大幅降低煤化工水耗的神奇三步法

马后炮火

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一个年产300万吨的煤制油项目年用水量将达到6000万吨左右，这相当于十几万人口的水资源占有量或100多平方公里国土面积的水资源保有量。在西部的内蒙、宁夏、甘肃、陕西及新疆等省区，“十二五”期间批准开工的项目有可能达到8000亿元，其年耗水量可能要求9.3亿立方米的水平，这对缺水的西北地区简直不可想象。那么，有什么办法缓解如此尖锐的用水矛盾呢？技术“拼盘”造成高水耗

根据工信部上报国务院的《“十二五”煤化工示范项目技术规范（送审稿）》提出的基本要求，煤制甲醇吨甲醇水耗为7吨，煤制天然气每千立方米天然气水耗为6.9吨，煤制合成氨吨合成氨水耗为6吨，煤间接液化制油吨油水耗为11吨，煤制烯烃吨烯烃水耗为22.8吨，煤制乙二醇吨乙二醇水耗为9.6吨。然而实际运行的装置耗水数据远高于这个基本要求。以内蒙古煤化工为例：吨甲醇水耗为17吨，吨二甲醚水耗为14吨，吨合成氨水耗为18吨，煤制油吨油水耗为13吨，吨聚烯烃水耗为32吨。

如果同一产品比较一下石油化工路线生产和用煤化工路线生产所用的水耗就会发现，煤化工路线的水耗比石油化工路线高得离谱。例如，生产1吨乙烯，石油化工路线耗水约6～7吨，而煤化工路线的水耗就要32吨水（设计值），而烯烃中乙烯和丙烯各占50%，所以折算成吨乙烯水耗还要加一倍，即64吨水，这就比石油化工的乙烯耗水高了一个数量级。

这么高的单位产品水耗是必然的吗？回答应是否定的。以煤制甲醇为例。开始煤制甲醇是传统工艺，规模也小，吨甲醇水耗高达25吨/吨,远高于天然气制甲醇的耗水。但随着工艺设计和生产操作逐步成熟优化，煤制甲醇的水耗逐步下降到17吨/吨。到2008年新一代煤化工装置投产，水耗已降到12吨/吨。2012年，大规模180万吨甲醇装置投产，水耗降到了7吨/吨，与天然气制甲醇的耗水相当。

从这个例子可以看出，煤化工当前的水耗高，是由于新一代煤化工均处于大型工业化开发示范阶段，最核心要求首先是“打通工艺流程，顺利拿到产品”，而非“节能节水”。所以在公用工程配置上只是尽量满足工艺要求，谈不上优化。例如某煤制烯烃厂的煤气化用的是GE水煤浆加压气化技术，净化用的是Linde公司低温甲醇洗技术，甲醇合成用的是戴维甲醇合成技术，甲醇制烯烃MTO用的是中科院大连化物所和洛阳石化工程公司的技术，聚乙烯/聚丙烯用的是DOW化学公司的UNIPOL技术……在这种技术拼盘条件下，各工艺装置招标在前，各自由中标公司完成设计，而到了公用工程系统就完全处于被动满足各方面要求境地，根本谈不上优化，能耗和水耗均偏高就成了必然。但如果现代煤化工都像煤制甲醇那样，不断磨合，不断优化，高水耗也并非天经地义。

顺序不能颠倒的三步法

如何磨合、如何优化呢？利用过程系统工程的节水三步法是一个有效途径。

过程系统工程从上世纪80年代初传入国内，首先在中石化、中石油等大企业节能中推广应用，并形成一套企业节水减排三步法。

所谓三步法，即水平衡测试—水网络集成—外排污水深度处理回用。第一步是基础，通过加强管理、完善计量仪表，细致地进行全厂（全公司）水平衡测试，得到详细的水平衡图表，从而为节水减排的潜力分析奠定基础。按住房和城乡建设部的要求，企业每3年就应该做一次水平衡；第二步是通过水夹点方法，使各种水源和水阱得到合理配置。在水网络系统集成优化已明显使吨产品耗水量及排污水量下降的基础上，才应考虑第三步：外排污水的深度处理制成中水或脱盐水回用。顺序不能颠倒，否则会造成浪费。

从2003年6月开始，中国石化股份有限公司内部开始推广这种方法，其炼油吨水耗从2001年的1.8吨/吨下降至2004年的1.15吨/吨，到2012年降到0.55吨/吨，接近国际先进水平的0.50吨/吨。中国石油天然气股份公司于2005年推广应用这项技术，炼油吨水耗从2005年的1.14吨/吨下降至2012年的0.60吨/吨。这些实例说明，过程系统工程的节水减排三步法是行之有效的。

煤制烯烃的节水案例

下面通过某煤制烯烃化工厂的案例，分析一下煤化工企业如何运用这一技术。

首先，通过水平衡测试，了解到这家企业新鲜水的去向。其中:循环水系统补水29%，制除盐水用新鲜水59%，其他工艺用水6%，厂内生活用水1%，高压消防水2%，基建及绿化1%，仪表误差及损失2%。从水的去向得知，节水的重点应该在除盐水、循环水和工艺用水。

在水平衡测试基础上，再进行第二步水网络集成。这时，企业可以分为7个子系统来优化水的利用，分别是：①水传输管网；②制水系统；③工艺装置用水系统；④循环水系统；⑤冷凝水回收系统；⑥污水处理及回用系统；⑦厂区生活用水系统。下面分别就不同子系统的优化潜力进行分析。

首先，要努力提高制脱盐水效率。如果按膜法提高到1.33吨水制1吨脱盐水，则可以使吨烯烃耗水下降2.0吨/吨；如果采用离子交换达到1.10吨水制1吨脱盐水，则吨烯烃耗水下降4.16吨/吨。因为全厂用的脱盐水量很大，制水系数提高1%都意味着可以成百吨/小时的节水。为了提高制水系数，可以将两段反渗透RO改造成三段RO，其水回收率由75%提高到87.5%。同时超滤UF排出的反洗水水质很好，完全可以回收作为原水来用。

工艺用水的解决方案就是要优化水网络的匹配，做到高水高用，低水低用，清污分流，污水回用。这就需要用专门的水夹点计算软件进行优化计算。根据计算结果，将用于仪表和密封冲洗的高质量的脱氧水置换成质量较低的二次排出水，可以节水200吨/小时以上。

循环水系统是个关键。石油制乙烯吨产品耗循环水大约为300～400立方米/吨，而煤制乙烯的吨产品耗循环水竟达2090立方米/吨，煤制乙烯竟然是前者的5～7倍。这是因为相应的乙烯吨产品耗蒸汽量过高造成的，煤制烯烃的吨产品耗蒸汽量比石油化工吨产品耗量约高出3～4倍左右。这充分体现煤化工公用工程系统的不成熟性。所以，要从根本上做到循环水系统优化，降低循环水消耗，就必须从节能优化做起。如果就现场蒸汽管网系统不动，首先针对每小时上千吨循环水蒸发上天，采用CRECT水蒸汽回收系统，回收率可达20%。此外，将循环水场的多种补水进行优化改造，并将循环水场排污水适度处理回用，实现近零排放。这样虽然不能从根本上降低循环水耗量，但也可以减少可观的新鲜水耗量。

在蒸汽及冷凝水回收系统优化方面，存在以下问题应当改进：①存在中压和低压蒸汽过剩现象，放空量达约80吨/小时；②少数装置还存在凝结水直接向污水排放；③有些除氧器乏汽和其它装置的乏汽尚未回收。由于蒸汽价格高，回收得到的冷凝水可以当做化学水价格也很高，所以通常冷凝水回收是一本万利的事。特别是最新的高温回收技术，不但回收水的价值，还回收高温热的能量价值。这方面采用成熟的回收技术，也可以节水每小时近百吨，产生上千万元/年的效益。

经过制水系统、工艺水系统、循环水场及冷凝水回收系统用水优化后，排向污水回用装置的污水量可减少37%。这时向外排的浓盐水也相应下降。但是，这种难处理的高含盐污水终究是环保的祸害。这时，就要进行第三步外排污水深度处理回用。在这方面，可以采用非热法脱盐技术处理，因为这一技术的净水回收率可高达95%，可以实现“近零排放”。

实施上述十几项技术措施后，可以将总体新鲜水消耗下降63%，吨烯烃耗水有可能从原设计的32吨/吨下降到10吨/吨以下。这当然需要相应的技术改造投资。经过粗略计算，所需要的投资费用的静态投资回收期约2.6年，所以也是合理的。