精細化工企業(yè)水平衡測試及節(jié)水分析

陳 斐 上海紡織節(jié)能環(huán)保中心

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精細化工企業(yè)水平衡測試及節(jié)水分析

陳 斐 上海紡織節(jié)能環(huán)保中心

摘要：精細化工是我國化學工業(yè)的重要組成部分，高能耗、高水耗、高污染是阻礙精細化工行業(yè)發(fā)展的主要因素。本文以某精細化工企業(yè)為例，通過開展水平衡測試，了解企業(yè)用水結構及特點，從而進一步挖掘企業(yè)節(jié)水潛力，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置；研究可為精細化工企業(yè)提高資源利用效率，實現(xiàn)清潔生產提供參考與借鑒。

關鍵詞：精細化工；節(jié)能減排；水平衡測試；節(jié)水

精細化工成為化學工業(yè)發(fā)展的重中之重，是世界各國重視的工業(yè)之一，也被我國列入重點發(fā)展行業(yè)。精細化工行業(yè)生產過程中消耗大量化學原料，反應后的產物通常需采用大量清水進行多道洗滌與澄清，消耗大量水資源同時也隨之排放結構復雜、有毒有害且難以生物降解的生產廢水，帶來嚴重的環(huán)境污染［1，2］。

在資源日益短缺、環(huán)保意識不斷提高的背景下，精細化工企業(yè)的節(jié)能降耗工作不斷得到重視，節(jié)能節(jié)水方案措施也不斷被挖掘并運用于實踐，如工藝水重復利用、冷凝水回收、工藝革新等［3，4］。本文以某精細化工企業(yè)為例，結合水平衡測試工作，了解企業(yè)的用水性質及特點，評價用水合理性，探究現(xiàn)有問題并挖掘節(jié)水潛力，為精細化工企業(yè)提高資源利用效率，減少污染，實現(xiàn)清潔生產提供參考與借鑒。

1 典型生產工藝流程

典型精細化工企業(yè)生產流程如圖1所示，主要由原料粉碎、醚化反應、反應物清洗（多道洗滌）、造粒干燥、粉碎篩分及成品包裝等工序組成。

由圖1可知，典型精細化工企業(yè)多個生產工序均需使用水或蒸汽，如清洗工藝約占新水總量的50%～60%，蒸汽鍋爐約占新水總量的20%～25%，冷卻塔補水約占新水總量的10%～15%，是企業(yè)的主要耗水點。

圖1　典型精細化工企業(yè)生產流程圖

2 企業(yè)水平衡測試

2.1水平衡測試概況

水平衡是以企業(yè)為考察對象的水量平衡，即企業(yè)各用水單元或系統(tǒng)的輸入水量之和等于輸出水量之和，而水平衡測試是對用水單元和用水系統(tǒng)的水量進行系統(tǒng)的測試、統(tǒng)計、分析得出水量平衡關系的過程［5］。

某精細化工企業(yè)以生產建筑和涂料等行業(yè)所使用的羥丙基甲基纖維素（HPMC）為主，按照《企業(yè)水平衡測試通則》和《節(jié)水型企業(yè)評價導則》［6，7］，選取該精細化工企業(yè)生產運行穩(wěn)定、有代表性的時段進行測試，連續(xù)測試時間為72 h，每24h記錄一次，共取4次測試數(shù)據；通過測試結果對企業(yè)用水情況進行匯總分析，主要評價指標包括工藝水回用率、間接冷卻水循環(huán)率、重復利用率等。

2.2測試結果

通過開展水平衡測試工作，將該企業(yè)各類用水按其用途及用水特點劃分為主要生產用水系統(tǒng)、輔助生產用水系統(tǒng)、附屬生活用水系統(tǒng)；企業(yè)新水總量為372.7 m3/d，各用水系統(tǒng)的水量平衡情況如圖2所示。

圖2　企業(yè)水量平衡框圖

由圖2所示，各用水點的耗水情況如下所示。

（1）蒸汽鍋爐系統(tǒng)

企業(yè)蒸汽用量為87.0 m3/d，蒸汽主要用途包括：①加熱生產清洗工藝所需的熱水②間接加熱反應釜以滿足反應溫度要求③成品烘干。

（2）生產清洗系統(tǒng)

醚化反應后的物料需采用（85～90）℃的熱水進行清洗，去除反應產物中的雜質；清洗工藝共采用兩道洗滌工序，第一道洗滌排水水質較差，直接排放至污水處理站，第二道洗滌的排水較潔凈，收集后作為串聯(lián)用水回用至一洗工藝。

（3）間接冷卻系統(tǒng)

企業(yè)冷卻系統(tǒng)主要用于醚化反應后的反應釜、空壓機及冷凍設備的冷卻；冷卻塔循環(huán)量為6000.0 m3/d，補水總量為63.7 m3/d，冷卻水循環(huán)率為98.9%。

（4）辦公用水

主要為企業(yè)員工辦公生活用水，人均用水量為34.0L/人·d，符合上海市地方標準中40 L/人·d的標準。

（5）食堂用水

主要為企業(yè)員工餐飲用水，人均用水量為14.3 L/人·餐，符合上海市地方標準中15 L/人·餐的標準。

（6）宿舍用水

主要為企業(yè)員工宿舍用水，人均用水量為94.0 L/人·d，符合上海市地方標準中125 L/人·d的標準。

（7）平衡差（表計誤差）

測試期間，企業(yè)存在7.0 m3/d的平衡差，這主要可能與水表精度及讀數(shù)有關，而整體二級水表計量率高達98.1%，說明企業(yè)給水管網基本無滲漏。

2.3用水指標分析

2.3.1工藝水回用率

企業(yè)工藝水回用主要包括清洗用水逆流洗滌、少量蒸汽冷凝水回用等，目前工藝水回用量為180.0 m3/d，回用率為48.1%，可見該企業(yè)工藝水回用率相對較低。本市諸多精細化工企業(yè)建廠時間較早，傳統(tǒng)工藝中節(jié)水措施較欠缺，導致工藝水重復利用率較低，新水消耗量較大；主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）化學原料在反應釜中加熱反應后的產物需用水清洗，耗水量約占企業(yè)新水總量的50%～60%，同時排放大量的清洗廢水。為確保清洗效果，通常采用多道洗滌工藝，前道清洗排水水質較差，而末道清洗排水水質較好，具有一定的回用價值；然而傳統(tǒng)精細化工企業(yè)將各道清洗用水直接排放不但造成巨大浪費，也加重了廢水處理負荷和成本。

（2）蒸汽鍋爐水耗約占企業(yè)總水耗的20%～25%，能耗約占企業(yè)總能耗的30%～40%，蒸汽主要用于間接加熱反應釜、清洗用水及成品烘干等工序，使用后的蒸汽轉化為90℃的冷凝水。通常精細化工企業(yè)將高溫冷凝水直接排放，既造成大量的熱能浪費，又容易對廢水處理設施造成沖擊，影響處理效果；如果將冷凝水排放至冷卻循環(huán)水池作為冷卻塔補水，雖然可作為節(jié)水措施，但容易造成冷卻循環(huán)水池的水溫升到，影響冷卻效果。

2.3.2重復利用率

企業(yè)重復利用水量主要由工藝水回用量及間接循環(huán)冷卻水量等組成，目前重復利用水量為6180.0 m3/d，重復利用率為94.3%，高于本市化工原料行業(yè)工業(yè)用水重復利用率88.0%的標準，這主要與企業(yè)間接循環(huán)冷卻系統(tǒng)的規(guī)模較大有關。

重復利用率是考察企業(yè)水資源利用效率的重要指標，較低的重復利用率不僅造成產品水耗、能耗較高外，也導致大量可二次利用的水資源及能源被浪費，造成環(huán)境污染。

2.3.3間接冷卻水循環(huán)率

冷卻系統(tǒng)主要用于反應釜及相應設備冷卻，通常采用水冷式冷卻塔作為散熱設備，由于冷卻系統(tǒng)通過水汽蒸發(fā)的形式散發(fā)熱量，因此需定期補水以保持系統(tǒng)平衡。企業(yè)冷卻系統(tǒng)冷卻水循環(huán)率為98.9%，達到本市冷卻設施間接冷卻水循環(huán)率98.8%的平均水平，冷卻水循環(huán)率較高主要與設備維護較好、冷效高、飄水率低等因素有關。

2.3.4萬元產值取水量

萬元產值取水量是衡量企業(yè)對水資源使用效率的綜合指標，根據上海市經濟和信息化委員會、上海市統(tǒng)計局公布的《上海產業(yè)能效指南（2014版）》，化學原料和化學制品制造業(yè)的產值水耗為2.489 m3/萬元；而以2014年為例，該企業(yè)年用水量為10.3萬m3，年產值約3.7億元，折算產值水耗為2.784m3/萬元，略高于本市綜合能效要求，可見企業(yè)仍存在一定的節(jié)水空間。

3 企業(yè)節(jié)水潛力與分析

通過水平衡測試，了解精細化工企業(yè)用水結構，并通過各工序段的水量需求，分析典型精細化工企業(yè)的節(jié)水潛力；包括工藝水重復利用、蒸汽冷凝水回用、廢水余熱回收、冷卻設施維護管理、建立計量管理體系等。

3.1工藝水重復利用

精細化工反應后通常需要多道清洗工序進行反應物洗滌與澄清，這也是企業(yè)最大耗水點；傳統(tǒng)工藝中各道清洗用水均使用新鮮水，造成化學品及水資源巨大浪費的同時也排放大量高濃度有機廢水，增加廢水處理難度。為實現(xiàn)資源回收、清潔生產的目的，采用逐格倒流、逆流清洗的回用工藝能大大提高水資源利用效率，減少環(huán)境污染。

圖3　清洗·用水逆流清洗示意圖

由圖3可見，通過逆流清洗工藝，使清洗用水由直流排放改造為串聯(lián)利用，提高工藝水重復利用率，可有效減少清洗工序60%～70%的新水消耗，節(jié)水效益顯著。其次，一洗排放的廢水中有機物濃度較高，可通過精餾、萃取等方式回收廢水中的原料物質［8］，再經余熱回收后將廢水最終排放。

3.2蒸汽冷凝水回用

精細化工生產的多個工序需要高溫條件，因此蒸汽鍋爐是重要耗能及耗水點。傳統(tǒng)精細化工企業(yè)的蒸汽均為一次利用，蒸汽所含的余熱未能得到充分利用，降低了熱能的利用效率；通過蒸汽多級利用及冷凝水回用可在提高熱焓利用效率的同時實現(xiàn)節(jié)約用水。

由圖4可見，鍋爐產生的高品位蒸汽在分級利用過程中降溫降壓，使熱能得到充分利用，使用后的蒸汽轉化為冷凝水，可直接用于清洗用水的預熱，減少熱量浪費；或將冷凝水直接回用至蒸汽鍋爐循環(huán)利用，有效減少鍋爐系統(tǒng)70%的新水消耗，也降低了鍋爐能耗。

3.3廢水余熱回收

精細化工企業(yè)生產過程中，需要消耗大量能源的同時也造成了嚴重的熱污染，部分企業(yè)甚至將高溫生產廢水經冷卻設施降溫后排放至廢水處理站，以免影響廢水處理效果，造成熱量的浪費，可見合理利用余熱將有效降低企業(yè)能耗，降低生產成本。

由圖5可見，通過熱交換裝置，將高溫廢水中的余熱回收后作為生產及生活系統(tǒng)的熱源，可有效減少精細化工企業(yè)熱污染排放的同時節(jié)省一次能源消耗，實現(xiàn)清潔生產，該技術已在生產企業(yè)中得到實踐［9］。

圖4　蒸汽多級利用及冷凝水回用示意圖

圖5　精細化工企業(yè)余熱回收示意圖

3.4冷卻設施維護管理

冷卻塔是精細化工企業(yè)中最常見的換熱設備，用于反應釜及相應設備的冷卻降溫；由于受降雨及蒸發(fā)的影響，冷卻系統(tǒng)循環(huán)水中雜質不斷濃縮，電導率不斷升高，最終造成冷卻系統(tǒng)填料及管道結垢、阻塞等現(xiàn)象，影響冷卻效果的同時增加能耗及水耗。

目前，通過加強冷卻循環(huán)水水質管理，提高濃縮倍數(shù)、旁路軟化、風機變頻控制等技術手段能有效減少蒸發(fā)和排污，最終達到減少補水的目的，甚至可通過尋找替代補水水源的方式實現(xiàn)冷卻塔系統(tǒng)的“零”排放［10］。

3.5建立計量管理體系

計量管理是企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水管理的基礎，通過建立健全企業(yè)內部計量表具，實現(xiàn)三級計量管理；由于精細化工企業(yè)使用酸堿類腐蝕性物質較多，且通常采用大型卡車進行運輸，容易造成地下管道腐蝕、破裂及漏損現(xiàn)象，定期抄表分析及水平衡測試有利于及時找出給水管網和用水設施的損漏點，并及時修復；同時通過計量管理可加強企業(yè)節(jié)水計劃管理，把用水定額指標分配下達到各生產部門，并將計劃用水納入各部門責任范圍內，定期考核，調動節(jié)水積極性。

4 結束語

隨著我國化工行業(yè)節(jié)能減排工作的不斷深入，精細化工企業(yè)也將由粗放型的生產模式逐步向集約型及循環(huán)經濟模式轉變。通過水平衡測試及研究發(fā)現(xiàn)，采用工藝水重復利用、蒸汽冷凝水回收、廢水余熱回收等途徑可有效實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能節(jié)水，減少對環(huán)境的影響；此外，通過建立計量管理體系、落實節(jié)水設施三同時建設可有效提高企業(yè)節(jié)水管理，對精細化工企業(yè)加強節(jié)水減排、實現(xiàn)清潔生產具有重要意義。

參考文獻

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節(jié)能信息與動態(tài)

上海市節(jié)能協(xié)會舉辦大功率熒光燈技術研討

4月28日，上海市節(jié)能協(xié)會在上海海龍光電科技有限公司召開“大功率熒光燈技術近年來的重大創(chuàng)新突破和應用前景”專家研討會，復旦大學電光源、上海太平洋能源中心電源和照明技術、上海社會科學院合同能源管理等方面專家，及中國稀土行業(yè)協(xié)會、中國海誠工程科技有限公司、上海躍龍化工廠、上海海龍光電科技有限公司有關專家參加了研討會，協(xié)會副秘書長胡建一主持會議。

會上，上海海龍光電科技有限公司葛葆珪教授介紹他和他的團隊堅持10余年在熒光燈照明方面所做的創(chuàng)新工作和目前熒光燈照明技術達到的水平，以及大功率高透光球形熒光燈的應用情況。與會專家對大功率熒光燈技術近年來重大創(chuàng)新突破和應用前景進行了認真討論，并作出了科學、客觀的評價。

（徐莉莉）

陳斐：（1982～），女，工程碩士，工程師，主要從事企業(yè)節(jié)能環(huán)保工作。

Water Balance Testing and Water Saving Analysis at Fine Chemical Enterprises

Chen Fei Shanghai Textile Energy Saving Environment Protection Center

Abstract：Fine chemical industry is an important part of chemical industry in China. But high energy consumption， high water pollution and high contamination have stunted fine chemical industry development. The article takes an example of some fine chemical enterprise to further figure out water saving potential and realize water resource optimization configure through water balance testing to know enterprise water using structure and characteristics. This research could improve fine chemical enterprise resource usage efficiency and give references to realizing clean producing.

Key words：Fine Chemical， Energy Saving and Emission Reducing， Water Balance Testing， Water Saving

DOI：10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.05.012

［作者簡介］