節水型焦化企業用水與節水分析

門 樞 王 師 高 超

（中冶焦耐工程技術有限公司 遼寧大連 116085）

引言

焦化產業依托煤炭工業、依存鋼鐵工業并支撐鋼鐵業持續高增長，為國民經濟發展做出了重大貢獻，是國民經濟中的重要產業之一，同時焦化產業又是一個高能耗的產業。而降低水的消耗，有助于整個煉焦產業實現節能減排的目標，經過“十三五”期間的持續努力，焦化企業節水觀念已深入人心，基本改變了以往粗放式發展模式。2022 年焦化行業全年都處于低利潤，甚至部分企業處于虧損狀態。因此，“向成本要效益”成為焦化企業管理者普遍認可的觀點，尋求節水工藝成為降低企業生產成本的重要途徑[1～3]。

1 分析條件及依據

某鋼鐵聯合企業焦化廠，年產焦炭200 萬t，配套備煤、煉焦、干熄焦、焦處理、煤氣凈化及公輔設施。該企業給水系統包括生產給水系統、生活給水系統、消防給水系統、煤氣凈化循環水系統、制冷循環水系統、低溫水系統，配套建設生產、消防水泵站、循環水水泵站，循環水系統均為開式系統，濃縮倍數為5；排水系統包括生產生活排水系統、焦化廢水排水系統、初期雨水及事故水系統、雨水排水系統，配套建設初期雨水及事故水收集池、焦化廢水處理站，所有污水收集后均送焦化廢水處理站處理不外排，采用“雙膜法”處理后水回用至循環水系統作為補充水，膜濃液送鋼廠沖渣。相關參數計算見式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）。

式中Vui—噸焦取水量，m3/t；Vi1—自取水量（從自建或合建取水設施、市政供水工程等取水量總和），m3；Vi2—外購水量（外購水或水的產品量總和），m3；Vi3—外供水量（外供水或水的產品量總和），m3；Q—企業焦炭（產品）產量，t。

式中Kw—廢水回用率，%；Vw—企業對外排放廢水處理后的回用水量，m3；Vd—企業向外排放的廢水量，m3。

式中K1—用水綜合漏失率，%；V1—企業的漏失水量，m3；Vi1—從自建或合建取水設施、市政供水工程等取水量總和，m3；Vi2—外購水（或水的產品）量總和，m3。

式中Rc—間接冷卻水循環率，%；Vcr—間接冷卻水循環量，m3/h；Vcf—間接冷卻水循環系統補充水量，m3/h。

式中R—重復利用率，%；Vr—企業的重復利用水量，m3；Vi—企業的取水量，m3。

注：式1～5 中，Vi1、Vi2、Vi3、Q、Vw、Vd、V1、Vr、Vi均指在一定計量時間內的水量。

2 用水情況分析

2.1 水量平衡

通過對水量平衡的分析，可明確焦化廠用水組成，發現影響取水量的關鍵點，進而有針對性地采取措施，有效節水。本工程水量平衡圖如圖1 所示，圖中焦化企業取水量最大的用戶為循環水系統，其新水用量占總取水量的58%，主要用作開式循環水系統蒸發損失和排污損失的補充水。除鹽水站用水量次之，用水量約占總取水量的33.8%，這部分水作為除鹽水的原水，一部分被制成除鹽水供鍋爐產蒸汽用，另一部分為反滲透濃水及反洗水，進入排水系統，最終送焦化廢水處理站處理。生產工藝新水主要供水封、加濕卸灰等生產技術用水，用水量占總取水量的6.5%。漏損量與施工質量和生產管理有關，占總用水量的1%。生活用水主要供衛生間、洗浴、化驗等用水，不足總取水量的1%。煤中所含的水分，以蒸氨廢水和煤氣冷凝水的形式回收到焦化廢水處理站，處理后的水回用到循環水系統作為補充水，占循環水系統總用水量的44%，大大地減少了系統生產新水用量。

圖1 水量平衡圖

2.2 取水量

噸焦取水量是焦化企業衡量用水情況最直接的指標，也是《焦化行業規范條件》（工信部公告〔2020〕年第 28 號）和《節水型企業 煉焦行業》（GBT 34610-2017）重要的考核指標。本工程及相關規范要求的噸焦取水量見表1，工程噸焦取水量滿足《焦化行業規范條件》準入值要求，但距離先進值和考核值還有不小差距，要達到節水型焦化企業，還應采取更多的節水工藝和措施。結合式（1）及水量平衡的分析，要降低噸焦取水量，需先降低循環水系統的用水量，即降低蒸發水量和排污水量；同時，提高除鹽水產水率，并降低除鹽水的損失率，提高冷凝水的回收率；提高污水處理的回用率，實現“零排放”，也是降低噸焦取水量的有效方式。

表1 噸焦取水量 （單位：m3/t）

2.3 重復利用及漏損

節水型企業的其它考核指標見表2，4 項指標均基本滿足節水型企業的要求。其中，間接冷卻水循環率體現了整個循環水系統中，補水量占循環量的比例，也就是考察冷卻系統是否節水。從結果上看，采用間冷開式的冷卻塔，可基本滿足要求。

表2 節水型企業的其它考核指標(單位：% )

廢水回用率體現了污水處理的程度，節水型企業污水必須回用，才能滿足《焦化行業規范條件》對取水量的要求，才能滿足《煉焦化學工業污染物排放標準》（GB16171-2012）[5]對噸焦排水量的要求，同時污水回用也是GBT 34610-2017 考核指標。從指標要求上看，由于干熄焦甚至全干熄已基本替代傳統的濕熄焦，因此用“預處理+生化處理+深度處理”后的水熄焦的方法已不再適用。在深度處理后增加一級反滲透的雙膜法工藝，其產水率在75%左右，產水用作循環補充水，剩余約25%濃鹽水經簡單處理后用來洗煤、沖渣等，可滿足廢水回用率的基本要求。

重復利用率體現了循環水量占全廠用水量的比例，即要求各用水單元要盡量采用循環利用的方式，減少直接排放。目前，從主要生產工藝上看，煤氣凈化、干熄焦、除塵等設備需要的冷卻水，已經完全采用循環利用的方式，一些輔助的生產裝置（加濕卸灰機用水、水封槽用水等），因其在使用后水質受到污染無法循環利用，依然采用生產新水，因此可以進一步提高重復率用率。

管網漏失率與管材、管徑、長度、壓力和施工質量有關，單位管道長度的供水量小或供水壓力較高，以及管材較差、接口容易松動時，管網漏損率較高[6]。焦化企業一般占地不大（≤40ha），給水系統多采用鋼管，焊接連接，且供水壓力不高（≤0.5MPa），因此管網的漏損率較城鎮管網低很多。結合企業的節水管理，可有效控制管網漏損率。

3 節水工藝或措施

通過以上分析發現，循環水系統、除鹽水站、污水處理站是節水的關鍵單元，因此可針對這些單元實施可行的節水工藝或措施。

3.1 實現循環水系統節水

3.1.1 優化冷卻塔選型

對于循環水系統，可優化冷卻塔選型，通過阻止蒸發的水蒸氣進入大氣或阻止水的蒸發，降低蒸發水量。可采用新型節水消霧節水型冷卻塔，通過設置在冷卻塔上部的翅片管束或冷凝模塊，降低出風口處白霧的現象，甚至完全消除，同時回流部分冷凝水，可降低10%～20%的蒸發損失[7]，實現節水的目的。嚴重缺水地區，可采用干濕結合閉式冷卻塔，其集蒸發式，空冷式，水冷式等多種冷卻方式于一體，可充分利用空氣顯熱，從而降低蒸發水量，在一定干球溫度下（5～15℃），可實現完全空冷。與開式塔相比，可降低蒸發損失25%～80%[8]。

3.1.2 提高濃縮倍數降低排污水量

通過投加新型的緩蝕阻垢劑，使碳酸鈣晶體結構發生改變，使其不會在管線及換熱器內壁形成沉淀，讓循環水在高含鹽量的情況下不產生結垢傾向；或采用電化學的方式，通過陰極反應生成OH-，去除循環水中結垢性的鈣鎂離子，在不增加排污的情況下降低結垢性離子濃度提高系統濃縮倍數，降低排污量。同時，由于采用了焦化廢水處理站或中水處理站反滲透產水，其Ca2+、Mg2+含量幾乎為零，TDS＜200mg/L，也進一步提高了濃縮倍數，降低排污水量[9]。

3.1.3 降低風吹損失

風吹損失與風速、冷卻塔的類型、淋水填料、冷卻水量有關。焦化企業普遍采用逆流式機械通風冷卻塔，風吹損失水量占循環水量的0.1%。采用薄膜填料可降低風吹損失[10]。同時，應選擇空氣阻力小、除水效率高的除水器(不小于98%)。管理上應定期對除水器的運行狀況巡檢，確保除水器在正常狀態下運行。

3.2 提高除鹽水站產水率

3.2.1 優化除鹽水處理工藝

目前，除鹽水站普遍采用“反滲透+混床”的工藝，總產水率一般小于60%。通過優化預處理工藝改善反滲透膜進水水質、采用抗污堵膜對反滲透濃水進行再濃縮，選用產水率高的EDI 模塊等[11][12]，都可以提升系統產水率，降低原水的需求，從而實現節水。

3.2.2 提高冷凝水的回收率

蒸汽冷凝水水質很好，經簡單處理即可作為除鹽水回用。目前,很多蒸汽伴熱、采暖、加熱等蒸汽用戶產生的凝結水直接排入廠區排水管網，造成大量除鹽水的損失，因此應對全廠蒸汽用戶進行冷凝水收集，提高冷凝水的回收率,減少除鹽水的損失,從源頭上降低除鹽水的消耗量。

3.3 提高污水處理回用率

焦化企業普遍采用“超濾+反滲透”的深度處理回用工藝，產水率約75%，剩余25%濃鹽水用作熄焦、洗煤、沖渣等用途，因此想要提高污水回用率，就要從這剩余的25%濃鹽水入手。目前，主要采用2 種方式提高污水回用率。一種方式與除鹽水站類似，通過特種膜、EDI、蒸發器等設施，對反滲透濃水進步濃縮，最終回用率能達到約90%，這種方式一般適用于鋼鐵聯合企業或自有洗煤廠等可消耗部分濃鹽水的企業[13]。另一種方式是濃鹽水通過納濾膜，將一價鹽和二價鹽分離后再進一步濃縮，最后通過蒸發結晶裝置生產硫酸鈉和氯化鈉的方式，實現廢水的零排放，這種方式適用于濃鹽水沒有去處的獨立焦化企業[14]。此外，用循環水替代生產新水，如工藝的地坪沖洗水、水封用水、加濕卸灰機用水等，其對水質要求不高，可用循環水給水替代，消耗部分作為循環水系統排污水計入水平衡，從而降低生產新水用量。

4 節水效果分析

采用上述節水工藝對水系統進行優化，循環水系統冷卻塔考慮采用消霧節水型冷卻塔，結合山西、內蒙等地區實際運行參數，節約蒸發水量按15%考慮，并采用電化學水處理設備替代傳統加藥，提高濃縮倍數至6；對蒸汽冷凝水進一步回收，可節約50%的除鹽水，同時采用預處理高效EDI 模塊及濃水再濃縮工藝，提高產水率至60%；污水處理在“雙膜法”后增加納濾分鹽+蒸發結晶工藝，實現污水零排放。改進后的各項指標見表3。

表3 采用節水措施后預估指標

由表3 可知，通過采用不同的節水工藝，各項節水指標均有不同程度的提升，尤其是噸焦取水量，在采用全部上述工藝的情況下，已降至0.89m3/t，遠低于GBT 34610-2017 先進值指標；間接冷卻水循環率和重復利用率均有小幅提升，但由于循環水量遠高于補水量和取水量（見式3、式4），在數值上提升不明顯；廢水回用率因增加了蒸發結晶工藝，廢水實現零排放，數值達到100%。

結語

隨著焦炭產能的不斷增大及水資源需求總量呈增大趨勢，水資源短缺必將成為制約煉焦產業發展的重要因素，因此采用新的節水工藝、節水設備、加強節水管理，從而減少用水量，提高用水效率，實現水資源減量化、再利用、再循環的循環經濟運行模式，將是我國焦化企業降低水資源消耗最為有效的途經。另外，改善循環水工藝、優化水處理工藝、提高廢水回用率，均可有效降低取水量，焦化企業也可根據自身情況，采用合理的優化工藝，滿足甚至超過節水型企業的標準。