煤化工項目全廠水系統一體化統籌探討

摘要：全廠水系統是煤化工項目的重要組成部分。由于組成全廠水系統的場站較多，且相互關聯性強，因而系統較復雜。可以“水平衡”和“鹽平衡”2個物料平衡為基礎，進行全廠水系統一體化統籌設計，得到最優的全廠水系統工程技術方案，同時提升水系統各場站間的匹配性和整體效能，減少冗余配置，降能降耗，提高項目建設和運行維護水平。

關鍵詞：煤化工；全廠水系統；水平衡；鹽平衡

引言

隨著《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《中共中央國務院關于深入打好污染防治攻堅戰的意見》等一系列國家環保新政及工作導向文件的出臺，節能減排、節水降耗、碳達峰碳中和成為項目工程建設和企業運行的重中之重。目前，大部分煤化工項目建設在煤炭資源富集而水資源相對缺乏的北方地區，“水”已成為制約煤化工發展的關鍵性因素。為此，最大限度地提高水資源利用率和減少污染物排放已成為煤化工項目建設的首要任務[1]。針對煤化工項目，本文從節水、減排和控鹽角度出發，探討全廠水系統一體化統籌，對全水系統各場站的主體技術方案進行探討，提出了較為合理的方案建議，并分析了全廠水系統一體化統籌的現實意義。

1水系統的構成與平衡

以某煤制甲醇、甲醇制烯烴的煤化工項目為例，全廠水系統由生產-消防水泵站、循環水站、脫鹽水站、清凈廢水回用站、污水回用站、甲醇污水處理站、烯烴污水處理站、濃鹽水零排放裝置和污水預處理裝置等構成，詳見圖1。

煤化工項目全廠水系統構成較為復雜，相互關聯性強，水系統的平衡涉及到“水平衡”和“鹽平衡”2個平衡。對于水的平衡，除了要考慮整個廠區裝置的給水和排水外，應統籌考慮對源水、循環冷卻水、脫鹽水和污水處理等在源頭上的有效控制[2]，以達到全廠和裝置內的雙平衡。對于鹽的平衡，也要從源頭有效控制，選擇合理的處理節點和工藝組合，減少酸、堿和其它化學藥劑的投加量，減少外部鹽類的加入。水和鹽的平衡相輔相成，全廠水系統需進行“水”和“鹽”的平衡計算，以此來統籌確定各場站的處理目標，確定各場站的規模和核心技術要求。

2全廠水系統一體化方案探討

全廠水系統的一體化方案應從“水平衡”和“鹽平衡”出發，并結合各場站自身的功能，進行具體設計。

2.1 循環水站

在煤化工項目中，循環水站是耗水第一大戶，且夏季和冬季的補水量相差大，是節水的重點和水平衡的難點。由于提高濃縮倍數和降低蒸發損失是節水的著力點，因而需水系統一體化統籌解決夏冬季水平衡的難點。

根據《工業循環冷卻水處理設計規范》，開式間冷系統濃縮倍數不宜小于5。對于多數地處北方取用黃河水作為生產水源的煤化工企業而言，受黃河水含鹽量和電導率較高影響，為達到濃縮倍數和控制補水量，循環水系統只能添加大量緩蝕劑、阻垢劑和殺菌劑，同時由于加藥帶進循環水系統的鹽量較大，導致循環水系統內部粘泥和污堵嚴重。而過量的阻垢劑和分散劑也使得循環水排污水的混凝沉降受到影響，導致部分清凈廢水回用站藥耗成倍增加，甚至無法正常運行。因此，投加化學藥劑帶進循環水系統的鹽量很大，不利于節水和控鹽目標的實現。

為實現節水和控鹽，可將循環水站的補水水源改由回用水站反滲透產水來補給。回用水站反滲透產水TDS一般在150mg/L以內，遠小于黃河水的TDS（800～1000mg/L），一方面可提高循環水站濃縮倍數，優化“水平衡”，降低系統的水耗；另一方面可減少分散阻垢劑的投加量，優化“鹽平衡”，降低加藥帶進水系統的鹽量。

循環水站的主要構筑物為循環冷卻塔。而常用的循環冷卻塔型式主要有開式系統-常規濕式冷卻塔、開式系統-節水型濕式冷卻塔、閉式系統-干濕二用閉式冷卻塔3種。其中，開式系統-常規濕式冷卻塔具有投資省、技術成熟可靠的優點，水資源配套條件好的煤化工項目，可選用這種類型冷卻塔；開式系統-節水型濕式冷卻塔具有運行費用低、節水消霧等優點，技術相對成熟，適用于水資源相對緊缺的煤化工項目，可節水18%～19%；閉式系統-干濕兩用型系統，節水是其首要優點，當水資源成為項目的首要限制性因素時，在充分考慮周圍環境熱空氣影響和進行 CFD 模擬研究后，在冷卻后的循環給水溫度滿足相關工藝要求以及冷卻效果保證率滿足要求的前提下，可考慮選用該系統。

2.2 脫鹽水站

在煤化工項目中，脫鹽水站雖是耗水第二大戶，但在冬季卻是耗水第一大戶。脫鹽水站對原水來源具有一定選擇性，因而當采用污水回用站產水作為來水水源時，產水供給動力鍋爐產蒸汽氫電導易超標。同時，由于冬季循環水站補水需求量低，無法完全消化污水回用站產水，造成高成本產水無處使用的囧境，因而為消除污水回用水站產水微量有機污染物對蒸汽氫電導的影響，解決冬季水平衡問題，需采用高級氧化法對回用水站產水進行必要的深度處理。

脫鹽水站內排水包括多介質過濾器反洗水、超濾裝置沖洗水、反滲透（EDI）濃水、化學清洗排水、離子交換樹脂酸堿再生排水等，因此需分類收集和再處理[3]。其中，多介質過濾器反洗水和超濾裝置沖洗水等清凈排水，可排至清凈廢水回用站高密澄清池回收利用；反滲透（EDI）濃水、化學清洗排水、離子交換樹脂酸堿再生排水等高含鹽的排水，可進入濃水深度處理單元處理后，再進入濃水反滲透單元回收和濃縮處理，實現清污分流，降低一級反滲透單元規模，并提高其運行穩定性。

此外，為降低脫鹽水站在生產環節因酸堿中和產生的鹽量，降低脫鹽水站在生產環節外加鹽量，降低后續濃鹽水蒸發結晶裝置的投資和運行成本，脫鹽水站不應采用全離子交換樹脂工藝，而應采用“雙膜法+混床”或“雙膜法+EDI”工藝。由于EDI工藝不需要酸堿再生，“雙膜法+EDI”工藝相比“雙膜法+混床”工藝不僅可減少95%以上的酸堿藥劑和廢水排放量，還可最大程度的減少后續濃鹽水蒸發結晶的總鹽量，因此建議使用“雙膜法+EDI”工藝。

2.3 回用水站

回用水站作為水回收的重要環節，通常根據回收來水的種類進行“清污分流、分質處理”，可分為以循環水站排污水和脫鹽水站排污水作為水源的清凈廢水回用系列，以污水處理站處理出水作為水源的污水回用系列。2個系列制產水不連通和摻混，有利于根據來水水質對膜的污染程度的差別選取對應的設計參數和運行管理措施。

為降低濃鹽水的產量，回用水站應盡量將水的回收率提高到85%～90%，這就需設置濃水反滲透。而為保障濃水反滲透膜的正常運行，一級反滲透濃水的深度處理尤為重要。經一級反滲透濃縮，濃水TDS約10000mg/L，COD約200mg/L，總氮約100mg/L，使得硬度和二氧化硅都得到了4倍左右的濃縮。因此，建議一級反滲透濃水再處理工藝采用“臭氧催化氧化+改良多級曝氣生物濾池（DN+CN）+高密度沉淀池+V型濾池”工藝進行深度處理[4]，降低COD濃度、總氮和二氧化硅等的濃度，使一級反滲透濃水滿足濃水反滲透膜的進水要求，以及穩定運行和水回收率總的要求。另外，在微生物可承受的TDS范圍內，也可采用經濟高效的生化法降低濃水中有機污染物濃度和脫除總氮，提高濃鹽水處理及零排放裝置的運行穩定性和產品鹽的品質，并降低雜鹽率。

2.4 污水處理站

污水處理站根據各生產裝置所排污水特征，以及污染物的不同和處理難度的不同，將污水系統劃分為甲醇污水處理站和烯烴污水處理站。其中，甲醇污水處理站主要處理煤氣化灰水、氣體凈化和低溫甲醇洗污水等；烯烴污水處理站主要處理MTO工藝急冷水和工藝水洗水等。因此，污水處理站主要分為預處理、生化處理和深度處理3段。

2.4.1 預處理

甲醇污水處理站預處理重點是煤氣化灰水的處理。由于煤氣化灰水具有溫度高、硬度高、氨氮濃度高等特點，因此其預處理重點是除硬，目的是為了避免大量鈣離子進入后續生化系統，造成結垢污堵和生化系統活性污泥的無機化，以及設備和管道的結垢污堵，降低生化單元的處理能力和處理效率[5]。煤氣化灰水預處理有2種模式，即“先降溫+后除硬”和“先除硬+后降溫”。結合煤氣化灰水降溫過程伴隨嚴重結垢趨向考慮，“先除硬+后降溫”將是預處理的發展方向。此外，煤氣化裝置產生大量CO2，因而可將其引入預處理單元用于pH值回調，實現減排降耗、降低系統鹽耗的目的。

烯烴污水處理站預處理重點是MTO工藝急冷水和水洗水，其排水污染成份較為復雜，含有油脂類和催化劑粉未等，且濃度和成份變化都較大，一方面影響急冷塔和水洗塔的運行穩定性、增加水耗，另一方面排入污水生化處理單元影響其穩定運行。結合相關工程經驗，建議采用側流除油脫固技術對急冷塔和水洗塔液進行處理，除油脫固后回到急冷和水洗系統，降低水耗并提高塔的運行穩定性。

2.4.2 生化處理

生化處理單元是污水處理站的核心和重點。生化單元處理工藝的選擇直接涉及到投資、成本、穩定性和占地面積。甲醇污水生化處理主要目標是氨氮和COD，烯烴污水生化處理主要目標是COD，為達到處理目的，生化處理工藝應采用低氧生化工藝。低氧生化工藝在低溶氧（Do 0.5mg/L）的情況下兼具好氧和缺氧運行環境，可實現同步硝化和反硝化，活性污泥濃度高，同時具有水解酸化作用，較常規A/O工藝，運行更穩定、更節能、更節地。

生化池受煤氣化灰水帶入的鈣離子富集影響，池內活性污泥無機化嚴重，在MLSS濃度10000mg/L的情況下，MLVSS/MLSS約為0.1，即有效活性污泥濃度約為1000mg/L，微生物量不足，造成生化池處理效率和處理能力低下，抗沖擊負荷能力弱。因此，分離并排出生化池內無機重質污泥，保持活性污泥MLVSS/MLSS大于0.4，提高生化處理效率，是生化池設計的重點。

煤化工污水氨氮濃度很高，因而對氨氮的硝化及反硝化需向生化池投加大量的堿和碳源，導致藥劑費用高昂。由于“以廢治廢”是污水生化處理實現減排降耗的重要著力點，因此可將乙烯廢堿液作為堿源，投加至生化池好氧段補充氨氮硝化所需的堿度；可將含有大量甲醇的汽提塔水洗水和副產工業雜醇，投加至生池池缺氧段作為反硝化脫氮的優質碳源。通過以上措施，生化段可實現低碳運行。

2.4.3 深度處理

設置污水深度處理段的目的，一方面是進一步去除低污水中COD、氨氮和總氮等污染物，減輕后續回用水站膜的污堵，減少藥劑投加量，脫除總氮減少零排裝置的雜鹽率；另一方面是設置污水處理防火墻，在生化處理單元受沖擊的情況下，保障污水處理裝置出水水質依然保持穩定，避免全廠水系統受到波及。結合相關工程經驗，建議采用聚氨酯多孔填料的改良多級曝氣生物濾池，不僅能實現降碳和脫氮的目的，而且運行穩定可靠。

2.5 零排放

零排放裝置主要由濃鹽水預處理、濃縮和蒸發結晶系統等組成。根據煤質不同，預處理段的主要目標也不盡相同，包括除硬、除COD、除硅[6]、除氟和脫碳等。因而，為提高蒸發結晶單元的產品鹽品質，降低雜鹽率，按污染物在最佳處理工段進行處理的原則，可統籌安排全廠水系統各場站最佳處理工段去除廢水中氯化鈉、硫酸鈉以外的物質。如，在污水場生化系統硝化反硝化去除氨氮和總氮，利用高密澄清和離子交換去除二氧化硅、鈣、鎂、氟離子等，“以廢治廢”減少因化學藥劑投加帶進水系統的鹽量，避免重復加藥。

濃縮段兼具分鹽作用，采用納濾膜將經預處理后的鹽水中的氯離子和硫酸根離子分開。如，納濾膜產水側主要含有氯化鈉，可通過高壓反滲透進一步濃縮；納濾濃水側主要含有硫酸鈉，可通過冷凍結晶將芒硝結晶分離后，再回溶蒸發，產出滿足煤化工副產工業鹽標準的高品質硫酸鈉，冷凍母液進入混鹽蒸發結晶器。因此，納濾產水側經高壓反滲透濃縮后進蒸發系統，產出滿足煤化工副產工業鹽標準的高品質氯化鈉；混鹽蒸發母液通過高效干燥工藝處理，實現液體零排放，固體結晶鹽資源化；零排放單元濃縮產水和蒸發凝液回用于循環水站補水。

3全廠水系統一體化統籌的現實意義

全水系統是煤化工項目的重要組成部分，因而組成全廠水系統的場站較多，且各場站工藝和配置的選擇也較多。如果在建設過程中僅追求本場站的目標最優，而忽略全廠水系統目標最優的匹配性和兼容性，易造成局部配置冗余、系統性匹配不足的情況。再加上水系統一體化統籌管理協調的機制弱，全生命周期、節能減排、節水降碳的全廠水系統建設方案難以形成。因此，需系統性地推動全廠水系統一體化的統籌，全面提升水系統整體效能，減少冗余性投資，系統性降低水耗、能耗與藥耗，提高建設和運行維護水平。

煤化工項目全廠水系統作為一個各場站相互緊密聯系和影響的有機整體，全廠水系統一體化統籌建設具有很強的現實意義。有利于找到最優化的工程解決方案，通過統籌“水平衡”和“鹽平衡”，合理設置各場站處理功能和目標，可實現全廠水系統最優化的設計，得到最優化的工程解決方案。有利于推動全廠水系統的集約型建設及運營，通過對各場站的合理布置，可對加藥、鼓風、臭氧發生器、污泥處理和供配電系統等共用合建，提高項目集約型建設和運營管理水平。有利于減少工程界面管理、節省項目投資，以及減少各場站不同實施主體立足本位的設計，可結合各場站處理功能和目標的統籌設置，做好各場站的匹配性復核，既能避免各場站的工程冗余投資或漏項，同時也能提高全廠水系統一體化方案的保障冗余。

結語

煤化工項目全廠水系統以“水平衡”和“鹽平衡”為核心，通過一體化統籌合理設置水系統各場站的處理功能和目標，提高全廠水系統各場站的相互匹配性，提升全廠水系統整體效能，推動水系統的集約型建設和運營管理。

參考文獻

[1]羅方濤.新型煤化工項目全廠水系統整體解決方案研究[J].化工設計通訊，2019，45（09）：17-18.

[2]汪壽建.煤化工全廠水平衡系統解決路徑及應對措施[J].化肥設計，2018，56（02）：9-14.

[3]崔虎鋒.煤化工水處理系統節水技術的研究與應用[J].化工管理，2020（09）：39-40.

[4]宋斌，王惠.煤化工項目廢水零排放及含鹽廢水處理技術[J].化工設計通訊，2021，47（07）：9-10.

[5]趙壽強.煤制烯烴工藝污水生化處理系統常見問題及應對措施[J].治金與材料，2021，41（02）：31-32.

[6]李玉林.煤化工廢水零排放系統反滲透問題分析與優化[J].膜科學與技術，2021，41（02）：104-109.

作者簡介

王日彩（1973—），男，漢族，江西樂平人，碩士研究生，工程師，主要從事能源與化工水治理技術開發和工程設計工作。