节水型焦化企业用水与节水分析

门 枢 王 师 高 超

（中冶焦耐工程技术有限公司 辽宁大连 116085）

引言

焦化产业依托煤炭工业、依存钢铁工业并支撑钢铁业持续高增长，为国民经济发展做出了重大贡献，是国民经济中的重要产业之一，同时焦化产业又是一个高能耗的产业。而降低水的消耗，有助于整个炼焦产业实现节能减排的目标，经过“十三五”期间的持续努力，焦化企业节水观念已深入人心，基本改变了以往粗放式发展模式。2022 年焦化行业全年都处于低利润，甚至部分企业处于亏损状态。因此，“向成本要效益”成为焦化企业管理者普遍认可的观点，寻求节水工艺成为降低企业生产成本的重要途径[1～3]。

1 分析条件及依据

某钢铁联合企业焦化厂，年产焦炭200 万t，配套备煤、炼焦、干熄焦、焦处理、煤气净化及公辅设施。该企业给水系统包括生产给水系统、生活给水系统、消防给水系统、煤气净化循环水系统、制冷循环水系统、低温水系统，配套建设生产、消防水泵站、循环水水泵站，循环水系统均为开式系统，浓缩倍数为5；排水系统包括生产生活排水系统、焦化废水排水系统、初期雨水及事故水系统、雨水排水系统，配套建设初期雨水及事故水收集池、焦化废水处理站，所有污水收集后均送焦化废水处理站处理不外排，采用“双膜法”处理后水回用至循环水系统作为补充水，膜浓液送钢厂冲渣。相关参数计算见式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）。

式中Vui—吨焦取水量，m3/t；Vi1—自取水量（从自建或合建取水设施、市政供水工程等取水量总和），m3；Vi2—外购水量（外购水或水的产品量总和），m3；Vi3—外供水量（外供水或水的产品量总和），m3；Q—企业焦炭（产品）产量，t。

式中Kw—废水回用率，%；Vw—企业对外排放废水处理后的回用水量，m3；Vd—企业向外排放的废水量，m3。

式中K1—用水综合漏失率，%；V1—企业的漏失水量，m3；Vi1—从自建或合建取水设施、市政供水工程等取水量总和，m3；Vi2—外购水（或水的产品）量总和，m3。

式中Rc—间接冷却水循环率，%；Vcr—间接冷却水循环量，m3/h；Vcf—间接冷却水循环系统补充水量，m3/h。

式中R—重复利用率，%；Vr—企业的重复利用水量，m3；Vi—企业的取水量，m3。

注：式1～5 中，Vi1、Vi2、Vi3、Q、Vw、Vd、V1、Vr、Vi均指在一定计量时间内的水量。

2 用水情况分析

2.1 水量平衡

通过对水量平衡的分析，可明确焦化厂用水组成，发现影响取水量的关键点，进而有针对性地采取措施，有效节水。本工程水量平衡图如图1 所示，图中焦化企业取水量最大的用户为循环水系统，其新水用量占总取水量的58%，主要用作开式循环水系统蒸发损失和排污损失的补充水。除盐水站用水量次之，用水量约占总取水量的33.8%，这部分水作为除盐水的原水，一部分被制成除盐水供锅炉产蒸汽用，另一部分为反渗透浓水及反洗水，进入排水系统，最终送焦化废水处理站处理。生产工艺新水主要供水封、加湿卸灰等生产技术用水，用水量占总取水量的6.5%。漏损量与施工质量和生产管理有关，占总用水量的1%。生活用水主要供卫生间、洗浴、化验等用水，不足总取水量的1%。煤中所含的水分，以蒸氨废水和煤气冷凝水的形式回收到焦化废水处理站，处理后的水回用到循环水系统作为补充水，占循环水系统总用水量的44%，大大地减少了系统生产新水用量。

图1 水量平衡图

2.2 取水量

吨焦取水量是焦化企业衡量用水情况最直接的指标，也是《焦化行业规范条件》（工信部公告〔2020〕年第 28 号）和《节水型企业 炼焦行业》（GBT 34610-2017）重要的考核指标。本工程及相关规范要求的吨焦取水量见表1，工程吨焦取水量满足《焦化行业规范条件》准入值要求，但距离先进值和考核值还有不小差距，要达到节水型焦化企业，还应采取更多的节水工艺和措施。结合式（1）及水量平衡的分析，要降低吨焦取水量，需先降低循环水系统的用水量，即降低蒸发水量和排污水量；同时，提高除盐水产水率，并降低除盐水的损失率，提高冷凝水的回收率；提高污水处理的回用率，实现“零排放”，也是降低吨焦取水量的有效方式。

表1 吨焦取水量 （单位：m3/t）

2.3 重复利用及漏损

节水型企业的其它考核指标见表2，4 项指标均基本满足节水型企业的要求。其中，间接冷却水循环率体现了整个循环水系统中，补水量占循环量的比例，也就是考察冷却系统是否节水。从结果上看，采用间冷开式的冷却塔，可基本满足要求。

表2 节水型企业的其它考核指标(单位：% )

废水回用率体现了污水处理的程度，节水型企业污水必须回用，才能满足《焦化行业规范条件》对取水量的要求，才能满足《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB16171-2012）[5]对吨焦排水量的要求，同时污水回用也是GBT 34610-2017 考核指标。从指标要求上看，由于干熄焦甚至全干熄已基本替代传统的湿熄焦，因此用“预处理+生化处理+深度处理”后的水熄焦的方法已不再适用。在深度处理后增加一级反渗透的双膜法工艺，其产水率在75%左右，产水用作循环补充水，剩余约25%浓盐水经简单处理后用来洗煤、冲渣等，可满足废水回用率的基本要求。

重复利用率体现了循环水量占全厂用水量的比例，即要求各用水单元要尽量采用循环利用的方式，减少直接排放。目前，从主要生产工艺上看，煤气净化、干熄焦、除尘等设备需要的冷却水，已经完全采用循环利用的方式，一些辅助的生产装置（加湿卸灰机用水、水封槽用水等），因其在使用后水质受到污染无法循环利用，依然采用生产新水，因此可以进一步提高重复率用率。

管网漏失率与管材、管径、长度、压力和施工质量有关，单位管道长度的供水量小或供水压力较高，以及管材较差、接口容易松动时，管网漏损率较高[6]。焦化企业一般占地不大（≤40ha），给水系统多采用钢管，焊接连接，且供水压力不高（≤0.5MPa），因此管网的漏损率较城镇管网低很多。结合企业的节水管理，可有效控制管网漏损率。

3 节水工艺或措施

通过以上分析发现，循环水系统、除盐水站、污水处理站是节水的关键单元，因此可针对这些单元实施可行的节水工艺或措施。

3.1 实现循环水系统节水

3.1.1 优化冷却塔选型

对于循环水系统，可优化冷却塔选型，通过阻止蒸发的水蒸气进入大气或阻止水的蒸发，降低蒸发水量。可采用新型节水消雾节水型冷却塔，通过设置在冷却塔上部的翅片管束或冷凝模块，降低出风口处白雾的现象，甚至完全消除，同时回流部分冷凝水，可降低10%～20%的蒸发损失[7]，实现节水的目的。严重缺水地区，可采用干湿结合闭式冷却塔，其集蒸发式，空冷式，水冷式等多种冷却方式于一体，可充分利用空气显热，从而降低蒸发水量，在一定干球温度下（5～15℃），可实现完全空冷。与开式塔相比，可降低蒸发损失25%～80%[8]。

3.1.2 提高浓缩倍数降低排污水量

通过投加新型的缓蚀阻垢剂，使碳酸钙晶体结构发生改变，使其不会在管线及换热器内壁形成沉淀，让循环水在高含盐量的情况下不产生结垢倾向；或采用电化学的方式，通过阴极反应生成OH-，去除循环水中结垢性的钙镁离子，在不增加排污的情况下降低结垢性离子浓度提高系统浓缩倍数，降低排污量。同时，由于采用了焦化废水处理站或中水处理站反渗透产水，其Ca2+、Mg2+含量几乎为零，TDS＜200mg/L，也进一步提高了浓缩倍数，降低排污水量[9]。

3.1.3 降低风吹损失

风吹损失与风速、冷却塔的类型、淋水填料、冷却水量有关。焦化企业普遍采用逆流式机械通风冷却塔，风吹损失水量占循环水量的0.1%。采用薄膜填料可降低风吹损失[10]。同时，应选择空气阻力小、除水效率高的除水器(不小于98%)。管理上应定期对除水器的运行状况巡检，确保除水器在正常状态下运行。

3.2 提高除盐水站产水率

3.2.1 优化除盐水处理工艺

目前，除盐水站普遍采用“反渗透+混床”的工艺，总产水率一般小于60%。通过优化预处理工艺改善反渗透膜进水水质、采用抗污堵膜对反渗透浓水进行再浓缩，选用产水率高的EDI 模块等[11][12]，都可以提升系统产水率，降低原水的需求，从而实现节水。

3.2.2 提高冷凝水的回收率

蒸汽冷凝水水质很好，经简单处理即可作为除盐水回用。目前,很多蒸汽伴热、采暖、加热等蒸汽用户产生的凝结水直接排入厂区排水管网，造成大量除盐水的损失，因此应对全厂蒸汽用户进行冷凝水收集，提高冷凝水的回收率,减少除盐水的损失,从源头上降低除盐水的消耗量。

3.3 提高污水处理回用率

焦化企业普遍采用“超滤+反渗透”的深度处理回用工艺，产水率约75%，剩余25%浓盐水用作熄焦、洗煤、冲渣等用途，因此想要提高污水回用率，就要从这剩余的25%浓盐水入手。目前，主要采用2 种方式提高污水回用率。一种方式与除盐水站类似，通过特种膜、EDI、蒸发器等设施，对反渗透浓水进步浓缩，最终回用率能达到约90%，这种方式一般适用于钢铁联合企业或自有洗煤厂等可消耗部分浓盐水的企业[13]。另一种方式是浓盐水通过纳滤膜，将一价盐和二价盐分离后再进一步浓缩，最后通过蒸发结晶装置生产硫酸钠和氯化钠的方式，实现废水的零排放，这种方式适用于浓盐水没有去处的独立焦化企业[14]。此外，用循环水替代生产新水，如工艺的地坪冲洗水、水封用水、加湿卸灰机用水等，其对水质要求不高，可用循环水给水替代，消耗部分作为循环水系统排污水计入水平衡，从而降低生产新水用量。

4 节水效果分析

采用上述节水工艺对水系统进行优化，循环水系统冷却塔考虑采用消雾节水型冷却塔，结合山西、内蒙等地区实际运行参数，节约蒸发水量按15%考虑，并采用电化学水处理设备替代传统加药，提高浓缩倍数至6；对蒸汽冷凝水进一步回收，可节约50%的除盐水，同时采用预处理高效EDI 模块及浓水再浓缩工艺，提高产水率至60%；污水处理在“双膜法”后增加纳滤分盐+蒸发结晶工艺，实现污水零排放。改进后的各项指标见表3。

表3 采用节水措施后预估指标

由表3 可知，通过采用不同的节水工艺，各项节水指标均有不同程度的提升，尤其是吨焦取水量，在采用全部上述工艺的情况下，已降至0.89m3/t，远低于GBT 34610-2017 先进值指标；间接冷却水循环率和重复利用率均有小幅提升，但由于循环水量远高于补水量和取水量（见式3、式4），在数值上提升不明显；废水回用率因增加了蒸发结晶工艺，废水实现零排放，数值达到100%。

结语

随着焦炭产能的不断增大及水资源需求总量呈增大趋势，水资源短缺必将成为制约炼焦产业发展的重要因素，因此采用新的节水工艺、节水设备、加强节水管理，从而减少用水量，提高用水效率，实现水资源减量化、再利用、再循环的循环经济运行模式，将是我国焦化企业降低水资源消耗最为有效的途经。另外，改善循环水工艺、优化水处理工艺、提高废水回用率，均可有效降低取水量，焦化企业也可根据自身情况，采用合理的优化工艺，满足甚至超过节水型企业的标准。