前身為阜陽縣化肥廠，現(xiàn)已發(fā)展成為集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的綜合性化工企業(yè)。公司現(xiàn)為國家高新技術(shù)企業(yè)，擁有省級(jí)企業(yè)技術(shù)中心。目前主要年產(chǎn)150萬t尿素、140萬t甲醇、26萬t苯乙烯、15萬t二甲醚、3萬t異丙胺、2萬t嗎啉、6000t二甘醇胺，并進(jìn)行余熱發(fā)電(30MW)等。其中尿素、甲醇產(chǎn)品為安徽省名牌產(chǎn)品，生產(chǎn)規(guī)模均為安徽省第一；嗎啉產(chǎn)品為安徽省名牌產(chǎn)品和安徽省高新技術(shù)產(chǎn)品，擁有6項(xiàng)發(fā)明專利。

1.2 主要產(chǎn)品生產(chǎn)工藝

昊源化工目前共有兩條生產(chǎn)線，老系統(tǒng)為傳統(tǒng)小氮肥工藝，新系統(tǒng)為粉煤加壓氣化新工藝。主要產(chǎn)品生產(chǎn)工藝如下：

a.合成氨生產(chǎn)：無煙煤或焦炭破碎篩分→煤氣化(C+H2O=CO+H2)→煤氣預(yù)處理→煤氣變換(CO+H2O=CO2+H2)→脫除殘硫或脫除CO→甲烷化→合成氣壓縮→氨合成(N2+3H2=2NH3)。

b.尿素生產(chǎn)：脫碳來的二氧化碳與冷凍工段來的液氨經(jīng)加壓送至尿素合成塔，在高溫高壓下反應(yīng)生成尿素和甲銨混合物，其化學(xué)反應(yīng)為2NH3+CO2→NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O。

1.3 裝表情況

昊源化工配有一級(jí)計(jì)量表7塊，分別對(duì)應(yīng)7眼深井進(jìn)行出水計(jì)量，一級(jí)表裝表率達(dá)100%；二級(jí)計(jì)量表10塊，分別是水處理系統(tǒng)6塊，1號(hào)雙曲線冷卻塔1塊，2號(hào)雙曲線冷卻塔1塊，系統(tǒng)循環(huán)水1塊，辦公及生活用水1塊，二級(jí)表裝表率達(dá)100%；三級(jí)計(jì)量表43塊，分別對(duì)各主要用水單元進(jìn)行計(jì)量，三級(jí)表裝表率達(dá)93%。

每年按檢定周期由當(dāng)?shù)赜?jì)量測試研究所進(jìn)行水表的檢測和校驗(yàn)。公司計(jì)量科每月定期對(duì)用水一級(jí)計(jì)量裝置進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)運(yùn)行不正常及時(shí)與阜陽市水資源處聯(lián)系，確保水表計(jì)量準(zhǔn)確可靠。

1.4 用水情況

取水情況：取水井7眼，井深在300～400m，均為全封閉井，裝有計(jì)量水表，分布在廠區(qū)內(nèi)。

用水狀況：用水為深層地下水，測試期間的日用水量(深層地下水量)約11000m3左右。

排水狀況：廠區(qū)雨、污水管網(wǎng)分開，清濁分流。只有一個(gè)外排排污口，位于廠區(qū)東北測，排污口處安裝了明渠流量計(jì)、環(huán)保設(shè)施運(yùn)行記錄儀、適配器，以及COD、NH3-N在線監(jiān)測儀等。

2 水平衡測試

2.1 查勘與測點(diǎn)布設(shè)

按照企業(yè)水平衡測試通則要求，為保證這項(xiàng)工作的順利開展，需要做一些前期現(xiàn)場勘查準(zhǔn)備工作。將圖紙上的用水管網(wǎng)和實(shí)際對(duì)照，弄清各用水單元的給水排水管網(wǎng)情況以及水表的安裝位置、數(shù)量和水管的管徑等，詳細(xì)查清每個(gè)用水單元的用水細(xì)節(jié)。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)物與圖紙對(duì)照，若圖紙與實(shí)際不一樣的以實(shí)物為準(zhǔn)，并現(xiàn)場修改繪制。由于廠區(qū)較大，為了以后監(jiān)測方便，對(duì)重要的取水井和水表位置采用GPS定位，對(duì)不同的用水單元管網(wǎng)采用7位碼標(biāo)識(shí)，前3位為用水單元名稱，由漢語拼音第1個(gè)字母組成，第4位、第5位為干支管編號(hào)，第6位、第7位為水管編號(hào)。

查看表計(jì)的運(yùn)行是否正常，并抽校部分水表。了解每塊水表的控制范圍和管道走向；對(duì)沒有安裝表計(jì)的用水管道，查勘采用儀器測量的位置，選擇的測試位置盡可能符合儀器的測試條件，現(xiàn)場做測試精度實(shí)驗(yàn)，確定最佳的測試位置，并做好標(biāo)記。

經(jīng)現(xiàn)場勘查，需要用儀器測量的有10處，讀表的有50處，分布在16個(gè)用水單元中。廠區(qū)外露的供水管道外加了保護(hù)層，測試時(shí)需要廠方協(xié)助配合破開管道外包裝；對(duì)熱水管道和蒸汽管道，測試時(shí)注意不要被燙傷；對(duì)高空管道測試時(shí)要系好安全帶等。

2.2 測試儀器設(shè)備

用于本次水平衡測試的儀器主要有測量管道流量的管壁測厚儀和超聲波流量計(jì)、測量明渠流量的流速儀、查找管道漏水的測漏儀，以及量水桶、溫度計(jì)、卷尺、GPS、鋼銼、鋼刷、砂布、打磨砂紙架、錘子、秒表、皮線、音響器、電筒和清潔紙等。

2.3 用水單元的劃分

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程和供水管路等特點(diǎn)，把具有相對(duì)獨(dú)立性的生產(chǎn)工序、裝置(設(shè)備)或生產(chǎn)車間、部門等分為主要生產(chǎn)用水、輔助生產(chǎn)用水和附屬生產(chǎn)用水3個(gè)用水單元。主要生產(chǎn)用水單元有5個(gè)：新合成氨系統(tǒng)、老合成氨系統(tǒng)、尿素系統(tǒng)、化工系統(tǒng)和汽輪機(jī)系統(tǒng)；輔助生產(chǎn)用水單元有9個(gè)：水處理系統(tǒng)、鍋爐、1號(hào)冷卻塔、2號(hào)冷卻塔、新系統(tǒng)循環(huán)水、老合成氨系統(tǒng)循環(huán)水、化工循環(huán)水、造氣循環(huán)水、污水處理及中水回用；附屬生產(chǎn)用水單元有辦公、食堂、洗浴、廁所、綠化、消防和茶爐等。

2.4 測試成果

在廠方的大力支持和協(xié)助下，廠方技術(shù)人員和測試小組多次到化工生產(chǎn)現(xiàn)場將圖紙上水流走向與實(shí)際管道相對(duì)接，明確每個(gè)單元用水的特點(diǎn)。測試時(shí)間定為3天，每天上下午各一次，共測試16個(gè)用水單元，共有276個(gè)水表讀數(shù)、54個(gè)測量數(shù)據(jù)。測試后對(duì)成果進(jìn)行分析匯總，測試期間企業(yè)用水量452.000m3/h，產(chǎn)品耗用水量118.000m3/h，蒸散發(fā)損失量184.000m3/h，漏損量2.000m3/h，外排水量148.000m3/h。測試期間的用水參數(shù)計(jì)算成果見表1。

表1 測試期間的用水參數(shù)計(jì)算成果

3 測試成果分析

3.1 化學(xué)分析法

水在化工產(chǎn)品生產(chǎn)中既做原料又做介質(zhì)，從化學(xué)反應(yīng)可以看出，合成氨(NH3)、尿素[CO(NH2)2]、嗎啉(C4H9NO)和甲醇(CH3OH)中的H元素均來自水H2O的分解，從理論上可以分析推求產(chǎn)品耗用水量。

a.生產(chǎn)合成氨理論上需分解的水量：3H2O→2NH3生產(chǎn)1.000t氨在理論上需分解水量為1.588m3，每日生產(chǎn)合成氨1672.060t，需分解水2655.620m3，合成氨是生產(chǎn)尿素的中間產(chǎn)品。

b.生產(chǎn)尿素理論上需分解的水量：生產(chǎn)尿素的化學(xué)反應(yīng)式為2NH3+CO2=CO(NH2)2+H2O，尿素生產(chǎn)以氨和二氧化碳為原料，生產(chǎn)1.000t尿素需氨0.567t，產(chǎn)生水0.300m3，測試期間日生產(chǎn)尿素3049.430t，需消耗氨1728.010t(間接用水2744.530t)，同時(shí)產(chǎn)水914.830m3。理論上日生產(chǎn)尿素實(shí)際耗水量為1829.700m3。

c.生產(chǎn)甲醇理論上需分解的水量：甲醇(CH3OH)中H來自水的分解，每生產(chǎn)1.000t甲醇，需分解水量為1.120m3，測試期間日生產(chǎn)甲醇951.950t，需分解水量1070.000m3。

d.生產(chǎn)嗎啉理論上需分解的水量：嗎啉(C4H9NO)是由一定比例的二甘醇(二乙二醇)、液氨和氫氣合成的，每生產(chǎn)1.000t嗎啉，需要增加分解水量為0.093m3，測試期間日生產(chǎn)嗎啉44.470t，需分解水量4.140m3。

理論計(jì)算與水平衡測試產(chǎn)品耗用水量對(duì)比情況見表2。

表2 理論計(jì)算與水平衡測試產(chǎn)品耗用水量對(duì)比情況

測試期間，理論上產(chǎn)品耗用水量為2903.840m3/d，通過水平衡測試推算的產(chǎn)品耗水量為2832.000m3/d，相差2.45%，總體上基本相符。

3.2 節(jié)水指標(biāo)分析

昊源化工水平衡測試期間共有尿素生產(chǎn)機(jī)組4組，1號(hào)機(jī)組停機(jī)，2號(hào)機(jī)組采用水溶液全循環(huán)法生產(chǎn)工藝，3號(hào)和4號(hào)機(jī)組采用氣體法生產(chǎn)工藝，根據(jù)《尿素取水定額》(HG/T 4187—2011)，每噸尿素取水定額指標(biāo)為3.300m3，每噸甲醇取水定額指標(biāo)為10.000m3。生產(chǎn)尿素所需水量應(yīng)為日生產(chǎn)合成氨所需水量(5712.000m3)和合成尿素所需水量(3504.000m3)之和，即9216.000m3。測試期間尿素的平均日產(chǎn)量為3049.430t，計(jì)算出生產(chǎn)每噸尿素取水量為3.020m3。甲醇生產(chǎn)在水平衡測試期間的取水量計(jì)算方法同尿素、合成氨相同，經(jīng)計(jì)算日取水量為1512.000m3，日生產(chǎn)甲醇量951.950t，計(jì)算出生產(chǎn)每噸甲醇取水量為1.590m3。計(jì)算出的尿素和甲醇取水量均小于標(biāo)準(zhǔn)限值，均達(dá)標(biāo)。節(jié)水指標(biāo)計(jì)算成果見表3。

表3 企業(yè)節(jié)水指標(biāo)計(jì)算成果

3.3 測試成果分析評(píng)價(jià)

測試成果反映了測試期間的各單元用水情況、生產(chǎn)的用水耗水和排水情況，由測試成果計(jì)算出的用水參數(shù)和企業(yè)節(jié)水指標(biāo)計(jì)算成果可以看出，經(jīng)企業(yè)多年的節(jié)水技術(shù)和設(shè)備的改造更新以及節(jié)水系列措施的實(shí)施，節(jié)水成效明顯，節(jié)水指標(biāo)數(shù)據(jù)均達(dá)標(biāo)。

4 改進(jìn)措施及建議

a.完善三級(jí)計(jì)量表，建議每個(gè)用水單元安裝出水水表。引進(jìn)水務(wù)管理軟件，提升節(jié)水管理現(xiàn)代化水平。在重要的表計(jì)上安裝實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，建立全廠用水量可視化平臺(tái)，在此平臺(tái)上優(yōu)化各單元用水。

b.改進(jìn)設(shè)備，優(yōu)化工藝，在滿足化工用水水質(zhì)的基礎(chǔ)上，盡量采用地表水，逐步壓縮優(yōu)質(zhì)深層地下水使用量。結(jié)合阜陽煤基新材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)總體規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)布局，實(shí)施“退城入園”措施，加快現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的搬遷進(jìn)度，減少和停止對(duì)阜陽城區(qū)深層地下水的開采和使用。

c.通過本次測試，查清了廠方測試系統(tǒng)中各用水環(huán)節(jié)、用水工藝及用水設(shè)備的基本情況，以及產(chǎn)品用水耗水和排水情況，并根據(jù)測試期間的產(chǎn)品所需水量參數(shù)進(jìn)一步核算了用水量數(shù)據(jù)，為廠方節(jié)水管理提供了技術(shù)資料，為水資源管理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)《企業(yè)水平衡測試通則》(GB/T 12452—2008)的要求，企業(yè)水平衡測試應(yīng)在不同季節(jié)(用水淡旺季)企業(yè)正常生產(chǎn)情況下分別進(jìn)行測試，綜合多次水平衡測試成果更能真實(shí)反映企業(yè)用水情況，建議企業(yè)選擇夏季和春季在日產(chǎn)量較穩(wěn)定時(shí)段再次進(jìn)行水平衡測試。

5 結(jié) 語

通過昊源化工的水平衡測試，對(duì)企業(yè)的用水、耗水和排水有了更清晰的了解，使企業(yè)清楚自身用水指標(biāo)和用水參數(shù)，為企業(yè)節(jié)水減排、提高用水效率、節(jié)約利用深層地下水資源提供了數(shù)據(jù)支撐。水平衡測試中采用化學(xué)分析法對(duì)產(chǎn)品耗用水量進(jìn)行分析計(jì)算，并與測試成果進(jìn)行對(duì)比，為化工企業(yè)產(chǎn)品耗用水量成果驗(yàn)證探索出了一種較為實(shí)用的方法。