煤制烯烃工厂节水途径的探索

(神华包头煤化工有限责任公司公用工程中心 ，内蒙古 包头 014000)

水资源在煤化工产业中扮演着重要的角色，其主要功能体现在如下几个方面：工艺用水参加化学反应、循环冷却水蒸发或“跑、冒、滴、漏”损失需要的系统补水、循环冷却水系统指标超高时须进行的必要排污后的补水、脱盐水补充水、生产必须的冲洗水、工厂生活用水等。

对于上述水资源用途进行分析和思考，其中工艺参加化学反应用水、脱盐水补充水、生产必须的冲洗水等是由煤化工工艺路线决定，在工艺路线不发生重大改进和变革的前提下，要进行水资源优化利用的降耗程度不大，对煤化工行业整体水资源消耗水平的降低不能起到明显的作用，而工艺路线发生重大改进和变革往往意味着现有工厂设备设施的废弃，重新投入大量人力物力进行装置二次建设，因此通过主工艺路线变革来达到节水降耗的目的对现有工厂意义不大；生活用水的水资源消耗量取决于化工厂的人员数量，而且生活用水在整个煤化工工厂用水量中所占比例极小，基本可以忽略；而循环冷却水蒸发或“跑、冒、滴、漏”损失时需要的系统补水和循环冷却水系统指标超高时需进行的必要排污后的补水在煤化工工厂用水量占比较高，而且通过改进循环冷却水系统运行状况对降耗挖潜有较大的帮助。

1 应用实例

以我国西部黄河流域某60万t/a煤制烯烃项目为例，其稳定运行1年实际统计的水量消耗见表1。

表1 60万t/a煤制烯烃项目的水量消耗

从上表可以看出，循环水补水量占煤制烯烃水消耗总量31.9%，如果能够将这部分耗水进行有效控制，将对煤制烯烃用水单耗下降起着关键作用。

2 循环水用水量控制措施

2.1 循环水蒸发水量控制

以上述我国西部黄河流域某60万t/a煤制烯烃工厂为例，此工厂循环冷却水系统设计循环水量12万t/h，共设计24间机械通风开式冷却塔，此循环冷却系统部分设计指标见表2。

表2 循环冷却系统部分设计指标

当地平均气温最高月份集中在5～9月，且平均最高温度为30℃，10月～来年4月温度较低，最低平均温度为-17℃。经过多年的生产运行数据总结，在上游装置100%负荷，当环境温度高于10℃时，循环水冷却塔风机基本需要全部开启，通过大量的蒸发散热才能满足循环水供水温度要求；当环境温度低于10℃时，循环水冷却塔风机不需要全部开启，部分冷却塔通过自然通风即可满足生产需求；当环境温度低于-10℃时，须将部分冷却塔停用，增大冷却塔淋水密度，预防冷却塔填料结冰。

针对目前采用的机械通风开式冷却塔，可以通过改造增加空冷翘片等措施，减少循环冷却水与环境的接触面积，将冷却水传热方式通过空冷翘片变为与环境的间接传热，达到根据环境温度变化采取不同的冷却措施进行降温的效果，进而降低单纯依靠蒸发降温而带来的水量损失。冷却塔工作原理见图1。

图1 冷却塔工作原理

通过改造，在高温天气情况下，循环回水全部通过上塔线进入冷却塔填料进行蒸发冷却降温，以满足供水温度要求；当环境温度下降后，可以减少通过冷却塔填料的水量，增加进入空冷设备的水量，通过环境温差进行间壁式换热，对循环冷却水进行间接冷却，同样可以达到降低循环水温度的效果，同时减少因蒸发散热带来的大量蒸发损耗。

此种类型冷却塔目前已经在多家大型化工企业成功应用，尤其在西北、东北、华北等气候湿度较小，但全年温差较大且冬季环境温度较低的地区应用效果尤为明显。而这些地区也正是我国大型工业企业集中、资源开发集中、水资源存量较小、环境污染容量较小的重点地区，因此，此类型冷却塔的应用具有更重要的意义。

经估算，将传统的机械通风冷却塔改造为新型半开式冷却塔后，在保障同样冷却能力的前提下，系统全年补充水量可下降约10%以上。

2.2 循环水排污水量控制

工业冷却水通过在系统内部的循环使用，达到降低水量消耗的目的。冷却水在系统内部不断循环使用，导致水体中杂质、离子、污染物等的浓缩；浓缩倍数越高，则系统补充水量越少，系统消耗水量也随之降低。

系统排污量根据下式进行计算：

其中，B指系统排污水量；E指系统蒸发量；K指系统浓缩倍数。

通过上式可以看出，同一冷却塔系统浓缩倍数K越大，则系统排污量B越小。但是当系统杂质、离子、污染物等浓缩到一定程度，将会给系统带来腐蚀、结垢、堵塞等不利影响。因此，需要定期对循环水系统进行排污操作，将高浓度水排出，补充新鲜低浓度水。以上述烯烃工厂为例，循环水系统补水来自黄河，黄河水体自身特点为高氯离子、高浊度，因此，在以此水为补充水源的循环水系统中，氯离子和浊度是否能够得到有效控制是循环水系统是否能够达到高浓缩倍数、降低补充水量的关键所在，另外，系统中CODCr的高低和总Fe浓度也是循环水系统排污的一个主要控制因素。

根据GB 50050—2017《工业循环冷却水处理设计规范》中要求，循环冷却水系统中浊度控制在20NTU以下，氯离子控制在700mg/L以下，CODCr控制在150mg/L以下，总Fe浓度控制在2mg/L以下。

2.2.1 系统中浊度的控制

开式循环冷却水系统内的浊度主要来源于水体中的固体杂质、胶体，以及冷却水系统所处环境中的灰尘、花粉，夏季的昆虫尸体等。目前主流的处理方法是通过增设旁滤系统将系统中的循环水进行过滤，过滤后的出水浊度控制在3NTU以下，将滤后水兑入冷却水系统，来达到降低整个系统浊度的目的。

同时，通过改善冷却塔所处环境，例如减少冷却塔周边裸露土地等方式，也能从一定程度上缓解环境对冷却水浊度增加的不利影响。

2.2.2 系统中CODCr的控制

冷却水系统中的CODCr主要来源于冷却水中微生物滋生以及外界还原性物质的泄漏。

在冷却水运行控制的过程中，为了能够有效抑制系统中微生物生长，水体中一般会过量投加杀生剂，使水中余氯保持在0.2～1.0mg/L之间。而为了节约成本，一般工厂会尽可能靠下限保持余氯值。如果在系统没有发生泄漏的情况下，系统余氯下降较快，CODCr呈现较快的上涨趋势，则表明系统中微生物有可能出现大规模增长，应当加大杀生剂的投加量，适当提高余氯值，进一步抑制微生物的生长趋势。被杀灭的微生物残留物将会转换为部分还原性物质，使CODCr呈现短暂的升高趋势，通过排水后可以降低。

综合上述情况，控制CODCr第一要控制好系统中的泄漏，尽可能减少外来的还原性物质产生的CODCr；其次要做好系统中微生物的日常控制，一旦微生物已经爆发，再利用大量的杀生剂予以去除，将会使系统中的CODCr出现明显上涨的情况。而系统中CODCr的大量存在，将会大量增加系统的排水量，同时对系统本身的健康运行将带来非常不利的影响。

2.2.3 系统中总Fe的控制

冷却水系统中的总Fe主要来源于系统内管道、设备的冲刷、腐蚀等。系统日常运行中，主要通过调节系统pH值、缓蚀剂投加量等措施来控制系统中总Fe含量。系统中的总Fe含量一旦上升，对于系统的破坏性极大，而且目前来看除大量排水去除系统中总Fe含量外，并没有特别有效的控制措施。如果提高系统pH值，将会在水中形成大量的氢氧化铁沉淀，沉淀下部会产生垢下腐蚀，严重地影响系统寿命，同时沉淀将会影响系统换热效率；而如果降低系统的pH值，则会进一步加剧管道、设备腐蚀；如果保持现状不对系统内总Fe进行去除，则总Fe内包含的部分三价铁会与管道、设备的单质铁发生氧化还原反应，逐步加剧系统腐蚀，而且此类腐蚀一般为点蚀，对系统伤害极大。

因此，在系统投用前应当做好系统清洗、预膜工作；日常运行中，应当做好pH值控制，缓蚀剂投加、补膜等多项工作，使得系统中总Fe含量始终能够维持在较低的水平，进而控制因总Fe含量超高而带来的水耗损失。

2.2.4 系统中氯离子的控制

由于补充水中的氯离子无法去除，因此对于循环水系统中氯离子的控制，只能是尽可能减少除补充水中氯离子外的其他氯离子加成。

系统中氯离子的来源除补充水以外，另外一个重要来源是氯基杀生剂在进入系统后分解产生的大量氯离子。寻找高效的氯基杀生剂，提高药剂中有效成分的比例，控制氯离子的分解；或使用其他类型不产生氯离子的杀生剂，可以大幅度降低由于药剂使用而给系统中带来的氯离子加成。通过实验和生产实践，可以采取以下几种方法。

(1)使用非氧化性杀生剂替代原有氯基氧化性杀生剂，如异色唑啉酮、季铵盐类杀生剂。但是由于此类药剂一般成本较高，且长时间使用容易使系统内生物产生抗药性，因此在实际生产实践过程中非氧化性杀生剂的投加一般以辅助冲击性投加为主。

(2)使用溴基杀生剂替代原有氯基杀生剂。此类杀生剂的杀生原理与氯基杀生剂基本相同，但是由于其作用的主要成分不同，因此不会给系统带来明显的氯离子上升的问题。但是此类杀生剂对于藻类杀生效果有限，不能很好地控制系统内藻类滋生，须使用其他杀生剂进行配合除藻。

(3)使用高效氯基杀生剂，提高杀生剂内有效氯含量，减少氯离子产生。高效氯基杀生剂一般指氯化异氰尿酸、二氧化氯等。由于二氧化氯性质不稳定易发生爆炸，因此一般不推荐使用。氯化异氰尿酸能够很好地进行储存，使用方便，而且水解产物异氰尿酸可以防止日光对于有效氯的破坏，因此可以更高效、长时间地对系统内微生物进行抑制，且其对藻类能够产生极好的杀生效果。但是氯化异氰尿酸类杀生剂一般价格较高。

综合上述几点内容，在日常的生产中可以根据水质、水量、成本等多方面因素的不同变化采用不同的杀生剂复配的投加方式，最大限度降低杀生剂对水体中氯离子的加成，提高循环水浓缩倍数，减少系统排污水量。

2.3 循环水冷却塔风吹损失的控制

循环冷却水由塔顶向下喷溅进行冷却时，由于外界风吹及风机的抽吸作用影响，循环水会有一定的飞溅损失和随空气带出的雾沫夹带损失。这些损失掉的水，统称为风吹损失。参照各地冷却塔的运行经验，主要采取以下两种措施来减少风吹损失。

2.3.1 采取强制导流通风的措施

在冷却塔塔底进风口处增加百叶窗，改变进入和吹出冷却塔的空气流向，避免水滴随风扩散至冷却塔集水池以外的范围，强制导流通风装置见图2。

图2 强制导流通风装置

2.3.2 选择优良的收水器

冷却塔排出湿空气中挟带许多细小水滴，排气挟带的水滴与塔内风速、风筒风速的大小及淋水密度有关，也与配水装置喷出水滴大小及水速有关。为防止水量的风吹损失，避免对环境造成污染，通常在塔中设置收水器来捕获这部分水分。

目前，大型机械通风冷却塔多采用波形收水器来进行收水。但是不同的波形和波长所产生的收水效果差异较大，目前市面上采用较多的波形为V形波收水器(见图3)、S形波收水器(见图4)、M形波收水器(见图5)、多波形收水器(见图6)等，波长基本介于160～180mm，收水器片距从30～50mm等多种；也有部分冷却塔采用蜂窝式收水器进行收水。

图3 V形波收水器

图4 S形波收水器

图5 M形波收水器

图6 多波形收水器

虽然收水器有不同型号，但是收水器工作的主要原理是增加水蒸气在收水器上的流动距离及水蒸气与收水器的碰撞概率，通过延长水蒸气在收水器部分的通过时间来增加水蒸气液化的概率，使得形成的液滴依靠重力重新回到冷却塔中，降低水分通过风机飘逸的比例。

不同型号的收水器的收水效果不尽相同，一般来说波长越长、片距越小的收水器收水效果越好，但其带来的通风阻力也就越大，虽然能够得到更好的收水效果，降低水的飘散损失，但是对于冷却塔风机电机功率要求也越高，冷却塔的冷却效果将受到影响。因此，要根据冷却塔自身的冷却能力、风机的运行功率、综合能耗等多方面因素来考虑，选择最优化的冷却塔收水器，从而在保证冷却效果的前提下尽可能降低水的飘散损失。

3 结语

通过本文的探索可以看到，对于目前大量应用的开式循环冷却水系统确实有很多途径可以达到节水的目的。不同的企业和用户可以根据自身工厂所处的环境，结合运行中存在的特点等，通过合理地选择冷却塔形式、冷却塔内部构造，优化日常药剂投加方式、水质控制方式等措施来达到节水的目的。

在项目建设初期，最好能够结合当地气候、环境等因素选择节水、消雾类型的冷却塔，目前市场上此类冷却塔的冷却能力已经可以与大型开式冷却塔媲美，因此，还突破了原有闭式冷却系统冷却能力有限的制约，节水、消雾冷却塔无疑为大型循环冷却水系统提供了一个更加经济、环保的新选择。

在外界环境不发生剧烈变换的前提下，尽可能保证循环冷却水系统处于较稳定的状态，能够保持系统中的腐蚀、结垢、微生物控制等状态相对平衡，避免系统控制指标出现大的偏移。循环冷却水系统中腐蚀、结垢和微生物滋生是时刻发生的，而且是不可避免的，尽可能地减少外来药剂、物质对系统平衡的影响，减少对水体的人为干扰和冲击，才能使得循环水系统达到更高的浓缩倍数，从而减少系统排污水量。

其他如收水器换型等措施，必须结合原有设备运行工况来适度进行，不能为了节水而影响到系统的功能发挥，本末倒置。

总之，煤制烯烃工厂节水工作的关键在于循环冷却水系统，对于循环冷却水系统的深入研究将为工厂节水工作带来更宽广的思路，也将为煤制烯烃行业的生存和发展增添新的动力。