降低化工產品循環水消耗措施研究

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津300402）

以循環水為冷卻介質進行換熱，不僅可以使熱介質溫度降至較低，而且工況穩定，操作簡便，故循環水作為冷卻介質，廣泛應用于化工領域，且在產品物料消耗中占有較大比例。當今，水資源匱乏問題日益突出，也使得循環水系統的維護和運行成本不斷上升，降低化工產品循環水消耗受到廣泛而深入的研究，并取得顯著成效，本文簡要介紹相關措施及其應用現狀。

1 采用替代冷卻介質

空氣廣泛存在于自然環境之中，對于濕度低、常年氣溫偏低、水資源缺乏、水電費較高的地區，以空氣代替水對熱介質進行降溫是較理想的選擇，但受空氣溫度及設備換熱面積影響，空氣冷卻器降溫能力有限，不適合與溫度較低的熱介質進行換熱。此外，盡管近年來空氣冷卻器不斷改進，但其一次性投入費用高，現場噪音大，調節頻繁，對電機要求高等劣勢仍在一定程度上限制其應用。王斌[1]通過核算在原有焦爐煤氣制甲醇系統新增循環水設備和空冷設施兩種方案的總運行費用，得出新增空冷設施方案運行費用較低的結論。由此可知，對于水費、排污費較高的地區，以空冷代替水冷能夠顯著降低循環水用量，增加經濟運行效益。研究也表明，隨著空冷技術日趨成熟，空冷及空冷串聯水冷的冷卻方式或可得到更廣泛的應用。除空氣外，采用其它介質亦可實現循環水的替代，如熱泵精餾技術即是通過工質氣液相轉化吸放熱來實現傳熱，該技術已成功實現工業化，節能效益可觀，但一次性投資較大，且由于系統內部耦合加重，操作難度增大，大范圍推廣需進一步優化改進。但綜合考慮設備投資及操作成本等，熱泵精餾可實現較大節約，工業應用前景廣闊[2]。

2 優化能量網絡

循環水換熱既涉及到循環水消耗問題，同時也包含能量交換問題。因此，能量網絡優化對降低循環水消耗同樣具有重要意義，且以能量夾點技術最具代表性。能量夾點技術最早由Linhoff教授于1978年提出，經過數年的發展與完善，已經與ASPENPLUS等計算機軟件充分結合，并成熟的應用于化工設計和改造之中，節能效果受到廣泛認可。該技術從系統用能角度出發，在合理分析冷熱工藝物流性質的基礎之上，通過繪制冷熱物流組合溫焓曲線確定出夾點位置，將夾點之上定義為熱阱部分，且僅向該部分物流輸入熱能，將夾點之下定義為熱源，僅對熱源部分采用公用工程進行降溫，不允許發生跨越夾點的傳熱。該技術已在石化領域獲得廣泛應用，且節約投資和操作費用效益顯著[3]。

3 加強控制管理

化工生產過程中，裝置負荷波動、室溫變化、循環水系統溫度及壓力波動都將對換熱設備的循環水用量產生較大影響，盡管部分工藝對熱介質溫度要求嚴格，循環水量基本可實現自動調控，但多數工藝對熱介質溫度無嚴格要求，甚至溫度越低越好，極易發生循環水過量消耗問題，以我公司某次循環水調控為例，由于部分裝置停車后關閉循環水閥門，導致循環水管網壓力升高，運行裝置的循環水量較此前上漲近4%，系統進出口循環水溫差顯著降低，此種情況若不及時監測調控，極易導致循環水消耗上漲。因此，生產管理精細化水平提高對降低循環水消耗至關重要。近年來，電氣和儀表專業通過不斷完善控制系統，從泵站、閥門與管網、終端冷卻設備和冷卻塔四部分出發，不斷優化循環水系統，減少了管網較大的阻尼工作點，實現了實時調控供水量、水泵運行臺數和效率以及冷卻塔投用數量等參數，大大降低了循環水用量及能耗。當前應用較廣泛的WECS技術，通過對各單元進行優化控制，采用智慧閥門，對循環水換熱系統運行參數進行精確采集，并對主要耗能設備效率及能耗分析進行診斷優化，綜合節能率可達到30%～60%。此外，水輪機改造、循環水泵葉輪切削優化、變頻技術、閉路循環水系統應用、亞音頻波處理工業冷卻水技術、冷卻塔水蒸氣回收技術等循環水系統節能優化技術均得到較大發展，極大的加強了循環水控制管理的操作空間，對降低產品循環水消耗具有重要意義[4～6]。

4 維護換熱設備

換熱器的傳熱效率是決定循環水消耗的主要因素，化工生產中的循環水換熱器以間壁式換熱器為主，換熱量與換熱面積和傳熱系數成正比。經過數年的優化改進，換熱器通常都具有較大的傳熱面積，且傳熱過程也得到有效強化，但由于循環水系統存在較普遍的結垢問題，加之生產過程中熱介質側也可能存在代入粉塵、生成蠟等增加換熱器熱阻的情況，必將大大增加循環水的消耗。如我廠甲醇合成催化劑處于末期時，為保證生產條件，進入高壓分離器前的水冷器循環水量較前期用量上升超過1000t/h，使得甲醇產品循環水消耗顯著上升。因此，各單位在做好換熱設備循環水溫差監測的同時，一方面，可選用涂料及涂裝工藝較先進的耐腐蝕結垢換熱器；另一方面，需定期清洗換熱器，必要時可根據生產情況采取在線煮蠟等措施清洗換熱器。此外，由于多數換熱器易發生腐蝕問題，不僅影響水質，甚至還會出現泄漏，嚴重影響生產，因此，在生產管理中要及時檢修甚至淘汰故障換熱設備，檢修時采用先進科學的焊接工藝，最大程度減輕設備結垢及腐蝕泄漏問題，延長換熱器使用壽命[7,8]。

5 嚴控水質指標

隨著節水意識的增強，各單位著力降低污水排放，不斷刷新循環水的濃縮倍數記錄，資料顯示，有單位循環水近零排放后循環水的濃縮倍數可提高至8[9]。盡管較高的濃縮倍數能減少用水量，但循環水中的固體微粒、生物污垢、無機鹽等組分也將增加，易粘附在換熱器或冷卻水管線表面形成水垢，甚至形成腐蝕電池或生物腐蝕，引起嚴重的垢下腐蝕，直接影響換熱效果。這就要求技術人員通過科學控制補水和加藥來維持適宜的循環水水質。一方面要加強補充水水質、水溫、流速等參數的控制，另一方面需除去水中的溶解氧并降低氯離子，使用合適的緩蝕阻垢劑與殺菌劑來控制循環水的硬度、總堿度、pH值、總磷等運行指標，及時通過殺菌清洗剝離粘泥，確保循環水水質合格，最大程度降低換熱器或冷卻水管線結垢，確保換熱效果，進而節約循環水用量[10]。

6 結論

節約循環水對減輕能源危機和降低產品生產成本有重大意義，采用替代冷卻介質、優化能量網絡、加強控制管理、維護換熱設備和嚴控水質指標等方式能夠實現降低循環水消耗的目標，各單位應根據生產情況，綜合利用上述技術來實現循環水消耗精細管理，進一步降低循環水消耗。