石化企業(yè)節(jié)水減排技術(shù)探討
摘要：本文綜述了石化企業(yè)節(jié)水減排的理論、技術(shù)以及常用的措施。
關(guān)鍵詞：石化企業(yè)；節(jié)水；減排
1我國水資源狀況
目前世界面臨著嚴重的水危機，我國的水資源短缺問題與世界相比更加突出。我國是一個干旱、缺水嚴重的國家，淡水資源總量為28000億m3，占全球水資源的6％，僅次于巴西、俄羅斯、加拿大，居世界第四位。但人均只有2200 m3，僅為世界平均水平的1/4，在世界上名列第121位，是世界上13個人均水資源最貧乏的國家之一。
水資源短缺與污染問題嚴重并存。工業(yè)迅速發(fā)展，導(dǎo)致水污染日趨嚴重。全世界每年排放工業(yè)廢水約4260×108m3，這使可供人類使用總量1/3的淡水資源受到污染，導(dǎo)致本來就很緊張的淡水資源雪上加霜[1]。作為用水大戶和排污大戶的石化企業(yè)，節(jié)水減排是石化企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展非解決不可的大事。
2我國石化企業(yè)用水狀況
國內(nèi)石油化工企業(yè)所在地區(qū)的水資源狀況差異很大，所處地區(qū)的人均水資源占有量為160470 t，且有60%以上的企業(yè)處在嚴重缺水地區(qū)。并且我國石油化工企業(yè)都是大型聯(lián)合企業(yè)，用水量大、污水排放多。據(jù)統(tǒng)計，1997年原石油化工系統(tǒng)加工原油消耗新鮮水13.5億t，約占全國工業(yè)用水總量的2.78%，廢水排放總量8.75億t，占全國工業(yè)廢水排放總量的3.85%，2002年全國石油化工廢水排放總量達33.7億t，占全國廢水排放總量的17.8% [2]。近年中國石化企業(yè)用水情況見表1。
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，企業(yè)規(guī)模不斷增加，搞好水資源的綜合利用對我國石油化工企業(yè)實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義，節(jié)水和減少排污問題顯得尤為重要。目前盡管節(jié)水減排工作取得了可喜的成效，但是我國石油化工行業(yè)每年污水排放量仍達8億t以上，而目前的污水回用率僅為30%，可見石油化工行業(yè)節(jié)水的潛力巨大，任務(wù)艱巨。
3石化企業(yè)節(jié)水減排理論與技術(shù)
石化企業(yè)是用水大戶，用水量中約80%以上是用作冷卻水，其余是作為其他工藝用水和生活用水等等。冷卻水如能盡量減少直流而進行高效率的循環(huán)使用，用水量就能大大減少，故石化企業(yè)節(jié)水的重點是冷卻水，循環(huán)冷卻水的使用水平是衡量企業(yè)用水合理性的重要指標。
目前國內(nèi)外對石油化工企業(yè)節(jié)水減排，提高水的綜合利用率越來越重視，這方面的研究也成為熱點，已經(jīng)形成多種相關(guān)的節(jié)水減排理論和技術(shù)，現(xiàn)就比較典型的幾種作一介紹：
3.1數(shù)學(xué)優(yōu)化理論
從20世紀 80年代起，水的優(yōu)化分配就已開始研究，且僅針對簡單的單雜質(zhì)系統(tǒng)。到目前數(shù)學(xué)優(yōu)化理論有了較大發(fā)展。該方法是在工程師定義的約束條件下，以產(chǎn)生新鮮水流量的最小值為目標函數(shù)的非線性規(guī)劃。其主要內(nèi)容是：建立結(jié)構(gòu)模型，找出約束條件，形成數(shù)學(xué)模型，即非線性方程組，最后通過數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件設(shè)計最優(yōu)用水系統(tǒng)。該方法是處理多雜質(zhì)和特殊模型的用水系統(tǒng)問題的有效工具，其中研究較多的有超結(jié)構(gòu)模型等，其缺陷在于結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。
3.2水量平衡測試理論
水量平衡測試技術(shù)是指導(dǎo)企業(yè)水系統(tǒng)中用水元節(jié)水的重要方法。該理論是通過企業(yè)用水現(xiàn)狀調(diào)查，對各用水單元進行水量平衡測試，找出取水量、補充水量、復(fù)用水量、排水量、耗水量及滲漏水量之間的關(guān)系，繪制水量平衡圖；開發(fā)查漏技術(shù)，建立快速有效的查漏方法，查找漏點并進行修復(fù)和改造；通過用水的合理化分析，制定有效的節(jié)水方案、措施及行業(yè)用水定額體系。但是，該理論僅限于單元節(jié)水研究，缺乏對系統(tǒng)的整體性優(yōu)化研究[3]。
3.3水夾點技術(shù)
水夾點技術(shù)[4]由英國曼徹斯特理工學(xué)院的YP Wang 和Robin Smith 于1994 年首次提出，將20世紀90年代得到極大發(fā)展的過程集成技術(shù)應(yīng)用于新鮮水用量最小化、廢水產(chǎn)生量最小化和廢水處理系統(tǒng)設(shè)計。也就是說，水夾點技術(shù)是通過構(gòu)造濃度組合曲線找出夾點，計算鮮水消耗的最小流量和廢水產(chǎn)生的最小流量。依據(jù)系統(tǒng)所需的工藝水質(zhì)和水量狀況，通過將部分過程用水進行一水多用、循環(huán)復(fù)用、串聯(lián)使用、或加水稀釋后再用等，重新對水的流向和流量進行合理規(guī)劃，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)新鮮水消耗的流量最小和廢水產(chǎn)生流量最小。
目前，水夾點技術(shù)在工程的應(yīng)用中都獲得了較好的節(jié)水減排成效，其推廣應(yīng)用的價值越來越被人們重視。梁偉等[5] 以水的循環(huán)利用率最大為目標，運用水夾點設(shè)計與優(yōu)化進行分析、綜合和改造用水操作，并把計算機技術(shù)與水夾點技術(shù)結(jié)合起來，能夠使水夾點技術(shù)更有效、更快捷、更準確地完成水系統(tǒng)優(yōu)化的改造。湯小玲等[6] 應(yīng)用水夾點技術(shù)對焦化用水操作進行了詳細分析，實際應(yīng)用得到了很好的效果？梢姂(yīng)用水夾點理論對企業(yè)用水系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，可以獲得很好的節(jié)水減排效果，有較大的推廣應(yīng)用價值。
4石化企業(yè)節(jié)水減排措施
目前對石化企業(yè)實施節(jié)水減排的措施除了企業(yè)對用水系統(tǒng)進行整體規(guī)劃、 改變廢水回用觀念外，還應(yīng)完善用水工藝、開發(fā)廢水回用技術(shù)，完善并推廣節(jié)水減排理論的工程應(yīng)用。
在完善用水工藝方面，主要為循環(huán)冷卻水的使用水平。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是石化企業(yè)重要的公用工程系統(tǒng)，也是石化企業(yè)最大的用水單元，一般循環(huán)水系統(tǒng)消耗的水量占工業(yè)用水量的2/3，甚至更多。實現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)水運行與管理，需要在保證生產(chǎn)裝置對循環(huán)水科學(xué)合理的需求基礎(chǔ)上，通過采取有效的工藝和措施，降低蒸發(fā)損失量、減少排污量、控制風(fēng)吹損失、杜絕滲漏損失，或者通過替代水源減少總補水中的新鮮水耗量，以取得節(jié)水的效果。
4.1提高系統(tǒng)運行的濃縮倍數(shù)，實現(xiàn)節(jié)水運行
在敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，濃縮倍數(shù)是一項主要指標。濃縮倍數(shù)越大，說明水重復(fù)利用率越高，排污越少，當(dāng)然補水也會越少。所以說，提高濃縮倍數(shù)是節(jié)水之關(guān)鍵。濃縮倍數(shù)與排污量的關(guān)系見圖 1。
一般來說，實現(xiàn)系統(tǒng)的高濃縮倍數(shù)運行，在系統(tǒng)工藝能夠保證的基礎(chǔ)上，主要從2個方面開展工作：（1）在不對補水進行預(yù)處理的前提下，完全通過高效水處理藥劑的開發(fā)，提高循環(huán)水系統(tǒng)的絕對運行控制水平，實現(xiàn)系統(tǒng)的高濃縮倍數(shù)運行；（2）對于補水水質(zhì)較差，或受客觀條件限制，無法大幅提高水處理劑的性能時，也可以采取對補充水進行預(yù)處理的辦法，改善補水水質(zhì)，以利于循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數(shù)的提高。這種措施在北方高堿高硬水系尤其適用，而且綜合效益明顯，在一些公司已得到了成功應(yīng)用。
張國鋒等[7]指出，通過改善補充水水質(zhì)、減少非蒸發(fā)損失水量、高堿高硬補充水加酸運行等措施，可以提高濃縮倍數(shù)。歐陽志等[8]認為系統(tǒng)設(shè)計不合理是制約濃縮倍數(shù)提高的關(guān)鍵；加強現(xiàn)場管理是提高濃縮倍數(shù)的有效手段；水質(zhì)穩(wěn)定處理技術(shù)的進步是提高濃縮倍數(shù)的有力保障；并提出了在高濃縮倍數(shù)條件下運行的幾點建議。郭亞麗等[9]分析了烏石化公司幾套循環(huán)水系統(tǒng)及補水現(xiàn)狀，提出加酸運行能有效提高循環(huán)水濃縮倍數(shù)并簡述加酸運行的必備條件。另外，陳文召等[10]的研究表明，敞開式凈循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)濃縮倍數(shù)的提高，系統(tǒng)的補充水量與排污水量將迅速降低。在系統(tǒng)的濃縮倍數(shù)在N=4左右時，補充水量、排污量和循環(huán)利用率都比較經(jīng)濟合理。
中國石油天然氣股份有限公司遼陽分公司采用了高濃縮倍數(shù)循環(huán)水處理技術(shù)，使兩個循環(huán)水系統(tǒng)的腐蝕、結(jié)垢及微生物都得到了很好的控制，濃縮倍數(shù)由原來的2.5～3.5提高到6.0以上，補充的新鮮水量明顯下降，系統(tǒng)運行費用趨于合理[11]。以上的研究表明，提高濃縮倍數(shù)的水處理技術(shù)，可大大提高節(jié)水效果，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益。
4.2開發(fā)利用替代水源，減少新鮮水用量
4.2.1污水回用
優(yōu)化工藝只是節(jié)水工作的第一步。要使企業(yè)的取(新鮮)水量進一步降低，污水回用是必經(jīng)之路。中國石化每年污水排放量達800Mt以上，其中煉化企業(yè)排放量為297Mt，而目前的污水回用率僅為30%，回用的潛力巨大。
污水回用是利用企業(yè)二級達標排放的污水，經(jīng)過深度處理后，回用于循環(huán)水系統(tǒng)。除回用二級達標排放的污水外，石化企業(yè)還有一些廢水水源可以考慮應(yīng)用，如自建水廠的排放水。另外，循環(huán)水系統(tǒng)自身的排污水也是可以考慮再利用的一個水源[12]。目前，國外的污水回用觀念已經(jīng)由“深度處理后回用”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;去除某些影響因素后回用到特定對象”，而國內(nèi)的污水回用大多數(shù)采用深度處理工藝，由于技術(shù)、設(shè)備等方面的原因，回用效果不理想，企業(yè)回用污水的積極性受到很大的影響。
目前將污水回用到循環(huán)水系統(tǒng)的方法大體有兩種：深度處理后回用和達標污水簡單預(yù)處理后回用。前者存在著污染物去除不徹底，污水回用后水質(zhì)控制困難，尤其是細菌孳生引起的微生物粘泥、腐蝕以及結(jié)垢問題難于解決。而且深度處理的初期設(shè)備投入巨大[13]。
4.2.2冷凝液回收
各石化企業(yè)生產(chǎn)裝置規(guī)模不同，每小時所產(chǎn)生的冷凝液在幾十噸或幾百噸不等。除了在裝置內(nèi)直接利用的部分冷凝液外，仍有大量高溫冷凝液無法直接利用，如果簡單地排放，不僅會造成熱污染，而且也浪費了寶貴的水資源。一般冷凝液的水質(zhì)都較好，因此，應(yīng)加強該部分水資源的利用。
現(xiàn)有冷凝液回用的企業(yè)，多將其回用于脫鹽水系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；赜美淠海仨毘浞挚紤]到其高溫、低鹽的水質(zhì)特性及非正常狀態(tài)下可能存在的物料泄漏問題，做好相應(yīng)的水質(zhì)監(jiān)測和回用預(yù)處理。高溫冷凝液回用于離子交換脫鹽水工藝時，需配套建有活性炭吸附和高溫冷凝液降溫設(shè)施，并要注意冷凝液的使用對脫鹽水進水水質(zhì)的影響[14]。
5結(jié)束語
水是寶貴的自然資源，世界面臨的水資源短缺問題日益嚴重，我國更是面臨嚴峻的水資源短缺問題。作為用水和排污大戶的石化企業(yè)，節(jié)水減排的工作任重而道遠。必須做到開源、節(jié)流與治污并舉，改變用水觀念，不斷開發(fā)新的技術(shù)和措施，有計劃有步驟地開展節(jié)水減排工作，實現(xiàn)企業(yè)增效節(jié)水。
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