節(jié)水型焦化企業(yè)用水與節(jié)水分析

門 樞 王 師 高 超

（中冶焦耐工程技術(shù)有限公司 遼寧大連 116085）

引言

焦化產(chǎn)業(yè)依托煤炭工業(yè)、依存鋼鐵工業(yè)并支撐鋼鐵業(yè)持續(xù)高增長(zhǎng)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)焦化產(chǎn)業(yè)又是一個(gè)高能耗的產(chǎn)業(yè)。而降低水的消耗，有助于整個(gè)煉焦產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，經(jīng)過“十三五”期間的持續(xù)努力，焦化企業(yè)節(jié)水觀念已深入人心，基本改變了以往粗放式發(fā)展模式。2022 年焦化行業(yè)全年都處于低利潤(rùn)，甚至部分企業(yè)處于虧損狀態(tài)。因此，“向成本要效益”成為焦化企業(yè)管理者普遍認(rèn)可的觀點(diǎn)，尋求節(jié)水工藝成為降低企業(yè)生產(chǎn)成本的重要途徑[1～3]。

1 分析條件及依據(jù)

某鋼鐵聯(lián)合企業(yè)焦化廠，年產(chǎn)焦炭200 萬t，配套備煤、煉焦、干熄焦、焦處理、煤氣凈化及公輔設(shè)施。該企業(yè)給水系統(tǒng)包括生產(chǎn)給水系統(tǒng)、生活給水系統(tǒng)、消防給水系統(tǒng)、煤氣凈化循環(huán)水系統(tǒng)、制冷循環(huán)水系統(tǒng)、低溫水系統(tǒng)，配套建設(shè)生產(chǎn)、消防水泵站、循環(huán)水水泵站，循環(huán)水系統(tǒng)均為開式系統(tǒng)，濃縮倍數(shù)為5；排水系統(tǒng)包括生產(chǎn)生活排水系統(tǒng)、焦化廢水排水系統(tǒng)、初期雨水及事故水系統(tǒng)、雨水排水系統(tǒng)，配套建設(shè)初期雨水及事故水收集池、焦化廢水處理站，所有污水收集后均送焦化廢水處理站處理不外排，采用“雙膜法”處理后水回用至循環(huán)水系統(tǒng)作為補(bǔ)充水，膜濃液送鋼廠沖渣。相關(guān)參數(shù)計(jì)算見式（1）、式（2）、式（3）、式（4）、式（5）。

式中Vui—噸焦取水量，m3/t；Vi1—自取水量（從自建或合建取水設(shè)施、市政供水工程等取水量總和），m3；Vi2—外購(gòu)水量（外購(gòu)水或水的產(chǎn)品量總和），m3；Vi3—外供水量（外供水或水的產(chǎn)品量總和），m3；Q—企業(yè)焦炭（產(chǎn)品）產(chǎn)量，t。

式中Kw—廢水回用率，%；Vw—企業(yè)對(duì)外排放廢水處理后的回用水量，m3；Vd—企業(yè)向外排放的廢水量，m3。

式中K1—用水綜合漏失率，%；V1—企業(yè)的漏失水量，m3；Vi1—從自建或合建取水設(shè)施、市政供水工程等取水量總和，m3；Vi2—外購(gòu)水（或水的產(chǎn)品）量總和，m3。

式中Rc—間接冷卻水循環(huán)率，%；Vcr—間接冷卻水循環(huán)量，m3/h；Vcf—間接冷卻水循環(huán)系統(tǒng)補(bǔ)充水量，m3/h。

式中R—重復(fù)利用率，%；Vr—企業(yè)的重復(fù)利用水量，m3；Vi—企業(yè)的取水量，m3。

注：式1～5 中，Vi1、Vi2、Vi3、Q、Vw、Vd、V1、Vr、Vi均指在一定計(jì)量時(shí)間內(nèi)的水量。

2 用水情況分析

2.1 水量平衡

通過對(duì)水量平衡的分析，可明確焦化廠用水組成，發(fā)現(xiàn)影響取水量的關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)而有針對(duì)性地采取措施，有效節(jié)水。本工程水量平衡圖如圖1 所示，圖中焦化企業(yè)取水量最大的用戶為循環(huán)水系統(tǒng)，其新水用量占總?cè)∷康?8%，主要用作開式循環(huán)水系統(tǒng)蒸發(fā)損失和排污損失的補(bǔ)充水。除鹽水站用水量次之，用水量約占總?cè)∷康?3.8%，這部分水作為除鹽水的原水，一部分被制成除鹽水供鍋爐產(chǎn)蒸汽用，另一部分為反滲透濃水及反洗水，進(jìn)入排水系統(tǒng)，最終送焦化廢水處理站處理。生產(chǎn)工藝新水主要供水封、加濕卸灰等生產(chǎn)技術(shù)用水，用水量占總?cè)∷康?.5%。漏損量與施工質(zhì)量和生產(chǎn)管理有關(guān)，占總用水量的1%。生活用水主要供衛(wèi)生間、洗浴、化驗(yàn)等用水，不足總?cè)∷康?%。煤中所含的水分，以蒸氨廢水和煤氣冷凝水的形式回收到焦化廢水處理站，處理后的水回用到循環(huán)水系統(tǒng)作為補(bǔ)充水，占循環(huán)水系統(tǒng)總用水量的44%，大大地減少了系統(tǒng)生產(chǎn)新水用量。

圖1 水量平衡圖

2.2 取水量

噸焦取水量是焦化企業(yè)衡量用水情況最直接的指標(biāo)，也是《焦化行業(yè)規(guī)范條件》（工信部公告〔2020〕年第 28 號(hào)）和《節(jié)水型企業(yè) 煉焦行業(yè)》（GBT 34610-2017）重要的考核指標(biāo)。本工程及相關(guān)規(guī)范要求的噸焦取水量見表1，工程噸焦取水量滿足《焦化行業(yè)規(guī)范條件》準(zhǔn)入值要求，但距離先進(jìn)值和考核值還有不小差距，要達(dá)到節(jié)水型焦化企業(yè)，還應(yīng)采取更多的節(jié)水工藝和措施。結(jié)合式（1）及水量平衡的分析，要降低噸焦取水量，需先降低循環(huán)水系統(tǒng)的用水量，即降低蒸發(fā)水量和排污水量；同時(shí)，提高除鹽水產(chǎn)水率，并降低除鹽水的損失率，提高冷凝水的回收率；提高污水處理的回用率，實(shí)現(xiàn)“零排放”，也是降低噸焦取水量的有效方式。

表1 噸焦取水量 （單位：m3/t）

2.3 重復(fù)利用及漏損

節(jié)水型企業(yè)的其它考核指標(biāo)見表2，4 項(xiàng)指標(biāo)均基本滿足節(jié)水型企業(yè)的要求。其中，間接冷卻水循環(huán)率體現(xiàn)了整個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)中，補(bǔ)水量占循環(huán)量的比例，也就是考察冷卻系統(tǒng)是否節(jié)水。從結(jié)果上看，采用間冷開式的冷卻塔，可基本滿足要求。

表2 節(jié)水型企業(yè)的其它考核指標(biāo)(單位：% )

廢水回用率體現(xiàn)了污水處理的程度，節(jié)水型企業(yè)污水必須回用，才能滿足《焦化行業(yè)規(guī)范條件》對(duì)取水量的要求，才能滿足《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB16171-2012）[5]對(duì)噸焦排水量的要求，同時(shí)污水回用也是GBT 34610-2017 考核指標(biāo)。從指標(biāo)要求上看，由于干熄焦甚至全干熄已基本替代傳統(tǒng)的濕熄焦，因此用“預(yù)處理+生化處理+深度處理”后的水熄焦的方法已不再適用。在深度處理后增加一級(jí)反滲透的雙膜法工藝，其產(chǎn)水率在75%左右，產(chǎn)水用作循環(huán)補(bǔ)充水，剩余約25%濃鹽水經(jīng)簡(jiǎn)單處理后用來洗煤、沖渣等，可滿足廢水回用率的基本要求。

重復(fù)利用率體現(xiàn)了循環(huán)水量占全廠用水量的比例，即要求各用水單元要盡量采用循環(huán)利用的方式，減少直接排放。目前，從主要生產(chǎn)工藝上看，煤氣凈化、干熄焦、除塵等設(shè)備需要的冷卻水，已經(jīng)完全采用循環(huán)利用的方式，一些輔助的生產(chǎn)裝置（加濕卸灰機(jī)用水、水封槽用水等），因其在使用后水質(zhì)受到污染無法循環(huán)利用，依然采用生產(chǎn)新水，因此可以進(jìn)一步提高重復(fù)率用率。

管網(wǎng)漏失率與管材、管徑、長(zhǎng)度、壓力和施工質(zhì)量有關(guān)，單位管道長(zhǎng)度的供水量小或供水壓力較高，以及管材較差、接口容易松動(dòng)時(shí)，管網(wǎng)漏損率較高[6]。焦化企業(yè)一般占地不大（≤40ha），給水系統(tǒng)多采用鋼管，焊接連接，且供水壓力不高（≤0.5MPa），因此管網(wǎng)的漏損率較城鎮(zhèn)管網(wǎng)低很多。結(jié)合企業(yè)的節(jié)水管理，可有效控制管網(wǎng)漏損率。

3 節(jié)水工藝或措施

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水系統(tǒng)、除鹽水站、污水處理站是節(jié)水的關(guān)鍵單元，因此可針對(duì)這些單元實(shí)施可行的節(jié)水工藝或措施。

3.1 實(shí)現(xiàn)循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)水

3.1.1 優(yōu)化冷卻塔選型

對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)，可優(yōu)化冷卻塔選型，通過阻止蒸發(fā)的水蒸氣進(jìn)入大氣或阻止水的蒸發(fā)，降低蒸發(fā)水量?？刹捎眯滦凸?jié)水消霧節(jié)水型冷卻塔，通過設(shè)置在冷卻塔上部的翅片管束或冷凝模塊，降低出風(fēng)口處白霧的現(xiàn)象，甚至完全消除，同時(shí)回流部分冷凝水，可降低10%～20%的蒸發(fā)損失[7]，實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的。嚴(yán)重缺水地區(qū)，可采用干濕結(jié)合閉式冷卻塔，其集蒸發(fā)式，空冷式，水冷式等多種冷卻方式于一體，可充分利用空氣顯熱，從而降低蒸發(fā)水量，在一定干球溫度下（5～15℃），可實(shí)現(xiàn)完全空冷。與開式塔相比，可降低蒸發(fā)損失25%～80%[8]。

3.1.2 提高濃縮倍數(shù)降低排污水量

通過投加新型的緩蝕阻垢劑，使碳酸鈣晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使其不會(huì)在管線及換熱器內(nèi)壁形成沉淀，讓循環(huán)水在高含鹽量的情況下不產(chǎn)生結(jié)垢傾向；或采用電化學(xué)的方式，通過陰極反應(yīng)生成OH-，去除循環(huán)水中結(jié)垢性的鈣鎂離子，在不增加排污的情況下降低結(jié)垢性離子濃度提高系統(tǒng)濃縮倍數(shù)，降低排污量。同時(shí)，由于采用了焦化廢水處理站或中水處理站反滲透產(chǎn)水，其Ca2+、Mg2+含量幾乎為零，TDS＜200mg/L，也進(jìn)一步提高了濃縮倍數(shù)，降低排污水量[9]。

3.1.3 降低風(fēng)吹損失

風(fēng)吹損失與風(fēng)速、冷卻塔的類型、淋水填料、冷卻水量有關(guān)。焦化企業(yè)普遍采用逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔，風(fēng)吹損失水量占循環(huán)水量的0.1%。采用薄膜填料可降低風(fēng)吹損失[10]。同時(shí)，應(yīng)選擇空氣阻力小、除水效率高的除水器(不小于98%)。管理上應(yīng)定期對(duì)除水器的運(yùn)行狀況巡檢，確保除水器在正常狀態(tài)下運(yùn)行。

3.2 提高除鹽水站產(chǎn)水率

3.2.1 優(yōu)化除鹽水處理工藝

目前，除鹽水站普遍采用“反滲透+混床”的工藝，總產(chǎn)水率一般小于60%。通過優(yōu)化預(yù)處理工藝改善反滲透膜進(jìn)水水質(zhì)、采用抗污堵膜對(duì)反滲透濃水進(jìn)行再濃縮，選用產(chǎn)水率高的EDI 模塊等[11][12]，都可以提升系統(tǒng)產(chǎn)水率，降低原水的需求，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水。

3.2.2 提高冷凝水的回收率

蒸汽冷凝水水質(zhì)很好，經(jīng)簡(jiǎn)單處理即可作為除鹽水回用。目前,很多蒸汽伴熱、采暖、加熱等蒸汽用戶產(chǎn)生的凝結(jié)水直接排入廠區(qū)排水管網(wǎng)，造成大量除鹽水的損失，因此應(yīng)對(duì)全廠蒸汽用戶進(jìn)行冷凝水收集，提高冷凝水的回收率,減少除鹽水的損失,從源頭上降低除鹽水的消耗量。

3.3 提高污水處理回用率

焦化企業(yè)普遍采用“超濾+反滲透”的深度處理回用工藝，產(chǎn)水率約75%，剩余25%濃鹽水用作熄焦、洗煤、沖渣等用途，因此想要提高污水回用率，就要從這剩余的25%濃鹽水入手。目前，主要采用2 種方式提高污水回用率。一種方式與除鹽水站類似，通過特種膜、EDI、蒸發(fā)器等設(shè)施，對(duì)反滲透濃水進(jìn)步濃縮，最終回用率能達(dá)到約90%，這種方式一般適用于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)或自有洗煤廠等可消耗部分濃鹽水的企業(yè)[13]。另一種方式是濃鹽水通過納濾膜，將一價(jià)鹽和二價(jià)鹽分離后再進(jìn)一步濃縮，最后通過蒸發(fā)結(jié)晶裝置生產(chǎn)硫酸鈉和氯化鈉的方式，實(shí)現(xiàn)廢水的零排放，這種方式適用于濃鹽水沒有去處的獨(dú)立焦化企業(yè)[14]。此外，用循環(huán)水替代生產(chǎn)新水，如工藝的地坪沖洗水、水封用水、加濕卸灰機(jī)用水等，其對(duì)水質(zhì)要求不高，可用循環(huán)水給水替代，消耗部分作為循環(huán)水系統(tǒng)排污水計(jì)入水平衡，從而降低生產(chǎn)新水用量。

4 節(jié)水效果分析

采用上述節(jié)水工藝對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，循環(huán)水系統(tǒng)冷卻塔考慮采用消霧節(jié)水型冷卻塔，結(jié)合山西、內(nèi)蒙等地區(qū)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，節(jié)約蒸發(fā)水量按15%考慮，并采用電化學(xué)水處理設(shè)備替代傳統(tǒng)加藥，提高濃縮倍數(shù)至6；對(duì)蒸汽冷凝水進(jìn)一步回收，可節(jié)約50%的除鹽水，同時(shí)采用預(yù)處理高效EDI 模塊及濃水再濃縮工藝，提高產(chǎn)水率至60%；污水處理在“雙膜法”后增加納濾分鹽+蒸發(fā)結(jié)晶工藝，實(shí)現(xiàn)污水零排放。改進(jìn)后的各項(xiàng)指標(biāo)見表3。

表3 采用節(jié)水措施后預(yù)估指標(biāo)

由表3 可知，通過采用不同的節(jié)水工藝，各項(xiàng)節(jié)水指標(biāo)均有不同程度的提升，尤其是噸焦取水量，在采用全部上述工藝的情況下，已降至0.89m3/t，遠(yuǎn)低于GBT 34610-2017 先進(jìn)值指標(biāo)；間接冷卻水循環(huán)率和重復(fù)利用率均有小幅提升，但由于循環(huán)水量遠(yuǎn)高于補(bǔ)水量和取水量（見式3、式4），在數(shù)值上提升不明顯；廢水回用率因增加了蒸發(fā)結(jié)晶工藝，廢水實(shí)現(xiàn)零排放，數(shù)值達(dá)到100%。

結(jié)語(yǔ)

隨著焦炭產(chǎn)能的不斷增大及水資源需求總量呈增大趨勢(shì)，水資源短缺必將成為制約煉焦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素，因此采用新的節(jié)水工藝、節(jié)水設(shè)備、加強(qiáng)節(jié)水管理，從而減少用水量，提高用水效率，實(shí)現(xiàn)水資源減量化、再利用、再循環(huán)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，將是我國(guó)焦化企業(yè)降低水資源消耗最為有效的途經(jīng)。另外，改善循環(huán)水工藝、優(yōu)化水處理工藝、提高廢水回用率，均可有效降低取水量，焦化企業(yè)也可根據(jù)自身情況，采用合理的優(yōu)化工藝，滿足甚至超過節(jié)水型企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。