行業(yè)要聞
煤化工
煤化工行業(yè)生產(chǎn)過程中用水量和排水量巨大，以煤制烯烴為例，噸產(chǎn)品消耗煤炭3～5t，消耗水資源9～14t。煤炭資源和水資源總體呈逆向分布，煤化工產(chǎn)業(yè)布局受煤炭資源主導(dǎo)，使得產(chǎn)業(yè)發(fā)展中水資源配置問題凸顯。而水資源稀缺區(qū)域往往水環(huán)境容量也不足，甚至缺乏納污水體，大量廢水面臨無處可排的困境。如何節(jié)約水資源,提高水的利用率對(duì)化工企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。本文結(jié)合現(xiàn)代煤化工的生產(chǎn)過程探討化工企業(yè)的水資源綜合利用的措施。
化工企業(yè)既是耗水大戶也是水資源污染大戶，現(xiàn)代煤化工建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境準(zhǔn)入條件(試行)指出，強(qiáng)化節(jié)水措施，減少新鮮水用量，具備條件的地區(qū)，優(yōu)先使用礦井疏干水、再生水，禁止取用地下水作為生產(chǎn)用水。其次，根據(jù)清污分流、污污分治、深度處理、分質(zhì)回用的原則設(shè)計(jì)廢水處理處置方案。煤化工企業(yè)各排水系統(tǒng)對(duì)排出的污水進(jìn)行分類處理、分級(jí)控制，污染裝置區(qū)設(shè)置圍堰收集污染雨水，對(duì)各裝置排出的廢水經(jīng)處理后盡可能分級(jí)回用作生產(chǎn)用水。條件還指出，缺水地區(qū)應(yīng)優(yōu)先選用空冷、閉式循環(huán)等節(jié)水技術(shù)。全廠閉式循環(huán)冷卻水場(chǎng)設(shè)置軟水密閉循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，噴淋系統(tǒng)補(bǔ)充水采用廢水脫鹽處理的淡水或蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)出的凝結(jié)水，可大大降低對(duì)新鮮水的需求。廢水綜合利用可降低用水成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也大大降低了地下水過度開采帶來的環(huán)境問題，達(dá)到保護(hù)水資源的目的。
基于以上思路，根據(jù)生產(chǎn)用水水質(zhì)要求，全廠用水分質(zhì)、分級(jí)使用，對(duì)用水要求較高的生產(chǎn)裝置采用新鮮生產(chǎn)水和反滲透及蒸發(fā)器產(chǎn)生淡水，全廠廢水分質(zhì)收集處理后回用于相應(yīng)的工藝裝置，達(dá)到全廠水系統(tǒng)的梯級(jí)使用。廢水回用處理系統(tǒng)產(chǎn)生的高濃鹽水經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶裝置處理后，分離出工業(yè)鹽作為副產(chǎn)品出售，產(chǎn)生的雜鹽送至危廢中心處理，工程做到近“零”排放。
1、煤化工水資源利用主要節(jié)水措施
1.1礦井疏干水的綜合利用
煤化工行業(yè)作為高耗水行業(yè)，其發(fā)展的同時(shí)即將造成的環(huán)境壓力也隨之而來。過度開采地下水，水位出現(xiàn)下降、居民飲水困難的社會(huì)問題也已隨之顯現(xiàn)。大量的地下水排出到地面，進(jìn)一步加重地下水位下降，加快地表植被減少，地表沙漠化面積擴(kuò)大，而且，大量礦井疏干水排出地面，也造成了環(huán)境污染。
礦井疏干水作為煤炭資源開采時(shí)一種伴生資源，由于利用與排放缺乏統(tǒng)一管理，大量的礦井余水被白白地排放掉，不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源，而且也污染了環(huán)境。我國(guó)礦井水主要含懸浮物和少量油，水質(zhì)較好，一般不含有毒物質(zhì)。處理流程大體為“氣浮除油—混凝沉淀—過濾”后經(jīng)再經(jīng)深度處理工序即可作為全廠生產(chǎn)水使用。若作為生活水使用，流程末端還應(yīng)增加消毒工序。礦井水的處理按其水質(zhì)特點(diǎn)處理方法也有所不同，含懸浮物的礦井水采用混凝沉淀或氣浮方法處理，礦化度高的礦井水采用離子交換或膜分離技術(shù)進(jìn)行處理，酸性礦井水采用中和法進(jìn)行處理。
在煤礦企業(yè)必須抽排且余水較多而化工企業(yè)缺乏水源的情況下，煤礦將礦井疏干水協(xié)議或無償外供其他企業(yè)或作為生態(tài)植被補(bǔ)充水，即解決了企業(yè)的用水需求，又為采煤企業(yè)就近排放、降低成本和減少環(huán)境影響創(chuàng)造了條件，并使礦井疏干水得到了充分的利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。
1.2循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)水
煤化工項(xiàng)目生產(chǎn)過程中主要用水點(diǎn)集中在循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水和除鹽水補(bǔ)充水，其水量占全廠生產(chǎn)水用量的70%以上。因此，回收各類冷凝液和削減循環(huán)冷卻補(bǔ)水量可大幅降低企業(yè)水耗。
1.2.1開式循環(huán)水節(jié)水措施
開式循環(huán)水節(jié)水主要通過濃縮倍數(shù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)冷卻過程中由于與空氣直接接觸，空氣中的灰塵、微生物及溶氧被帶入循環(huán)水系統(tǒng)，造成水質(zhì)惡化，通過控制濃縮倍數(shù)，達(dá)到降低循環(huán)水中有害組分的目的。此外，在排除部分廢水后，水中的阻垢劑、殺菌劑等藥劑的量被稀釋，從而需要補(bǔ)充水藥劑量以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
（1）提高濃縮倍數(shù)
循環(huán)水濃縮倍數(shù)是衡量循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)操作狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，提高濃縮倍數(shù),可以降低補(bǔ)充水量和排污量,節(jié)省藥劑投放量,對(duì)節(jié)水和環(huán)保均有利。據(jù)統(tǒng)計(jì),在進(jìn)出水溫差為10℃時(shí)，濃縮倍數(shù)由3提高到5，可節(jié)約補(bǔ)充水16%，企業(yè)應(yīng)結(jié)合具體生產(chǎn)情況在允許的水質(zhì)控制范圍內(nèi)采用較高的濃縮倍數(shù)。目前，煤化工行業(yè)采用回用水作為補(bǔ)充水的循環(huán)水濃縮倍數(shù)基本大于3。
（2）控制腐蝕結(jié)垢
控制循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢的方法有化學(xué)法和物理法。目前，物理處理方法一般用于小型水處理系統(tǒng)中，且相關(guān)報(bào)道較少,國(guó)內(nèi)已有工程項(xiàng)目采用磁化處理及靜電處理。針對(duì)煤化工項(xiàng)目，特別是中大型的煤化工項(xiàng)目，較多采用化學(xué)處理方法，其技術(shù)也更為成熟、可靠和有效。循環(huán)水系統(tǒng)中通常投加聚磷酸鹽等復(fù)合藥劑來控制循環(huán)水的腐蝕和結(jié)垢。但單一的緩蝕劑效果往往不太理想，目前大多采用兩種或兩種以上的組合緩蝕劑，通過相互協(xié)調(diào)作用，獲得更好的循環(huán)水水質(zhì)條件。
（3）控制微生物生長(zhǎng)
微生物黏泥對(duì)水中的膠體物質(zhì)、懸浮物和腐蝕產(chǎn)物能起到架橋和絮凝的作用，使得污染物黏附成垢。黏泥的存在也會(huì)對(duì)設(shè)備和管道的內(nèi)表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，同時(shí)會(huì)造成設(shè)備的換熱效率降低，工藝介質(zhì)超溫，生產(chǎn)能耗增加。目前常用的方法是投加氯類氧化殺菌劑。王建娜等介紹了由聚季銨鹽類陽(yáng)離子聚合物與其他殺菌劑及助劑復(fù)配的QS-14殺菌劑在齊魯石化公司的應(yīng)用情況，4～24h對(duì)異養(yǎng)菌殺菌率≥98%，控制黏泥性能良好。
（4）采用適合的旁濾技術(shù)
目前開式循環(huán)水系統(tǒng)普遍采用旁濾設(shè)備，通過過濾循環(huán)水中的部分濁度、懸浮物等改善循環(huán)水水質(zhì)，還能提高循環(huán)水的濃縮倍數(shù)。實(shí)際設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中，旁濾水量一般占循環(huán)冷卻水總量的3%~5%。旁濾設(shè)備一般選用出水水質(zhì)好、反洗水耗低、安裝維護(hù)方便、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的新型設(shè)備，如目前較為廣泛使用的淺層沙過濾器、中高速過濾器、盤片式過濾器、高效纖維過濾器等。
1.2.2閉式循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水措施
閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的核心是空冷器，工藝裝置返回的高溫水在空冷器管內(nèi)冷卻降溫后，由循環(huán)冷卻水泵加壓至工藝裝置，吸收工藝裝置熱量，再回到空冷器冷卻，往復(fù)循環(huán)。整個(gè)過程中管內(nèi)冷卻水不和大氣直接接觸，水質(zhì)優(yōu)良。相比開式循環(huán)水系統(tǒng)，具有操作費(fèi)用低，節(jié)水效果明顯的特點(diǎn)。閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)按冷卻方式可分為：干式空冷、濕式空冷、聯(lián)合空冷。
（1）干式空冷
干式空冷是以環(huán)境空氣作為冷卻介質(zhì)，依靠翅片管擴(kuò)展傳熱面積來強(qiáng)化管外傳熱，靠空氣橫掠翅片管后的空氣溫升帶走熱量，達(dá)到冷卻、冷凝管內(nèi)工藝流體的目的�？紤]技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，干式空冷適用于傳熱溫差較大的場(chǎng)合，煤化工循環(huán)水系統(tǒng)中鮮有應(yīng)用。濕式空冷冷適用于傳熱溫差較小的場(chǎng)合，應(yīng)用較廣泛。
（2）濕式空冷
濕空冷器又分為表面蒸發(fā)空冷器、增濕型濕空冷器和噴淋蒸發(fā)型空冷器。
I.表面蒸發(fā)空冷器
表面蒸發(fā)空冷器的是在管束上噴淋冷卻水，使外表面形成薄水膜，同時(shí)空氣橫掠管束，依靠表面水膜的迅速蒸發(fā)來強(qiáng)化管外傳熱，使管內(nèi)流體冷卻，溫度可達(dá)到接近環(huán)境濕球溫度。表面蒸發(fā)空冷器將水冷與空冷、傳熱與傳質(zhì)過程融為一體，兼具兩者的優(yōu)勢(shì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、投資省、操作費(fèi)用低、安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在煉油、化工、冶金、制輕工業(yè)等行業(yè)應(yīng)用前景廣，是空冷技術(shù)發(fā)展的新方向。但其換熱元件面積小，耗水量大，不適用于節(jié)水要求高的工況。
II.增濕型空冷器
增濕型濕空冷是在空氣入口處噴水霧，利用霧狀水的蒸發(fā)使空氣入口處的干燥空氣增濕，以此降低空氣入口溫度，空氣溫度干球溫度降低，增大空氣入口溫度與管內(nèi)流體出口溫度之間的溫差來強(qiáng)化傳熱。與表面空冷器相比，增濕型濕空冷增加了擋水板，濕空氣經(jīng)過擋水板除去夾帶的水滴后橫掠翅片管束，依靠空氣溫升帶走流體熱量。入口處空氣相對(duì)濕度愈小，空氣增濕后降溫愈多，其冷卻效果也愈顯著。環(huán)境氣溫高時(shí)，通過調(diào)節(jié)噴淋水泵的水量，對(duì)入口空氣噴霧降溫，強(qiáng)化冷卻效果。在環(huán)境氣溫低時(shí)，關(guān)閉噴淋水泵，即可達(dá)到冷卻效果，同時(shí)還降低了水耗。
III.噴淋蒸發(fā)型空冷器
噴淋蒸發(fā)型空冷器的作用原理是依靠噴淋在管束翅片管表面形成的水膜，空氣掠過管束時(shí)，翅片表面的水膜受到氣流和管內(nèi)熱介質(zhì)的雙重影響，進(jìn)行強(qiáng)制蒸發(fā)，取熱能力很大。管外膜傳熱系數(shù)比普通的干式空冷器大3~5倍。此外，水的噴淋蒸發(fā)，空冷器入口風(fēng)溫由干球溫度降低到接近濕球溫度，而且因水的汽化潛熱很大，導(dǎo)致空冷器出口風(fēng)溫溫升很少，傳熱溫差要比普通的增濕空冷器大。噴淋蒸發(fā)型空冷器適用于翅片管內(nèi)流體介質(zhì)冷卻溫度要求較低的工況。噴淋蒸發(fā)型空冷器翅片表面水膜因受到氣流和管內(nèi)熱介質(zhì)的雙重影響，強(qiáng)制蒸發(fā)使其效率明顯高于其他普通增濕型濕空冷器。
（3）聯(lián)合空冷
聯(lián)合空冷器是將干空冷冷卻器和濕空氣冷卻器兩段組合成一體，第一段為濕式空冷器，第二段為干式空冷器。噴淋水在第一段濕式空冷器的翅片管表面的蒸發(fā)，增強(qiáng)濕空冷器的傳熱。經(jīng)過第一段濕空冷器后，表面的空氣由干空氣變成了濕空氣，其溫度降低至接近空氣的濕球溫度。從濕空冷器排出來的溫度較低的空氣再進(jìn)入第二段干式空冷器，以增加空氣的傳熱溫差，從而提高了干空冷器的傳熱能力。
干濕空冷卻的串聯(lián)導(dǎo)致空氣經(jīng)過空冷器的阻力增大，濕式和干式空冷器的管束排數(shù)應(yīng)受到約束。干-濕聯(lián)合空冷器對(duì)設(shè)計(jì)的要求較高，需要對(duì)干濕聯(lián)合空冷器的傳熱面積和壓力降進(jìn)行合理分配，才能獲得濕式和干式各自的優(yōu)勢(shì)以獲得最佳效果。一般濕空冷器管束的排數(shù)為2-3排，干式空冷器管束排數(shù)不宜超過4排。如在西北某大型煤化工項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，通過對(duì)冷卻塔設(shè)備投資、占地、運(yùn)行費(fèi)用、系統(tǒng)可靠性及水耗指標(biāo)等方面的比較后，選用了節(jié)水率為60%的干濕聯(lián)合閉式冷卻塔。
1.3密閉式冷凝液的回收利用
密閉式冷凝水回收是指冷凝液在回收過程中不與空氣直接接觸，從而減輕對(duì)管道和設(shè)備的腐蝕，同時(shí)還較少了閃蒸損失。冷凝水回收主要包括透平冷凝液和工藝?yán)淠旱幕厥�，通過采取增加回收裝置（如表面換熱器等）或措施的方法收集冷凝液，回收后通過簡(jiǎn)單的預(yù)處理和離子交換后，可作為除鹽水再次利用。
1.4廢水的分類收集和梯級(jí)利用
污水的分類處理和分質(zhì)量回用主要有廢水不經(jīng)處理直接回用和經(jīng)過處理后回用兩類.由于不同工段對(duì)水質(zhì)要求不同，相應(yīng)工段產(chǎn)生的污染程度也不同。結(jié)合不同工段的水質(zhì)要求，對(duì)不同污染程度的廢水有針對(duì)性的處理和回用，可提高污水的回用率，同時(shí)降低廢水處理的規(guī)模和難度，達(dá)到節(jié)水和經(jīng)濟(jì)的雙重效果。如某煤制烯烴項(xiàng)目酸氣脫除裝置產(chǎn)生的洗氨水直接送至CO變換裝置，含鹽量較低的部分煤氣化汽包排污廢水、甲醇制烯烴及生活污水等，污染物以COD和氨氮為主，直接通過生化+深度處理后回用。含鹽量較高的循環(huán)水排污水、除鹽水站排污水和化學(xué)清洗排污水等，主要污染物為鹽，采用預(yù)處理+膜濃縮處理后產(chǎn)水回用。
1.5廢水近“零”排放技術(shù)
受水資源和水環(huán)境問題的雙重制約，國(guó)內(nèi)煤化工項(xiàng)目紛紛提出廢水近“零”排放方案。廢水“零排放”或近“零”排放是指煤化工項(xiàng)目產(chǎn)生的廢水經(jīng)濃縮后以濃縮液的形式再加以處理或回用，而不向地表水排放任何液體的廢水。即在對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行合理劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合廢水特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最大程度的處理回用，不再以廢水的形式外排至自然水體的設(shè)計(jì)方案。
經(jīng)分析，煤化工項(xiàng)目中清凈廢水排放量與生產(chǎn)污水相加可達(dá)到總生產(chǎn)用水量的40%~60%，廢水近“零”排放技術(shù)將生產(chǎn)廢水與清凈廢水基本全部收集處理后回用至工藝裝置，也是對(duì)新鮮水的有效補(bǔ)充，新鮮水可減少約30%~50%消耗量，節(jié)水效果顯著。煤化工項(xiàng)目廢水近“零”排放技術(shù)主要分為生化處理、回用處理、膜濃縮處理和蒸發(fā)結(jié)晶四個(gè)工段，典型近“零”排放方案如圖1所示。
煤化工廢水近“零”排放技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要受四階段四因素的制約：一是源頭控制，即通過對(duì)不同水質(zhì)廢水分類收集，分質(zhì)處理；二是廢水預(yù)處理技術(shù)選擇，即針對(duì)分質(zhì)處理的廢水中高濃度難降解廢水通過對(duì)比分析，選擇合適的氧化技術(shù)(如WAO)將難降解有機(jī)物分解成可生化性較高的廢水或主要污染物為鹽類的廢水，再通過生化或膜分離技術(shù)處理；三是針對(duì)高含鹽廢水處理技術(shù)選擇，由于膜脫鹽處理后的廢水中鈣、鎂、硅等含量較高，容易使后續(xù)濃縮膜產(chǎn)生污堵或結(jié)垢，選擇合適的除鈣、鎂、硅技術(shù)（如HERO工藝）應(yīng)成為膜濃縮處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)；四是蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)的選擇，蒸發(fā)結(jié)晶裝置運(yùn)行不穩(wěn)定，結(jié)晶鹽無有效綜合利用途徑，如何確保蒸發(fā)結(jié)晶裝置穩(wěn)定運(yùn)行及副產(chǎn)物結(jié)晶鹽的資源化利用應(yīng)成為今后研究工作的重點(diǎn)。
2煤化工節(jié)水技術(shù)發(fā)展展望
煤化工節(jié)水技術(shù)不僅要從源頭和全工藝流程進(jìn)行貫徹，制定相應(yīng)的節(jié)水規(guī)則和提高管理水平，更應(yīng)注重廢水處理流程末端高濃度廢水的處理和利用，盡可能避免廢水外排或泄漏對(duì)環(huán)境的影響。隨著日益嚴(yán)苛的環(huán)保要求和水資源緊缺，近“零”排放技術(shù)的研究也不斷深入，煤化工廢水組分的復(fù)雜性，使得單一處理技術(shù)難以奏效，技術(shù)的集成和優(yōu)化必將是煤化工廢水處理技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。
目前，國(guó)內(nèi)煤化工近“零”排放技術(shù)的研究和應(yīng)用處于起步階段，近“零”排放技術(shù)的應(yīng)用成功實(shí)例并不多，且部分技術(shù)往往借鑒于其他行業(yè)和領(lǐng)域，引入技術(shù)能否提高煤化工廢水處理還有待驗(yàn)證。此外，近“零”排放技術(shù)的實(shí)施投資費(fèi)用巨大，實(shí)現(xiàn)近“零”排放不能作為煤化工企業(yè)的硬性要求。蒸發(fā)結(jié)晶工序的末端產(chǎn)品結(jié)晶鹽資源化利用去向和結(jié)晶鹽標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)盡快出臺(tái)，結(jié)晶鹽的處理也必將成為研究熱點(diǎn)，固化/穩(wěn)定化技術(shù)是處理重金屬類危險(xiǎn)廢物的成熟工藝，針對(duì)煤化工行業(yè)結(jié)晶鹽，需要對(duì)工藝和輔助藥品的適應(yīng)性再研究。而國(guó)內(nèi)對(duì)于此的相關(guān)研究較少，這也是后續(xù)亟待加強(qiáng)的地方。通過持續(xù)的技術(shù)投入，將會(huì)大大促進(jìn)煤化工廢水處理技術(shù)水平的不斷提高，實(shí)現(xiàn)煤化工行業(yè)與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和諧發(fā)展。隨著各項(xiàng)更為嚴(yán)苛的環(huán)保政策的陸續(xù)出臺(tái)，近“零”排放也必將成為煤化工節(jié)水技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
3結(jié)語(yǔ)
煤化工企業(yè)的水資源綜合利用不僅關(guān)系到企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也關(guān)系到企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。企業(yè)只有通過不斷技術(shù)創(chuàng)新,綜合分析各生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)能力和冷卻單元參數(shù)要求、系統(tǒng)的完善和前后工序能量平衡,制定最佳的工藝路線,才能逐步實(shí)現(xiàn)科學(xué)的用水體系。除了采用各種有效的技術(shù)措施外,加強(qiáng)日常節(jié)水管理,嚴(yán)格各項(xiàng)工藝控制指標(biāo)，提高員工的節(jié)水意識(shí),并開展節(jié)水考核競(jìng)賽活動(dòng),對(duì)于節(jié)水工作的順利發(fā)展也非常重要。此外，還應(yīng)加強(qiáng)管理措施，統(tǒng)籌規(guī)劃，合理利用，保證水資源均衡利用。
