大型煤制烯烃项目用水节水研究

孙宗礼 杨金龙 朱晓霞

(中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西省榆林市，719000)

中煤陕西榆林能源化工有限公司(以下简称中煤陕西公司)位于陕西省榆林市，其一期项目(规模为180万t/a甲醇、60万t/a聚烯烃)于2011年8月23日开工建设，于2015年1月正式进入商业化生产运营，主要利用GE公司水煤浆加压气化技术、DAVY公司甲醇合成技术、大连化物所DMTO技术等国内外成熟、先进、可靠的生产工艺，以煤为原料生产180万t/a甲醇和60万t/a聚烯烃，以实现石油替代和煤的清洁利用。

为了详细摸清水资源的科学利用情况，于2018年4月开展了全公司的水平衡测试，对煤制烯烃用水、节水的分析和研究等问题进行了系统的研究与探讨。

1 水系统概况

中煤陕西公司煤制烯烃项目用水主要包括新鲜水、循环水、除盐水、除氧水、蒸汽及其凝结水和中水等。其中，新鲜水主要用于制备除盐水、循环水场补水、消防补水及生活用水等；除盐水主要用于泵的密封、除氧器补水；循环水主要用于物流及设备冷却；除氧水主要用于锅炉及蒸汽发生器产汽；蒸汽蒸汽及其凝结水主要用于驱动汽轮机、工艺及设备加热和采暖伴热等；中水全部回用于循环水场补水和脱盐水装置原水制脱盐水系统补水。

2 主要用水点分析

中煤陕西公司煤制烯烃项目在2018年4月23日的水平衡测试表明：新鲜水取水量为1641.54 m3/t， 其中循环水系统补水325.71 m3/t，制备除盐水需新鲜水918.59 m3/t；其他工艺用水为211.99 m3/t；厂内生活用水67 m3/t；高压消防水为60.42 m3/t；基建及绿化用水为40.00 m3/t；仪表误差及损失用水为17.96 m3/t。

从用水点分析，煤制烯烃项目的用水特点是直接取用的新鲜水在总用水中所占比例较低，新鲜水主要用于补充冷却水及制取脱盐水。

3 用水技术经济指标

依据《节水型企业评价导则》(GB/T7119-2006)，计算用水技术的各项经济指标。

3.1 重复利用率

重复利用率是指在一定的计量时间内，生产过程中所使用的重复利用水量与总用水量之比见式(1)：

(1)

式中：R——重复利用率， %；

Vr——在一定的计量时间内企业的重复利用水量，m3/h；

Vi——在一定的计量时间内企业的新鲜水取水量，m3/h。

根据水平衡测试数据，重复利用水量Vr为118825.66 m3/h，新鲜水取水量Vi为1641.54 m3/h，因此工业水重复利用率为98.64%。

3.2 循环水浓缩倍数

循环水浓缩倍数是指循环水含盐量与其补水的含盐量之比见式(2)：

(2)

式中：K——循环水浓缩倍数；

Ccy——循环水含盐量，mg/L；

Cf——补水的含盐量，mg/L。

根据水平衡测试数据：循环水含盐量Ccy为1218.83 mg/L，补水的含盐量Cf为214.2 mg/L，因此循环水场平均浓缩倍数为5.69。

3.3 除盐水制水率

除盐水制水率是指除盐水产量与取水量之比见式(3)：

(3)

式中：k1——除盐水制水率， %；

Vch——除盐水水量，m3/h；

Vcin——制除盐水取水量，m3/h。

根据水平衡测试数据：制除盐水取水量Vcin为918.59 m3/h(新鲜水)，生产的除盐水量Vch为768.25 m3/h，因此，除盐水制水率为0.713%。

3.4 蒸汽冷凝水回收率

在一定的时间内，蒸汽冷凝水回收量与蒸汽总产量(包括装置锅炉、汽包自产蒸汽量)的质量见式(4)：

(4)

式中：Rb——蒸汽冷凝水回收率， %；

Vbr——蒸汽冷凝水回收量(标准状态下)，m3/h；

D——产汽设备的产汽量，t/h；

ρ——蒸汽冷凝水体积质量(标准状态下)，t/m3。

根据水平衡测试数据，蒸汽冷凝水回收量Vbr为1748.76 m3/h，产汽设备的产汽D为1978 t/h，另蒸汽冷凝水体积质量ρ为1 t/m3，因此蒸汽冷凝水回收率为88.41%。

3.5 单位聚烯烃产品取水量、单位甲醇取水量

单位化工产品取水量为生产单位产品所需要的新鲜水量见式(5)：

(5)

式中：Vui——单位产品取水量，m3/t；

Q——在一定计量时间内的产品总量，t/h。

根据水平衡测试数据：新鲜水取水量Vi(包括空分)为1641.54 m3/h；另进行水平衡测试时烯烃产量Q为87.52 t/h，因此单位聚烯烃产品取水量为18.77 m3/t。

此外，测试时甲醇装置Q折纯产量为262.26 t/h，由于取水总量为1641.54 m3/h，扣除烯烃部分用水495.16 m3/h，剩余即生产甲醇的用水量Vi，即1641.54-495.16=1146.38 m3/h。因此，单位甲醇取水量为4.37 m3/t。

3.6 单位产品污水排放量

单位产品排污水量为加工每吨产品所排放的污水水量见式(6)：

(6)

式中：Pch——单位化工产品排水量，m3/t；

Vp-ch——在一定的计量时间内生产某化工产品的排水量，m3/h。

根据水平衡测试数据：污水排放量Vp-ch为731 m3/h，烯烃产量Q为87.52 t/h，因此单位烯烃污水排放量为8.35 m3/t。

3.7 废水回用率

废水回用率是指在一定的计量时间内，经过处理后回用的污水量与处理的污水量总量之比见式(7):

(7)

式中：Kw——废水回用率， %；

Vw——在一定的计量时间内，企业对外排放废水自行处理后的回用水量，m3/h；

Vd——在一定的计量时间内，企业向外排放的废水量，m3/h。

根据水平衡测试数据，中水回用量Vw为860.93 m3/h，外排废水Vd为污水量为262.22 m3/h，因此废水回用率为76.65%。

3.8 用水综合漏失率

即用水管网损失占总供水量的比值见式(8)：

(8)

式中：K1——用水综合损失率， %。

根据水平衡测试数据，新鲜水管网漏失量V1为17.96 m3/h(注：包括计量误差)，企业的新鲜水取水量Vi为1641.54 m3/h，因此用水综合漏失率为1.094%。

3.9 聚乙烯、聚丙烯单位产品用水量

聚乙烯聚丙烯单位产品用水量是指生产时的各种用水量与产品量之比同式(5)。聚乙烯、聚丙烯的用水量是指从甲醇生产出聚烯烃各装置的用水量，包括循环水补水468.21 m3/t，脱盐水20.16 m3/t，新鲜水6.80 m3/t，共总计用水Vi为495.16 m3/t；测试时烯烃产量Q为87.52 t/h，因此单位聚乙烯、聚丙烯产品用水量为5.66 m3/t。

4 用水技术经济指标评价分析

经过计算，将用水技术经济指标和行业相关指标进行对标评价，部分对标分析的数据来源于石油化工行业的相关标准、《节水型企业石油炼制行业》(GB/T 26926-2011)和《炼化企业节水减排考核指标》(Q/SH0104-2007)，加工吨产品的用排水指标来源于《陕西省行业用水定额》。

用水指标与国家标准和同行业指标比较分析见表1。

表1 用水指标与国家标准和同行业指标比较分析

由表1中煤陕西公司用水指标与行业指标对比可以看出，中煤陕西公司的工业水重复利用率为98.64%，优于同行业水平98.33%，达到《建设部关于印发<节水型企业目标导则>的通知》 (城建1997〔45号〕)中有机化工类水的重复利用率应达到97.5%以上的指标要求，优于节水型企业要求的达标水平。

(1)循环水场浓缩倍数为5.69，高于同行业和化工系统循环水浓缩倍数的达标要求，属于优秀水平，这方面除了中煤陕西公司煤制烯烃项目的管理较好之外，还有循环水补水水质较好的原因。

(2)脱盐水装置制水率数值为0.713%，优于行业达标水平要求的0.648%。

(3)蒸汽凝结水回收率为88.41%，优于节水型企业评价标准要求的5.13%。

(4)单位烯烃取水量为18.77 m3/t，优于同行业要求的24.38 m3/t。

(5)根据《陕西省行业用水定额》(DB61/T943-2014)规定：新建煤制甲醇，单位甲醇产品用水定额不得超过9 m3/t。本项目单位甲醇取水量为4.37 m3/t，符合该规定，优于同行业要求的5.71 m3/t。

(6)废水回用率为76.65%，优于同行业要求的43.62%，达到50%标准要求。

(7)用水综合漏失率为1.094%，优于节水型企业的评价标准要求的5%，优于同行业要求的1.82%。

(8)根据《陕西省行业用水定额》(DB61/T943-2014)规定：新建项目，MTO装置原料为甲醇生产聚乙烯，单位产品用水定额不得超过8 m3/t。本项目单位聚乙烯、聚丙烯产品用水量为5.66 m3/t，符合该规定，优于同行业要求的5.71 m3/t。

5 节水措施与管理

通过用水指标分析后认为，中煤陕西公司主要用水指标都已达到了节水要求，这主要是由于采用了国内、国际先进的工艺技术，遵循了节约、可靠、经济的原则，同时重视水资源的重复利用率，并通过采取有效的节水措施，使主要用水指标达到节水要求。此外，为了降低新鲜水的消耗量，中煤陕西公司煤制烯烃项目采用了节能型的工艺和设备，强化内部节水措施，提高水资源利用；对各装置主要工业水、冷却水尽可能采用循环水；采用先进的污水处理和污水回用处理工艺技术，在工艺技术经济可行的基础上，尽可能地实现水的回收利用。

5.1 节水措施

主要采取严格控制地面冲洗水、设备冲洗水和生活用水，严禁滥用、多用等节水措施，实行清污分流，严格控制排污；蒸汽凝结水回收使用，提高凝结水回用率；设置用水计量仪表，强化用水管理和节水考核；来自MTO装置的净化水送至气化装置，用于煤浆制备单元的磨煤机补充水，节约了新鲜水用量；采用先进的GE水煤浆加压气化工艺，优化换热流程，选用高效节能的设备，合理利用热位能，提高换热效率，节省循环水用量。

同时积极实行分质供水，给水系统划分为生活给水系统、生产给水系统、稳高压消防系统和循环水给水系统。 排水系统按清污分流、污污分流、分类收集的设计原则进行划分，严格控制排污。装置内排水系统划分为生活污水系统、污染雨水及生产污水系统、含树脂废水系统和雨水清净下水系统。脱盐水站收集各生产装置的蒸汽工艺冷凝液和透平冷凝液进行精制处理，变成合格的脱盐水供给各生产装置使用，减少了新鲜水的用量。

5.2 依靠科技节水降耗

中煤陕西公司化工装置的吨烯烃耗水由开车时的25 m3/t，经过一系列的节水技改措施降至目前的23 m3/t，为企业创造了良好的经济效益，主要节水技改技措如下。

5.2.1 蒸汽伴热系统凝液回收

根据凝液收集分布区域的特点，共新设4个凝液收集闪蒸罐，通过技术改造回收全部排放的凝结水，回收的凝结水可以送至第二循环水站作为补充水，降低原水消耗，从而达到节水目的。项目实施后回收凝结水为26.99万t/a，回收蒸汽为2.43 t/a，产生经济效益为397万元/a。

5.2.2 循环水冷却塔塔顶水汽回收

循环水装置开式冷却塔塔顶水汽回收技改项目，已在2间开式冷却塔进行初步试验性实施，经过试运行, 冬季冷却塔塔顶水蒸气明显降低，回收水量超过蒸发水量的20%，回收凝结水电导率小于100 μs/cm，达到软化水标准。在夏季环境温度较高时，对冷却塔主风机及循环水冷却能力没有明显影响。目前存在的问题是此装置在冬季运行时冷却的凝结水不能全部回收，此外塔外有结冰现象，所以冷凝水的收集方式需要继续改造。

5.2.3 气化炉捞渣机增加振动筛节水

气化炉捞渣机出料的灰渣含水量较大，灰渣计量、收费按照称重收费，运输成本高；对气化装置的8台捞渣机进行增加振动筛改造，增设振动筛后可将灰渣含水量由50%减少至25%左右；改造后气化炉灰渣产出量减少为600 t/d，可节约运输费用为211万元/a，可节约水量为22万t/a，节水减排效果显著。

5.2.4改变冷却塔风机叶片材质，提高冷却塔冷却能力

循环水装置夏季实际供水温度超过30℃，影响主装置高负荷生产。针对冷却塔风机玻璃钢强度小的问题，提出将玻璃钢叶片更换为强度大、质量轻的碳纤维，叶片角度可调整20℃，冷却风量增加10%以上，夏季最热月冷却塔温差超过10℃，冷却塔实际出水温度低于30℃，通过更换强度更大碳纤维叶片，在不增加投资的情况，提高冷却塔冷却能力10%，虽然电耗增加一倍，但是保证供水温度在最热月不超过30℃，平时运行比玻璃钢叶片冷却塔低1～2℃，保证主装置高负荷甚至超负荷生产，产量不降，节水效益显著。

5.2.5 控制循环水的浓缩倍数，减少补水量

加强循环水水质管理与精细化操作，根据循环水水质及时调整排污量和加药量，在保证循环水水质指标合格的前提下，降低循环水排污量，提高循环水浓缩倍数，并保证不影响全厂换热器的正常运行。这样既可以降低回用水处理循环水排污量，为污水超负荷提供条件，也为全厂节约新鲜水用量。循环水设计浓缩倍数≥5，按照年均浓缩倍数5.69计算，节约补水成本135万元。合理使用过程产水，降低新鲜水量，年节约费用83万元。

5.3 节水管理

中煤陕西公司成立了专门的节水工作领导小组，领导和监督各单位的节水工作，对各用水设备的进排水口设置计量仪表，制定严格的用水定额，实现对各系统用排水量的有效控制。

5.3.1 加强用水分析，控制水耗

每天密切关切园区来水量以及各生产中心消耗水量，对消耗偏高的生产单位及时查找原因、采取措施，尽量将水消耗控制在最佳消耗范围内。

5.3.2 对水实行定额管理

对水消耗制定严格的消耗定额计划，并纳入绩效考核指标范围内，使节水措施的实施有保障。

5.3.3 分质供水，梯次利用，优化工艺管理

严格控制绿化用水、生活用水以及施工建设用水。在工艺上严格控制循环水温差，减少循环水用量，达到节能和节水的目的。优化循环冷却水水质稳定处理方案，提高循环水浓缩倍数，减少补充水量，减少泄漏和蒸发等损失量。对用水水质的不同要求，合理划分给水系统，分质供水，梯次利用。优化工艺并摸索最佳操作条件，在满足生产的前提下，优化各脱盐水用户的补水量，减少脱盐水补水量。根据季节变化和设备开停与负荷变化，及时调整循环用水水量。

5.3.4 建立节水信息化管理系统

将厂区内水的计量数据传送到EMS信息化系统上，进行数据统计、处理和分析，得出用水和排水数据，有针对性地进行水量控制。

6 结语

节水是一项系统工程，离不开合理的设计和科学的管理，更离不开采用高效低耗的节水技术和设备。对于煤制烯烃项目水耗高的问题，通过采取先进的节水措施与管理，将能够实现煤制烯烃耗水的持续降低，从而为促进煤化工的协调有序发展创造良好的条件。