宁东基地煤基能源产业发展节水潜力研究

2020-05-14王雷

煤炭工程 2020年4期

王雷

(国家能源技术经济研究院，北京 102211)

当前我国正面临经济发展与资源协调的严峻问题[1]，自2012年国务院发布《关于实行最严格水资源管理制度的意见》以来，如何高效合理地利用水资源实现地区经济发展，已成为我国水资源领域的重要研究内容[2]。水资源是促进社会经济发展的重要物质基础，当今水资源短缺已经成为制约经济发展的重要因素，解决水资源供需矛盾，全面实施节水措施，高效利用水资源是实现区域可持续发展的根本性措施。

工业生产用水量大，用水效率低、耗水率高，研究工业用水的节水潜力，有助于建设节水型社会。马素英[3]通过分析对比几种不同的节水潜力计算方法，认为水利部节水潜力计算公式较为合理。雷桂荣[4]提出了基于SFA的工业节水潜力测算模型，并认为节水潜力是不考虑任何效率损失下的工业最小用水量与实际用水量之差值。郑在洲[5]则认为节水潜力是通过各种综合节水措施所达到的节水指标与现状用水水平的差值。关于节水潜力的评价和计算方法一直以来并没有统一的方法[6-8]，在本研究中将规划年预测用水量与现状年用水量之差值视为节水潜力。

习近平总书记强调黄河流域必须下大气力进行大保护、大治理，走生态保护和高质量发展的路子，王浩院士也指出了黄河流域高质量发展需要稳固的水资源支撑[9]。目前黄河流域工业化进程远未完成，预计到2035年左右，整体进入工业化后期，工业用水需求将逐步达到峰值，而在此期间，能源产业需水将保持较快增长。宁夏地处沿黄经济区，同时也是典型的水资源短缺地区，社会经济发展极度依赖黄河水供给，大量专家学者对该地区的节水潜力进行分析研究[10-13]，但主要研究区域都是灌区，宁东能源基地作为国务院批准的重点开发区，以煤基能源产业为主导，但基地内水资源极其匮乏，主要依靠引黄水量和矿井水，严峻的用水形势为基地高质量发展带来了巨大的挑战。因此分析宁东能源基地的节水潜力，提出相应的节水措施，以提高工业用水的用水效率，增加循环用水，可以确保在经济平稳增长的基础上，满足基地经济社会的用水需求，对实现基地内水资源-社会经济和谐发展具有重要意义，同时对其他缺水型城市节水发展亦具有借鉴意义。

1 宁东基地概况及产业发展现状

宁东能源化工基地位于宁夏回族自治区中东部属西北干旱内陆地区，地理坐标介于东经106°21′39″—106°56′34″，北纬37°04′48″—38°17′41″之间，多年平均降雨量仅为198mm，是严重缺水地区，基地内社会经济发展完全依赖于黄河水的有效供给。辖区范围涉及灵武市、盐池县、同心县、红寺堡区等4个市县(区)，面积3484km2，地理区位如图1所示。

图1 宁东能源化工基地区位图

1.1 宁东基地发展现状

自2003年宁夏自治区作出宁东基地开发建设决策以来，宁东基地以煤炭、电力、现代煤化工为主导，形成了集群化协调发展的现代能源化工体系，先后被列入国家14个亿吨级大型煤炭基地、9个千万千瓦级大型煤电基地、4个现代煤化工产业示范区。截至2018年底，宁东基地累计完成固定资产投资4950亿元，2018年实现工业总产值1175亿元、工业增加值368亿元，在2018中国化工园区30强中排名第8，全口径财政收入近百亿元，工业经济总量宁夏自治区排名第一，成为宁夏经济增长的主要动力源和稳定器。

1.2 煤基能源产业发展现状

1.2.1 煤炭生产

宁东煤田探明储量约273亿t，属整装煤田，煤层埋藏条件好、储量分布集中，各矿区分布距离近、基本都能布置大型矿井，具备建设大型矿井群的必要条件。截至2018年底，宁东煤田共有生产及在建煤矿17处，产能8900万t/a，其中有16处为120万t/a以上安全高效现代化大型煤矿，2018年产量6651万t，占宁夏全区的87.8%。17处矿井分布在灵武、鸳鸯湖、马家滩、横城、积家井5个矿区，分属宁煤集团、宝丰集团、中铝宁夏、中石化等5家企业，其中宁煤集团共有13处煤矿，产能7840万t/a，占比88%。

1.2.2 燃煤发电

作为全国重要的煤电基地和“西电东送”重要的送端电源，依托宁东煤田建设的大型坑口电厂，基本全是单机60万MW以上的大容量、高参数机组，另外电厂同步采用了烟气脱硫、空冷、无废水循环利用和烟气脱氮等技术，推进了智能电网建设。并在宁东基地建成了世界首个100万kW超超临界空冷电站、世界首条±660kV电压等级直流输电工程、世界直流电压等级最高的宁东至浙江特高压直流输电工程，至2018年已形成火电装机容量1495万kW。

1.2.3 现代煤化工

宁东基地采用规模化、大型化、基地化发展模式，重点推动煤化工中间体与石化产品链对接、集约发展传统煤化工产业及循序发展石油化工产业的发展战略。建成了世界首套50万t/a煤基烯烃、全球单套装置规模最大的400万t/a煤炭间接液化等一批重大项目。截至2018年已形成煤化工总产能2225万t，其中煤制油400万t、烯烃260万t，是全国最大的煤制油和煤基烯烃生产加工基地。神华宁煤集团是基地内煤化工龙头企业，目前已建成8个大型煤制油化工项目且形成独具特色的产业链布局，按照终端产品大体分为三大链条：一是煤炭间接液化制油产品链条，二是煤炭经甲醇制烯烃MTP产品链条，三是石脑油制烯烃(煤制油副品提值)产品链条，如图2所示。

图2 神宁煤化工产品布局

2 产业用水现状

宁东基地主要用水去向为工业用水，其中煤炭采选、煤炭发电、现代煤化工用水量占据基地总用水量90%以上，主要供水来源为黄河地表水供给。2018、2020年宁东基地用水总量红线控制指标均为2.00亿m3，2018年基地内基本实现供需平衡，未超过用水红线，但随着产业规模扩大，用水单元增加，如何在用水红线范围内，实现基地发展依然是亟待解决的问题。

2.1 产业用水环节

基地内有羊场湾煤矿(1200万t/a)、梅花井煤矿(1200万t/a)、枣泉煤矿(800万t/a)等大型煤矿。主要用水包括井上生产用水、井下生产用水和生活用水三大部分。其中井上生产用水包括选煤用水、矸石山冲扩堆用水、机械设备冷却用水、绿化用水、道路洒水；井下生产用水包括防尘洒水、设备冷却水、防火灌浆用水、矿井冬季保温蒸汽用水；生活用水包括办公区和生活区用水等。

依靠丰富的煤矿资源，基地内煤电企业众多，耗水量大，包括生产用水、辅助生产用水和附属生产用水。其中，生产用水包括：汽轮机循环冷却水、辅机循环冷却水、发电工质水、化学自用水、锅炉冲灰水、脱硫用水、地面冲洗和输煤系统除尘及喷洒用水、干灰场喷洒用水等；辅助生产用水包括：机修、运输、空压站用水等；附属生产用水包括：厂区办公楼、绿化、浴室、食堂、厕所用水等。

煤化工产业是基地的支柱产业，也是需水量最大的用水环节，工艺中主要用水项目有：反应用水、用于冷凝的冷却水、用于加热的水蒸气用水、洗涤用水、生活用水等。例如，煤制天然气主要有备煤、气化、净化、甲烷化、空分、公用工程几个部分。用水量较大的是气化部分的洗煤、空分、公用工程的热电站几部分，公用工程中的气化、空分、净化、热电循环水站的装置需要用到冷却水。

2018年，宁夏地区高技术产业增加值占规模以上工业增加值的比重为4.2%，低于同期全国平均水平8.5个百分点。基地内煤炭产业用水量为3534万m3，煤电产业用水量为4002万m3，煤化工用水用水量为10206万m3，其中煤炭以及煤电产业多数企业已完成技术升级，相较煤化工产业而言，用水量较小。煤化工产业技术复杂用水环节较多，目前主要煤化工产品资源利用效率见表1，可以看出，与先进水平依然存在一定差距。

表1 煤化工产品主要资源利用效率表

数据来源：《宁东基地现代煤化工产业示范区总体规划》。

2.2 供用水情况

宁东基地供水主要可分为常规水供应以及非常规水供应，常规水供应全部引用黄河干流地表水，主要通过宁东、长城和太阳山三大供水工程联合供应，三个工程一期总供水能力为65万m3/d，二期总供水能力达到130万m3/d；非常规水供应可分为矿井水和中水供应，基地目前已建和在建的矿井水处理站共10座，其中已建成5座，预处理规模23140m3/d。远期依靠三大供水工程可达到4.5亿m3/a的供给能力。

宁东能源基2013—2018年供水量见表2，供水量由2013年的12470万m3增加到2018年的17658万m3，呈明显上升趋势，年均增长9.1%，且供水以黄河水为主。2018年宁东能源基地供水总量为1.77亿m3，其中生活用水量0.06亿m3，占总量3.4%，工业用水量1.56亿m3，占总量88.1%，生态绿化0.15亿m3，占总量8.5%。

表2 宁东基地2013—2018年供水量表

数据来源：《宁夏水资源公报》。

由表2可知，宁东地区非常规水供应水量较小，2013年非常规水供应比例仅为0.7%，2017年最高达到2.7%，由此可见基地内节水措施相对较为薄弱，对于中水回用以及矿井水利用环节存在较大问题。根据宁夏水资源公报，2018年宁东基地工业用水量1.77亿m3，占总量89%；其中工业用水量比重最大，煤炭产业用水量为3534万m3，占工业总用水量20%，煤电产业用水量为4002万m3，占比23%，煤化工用水用水量为10206万m3，占比57%。

2.3 存在的用水问题

1)水资源利用效率低下。宁东基地与全国平均用水指标对比如图3所示，2018年宁东基地万元GDP用水量179m3，全国万元GDP用水量66.8m3，是全国平均万元GDP用水量的2.7倍；基地万元工业增加值(当年价)用水量62m3，全国万元工业增加值(当年价)用水量41.3m3，高出全国平均水平50.1%。

数据来源：《宁夏水资源公报》图3 宁东基地与全国平均用水指标对比图

2)煤化工产业单位产值耗水量偏高。宁东能源化工基地煤化工产业多为新型产业，而且煤化工行业门类产品众多，工艺和原料各不相同，很难提出标准化用水定额，与目前宁夏工业产品取水定额比较，煤化工产业单位产量耗水量偏高，加大了宁东能源化工基地水资源供需矛盾，是宁东能源化工基地主导产业可持续发展面临的重要水资源问题。

3)用水结构不合理，非常规水利用少。宁东基地常规水资源供水保障程度高，但再生水、矿井水等非常规水利用较少，基地用水结构不合理。如基地核心区共规划建设8个污水处理厂，目前仅建成4个，其中宁东镇已建成的1.5万m3/d污水处理厂，由于宁东镇生活污水排放量仅为3000m3/d，使处理能力和水质均达不到设计要求。另外，宁东现有煤矿年涌水量合计6564万m3，矿井水综合利用率不到30%，不仅浪费了资源，大量外排也影响了周围环境。

3 产业发展节水技术及潜力分析

3.1 主要节水技术及应用效果

在企业发展的同时为了保证水资源供给能力，需要对企业生产技术进行节水改造升级，但同时需要考虑技术升级的可行性，经济成本以及节水效率，针对煤基能源产业分别提出了不同的节水策略，以充分挖掘产业节水潜力。

3.1.1 煤炭采选

宁东基地煤炭采选技术较为成熟，节水技术升级重点在于提高矿井水利用率。2018年，宁东能源化工基地主要的5个矿区矿井疏干水涌水总量达到6563.73万m3，各煤矿2018年回收利用总量为1554.5万m3，回用率为23.7%，总体利用率十分低下。矿井水疏干水量大，矿化度高，可以通过零排放处理体系以提高整体利用率。零排放是指矿井水经过预处理、深度处理、浓缩和蒸发结晶的全过程，真正实现水和杂质的完全分离，分别利用。

全膜法废水零排放技术和浓盐水处理工艺可以基本实现零排放。将矿井水预处理后采用海水淡化膜反渗透(SWRO)+碟管式反渗透(DTRO)/特殊流道反渗(STRO)/电渗析(ED)提浓，使盐质量浓度达到12%以上。通过蒸发器将水中的盐含量进一步提高至20%以上，其排放的盐卤水通常被送往蒸发塘进行自然蒸发结晶或送至结晶器，结晶干燥成固体，处置或进行资源利用。

神华宁煤集团宁东矿区矿井水及煤化工废水处理利用项目，经处理后作为神华宁煤煤化工煤制油项目生产补充水，对其中的盐分进行分质分盐结晶处理，产生的符合工业盐标准的硫酸钠、氯化钠盐作为产品外卖，实现资源的最大化利用，其工艺流程如图4所示。推广应用此技术可有效提高煤炭产业节水能力。

图4 宁煤矿井水深度处理及零排放工艺图

3.1.2 煤炭发电

空冷技术相对于传统的水冷技术，具有节水效果好、介质来源广泛、运行维护费用低等优点，是重要的发电节水技术，可分为直接空冷及间接空冷。直接空冷设备少、系统简单、占地面积少、系统的调节较灵活，但常难以把工艺流体冷却到环境温度，并且受地形、环境温度及周边建筑物分布等因素影响大。间接空冷结合了直接空冷与水冷的特点，可有效解决这一问题。

3.1.3 现代煤化工

煤化工项目中循环冷却水系统补水量最多，用水所占比例最高，循环冷却水系统的节水效果对于整体用水影响最大，可结合具体生产情况通过以下几项技术提升循环水使用效率从而整体上达到节水目的[13，14]。

开式循环冷却水系统节水技术。即主要通过提高循环水的浓缩倍数实现节水，但由于系统冷却过程中与空气直接接触，空气中的灰尘、微生物及溶解氧被带入系统，从而造成冷却水质恶化，因此应结合具体生产情况在允许的水质控制范围内采用合适的浓缩倍数。另外，在循环冷却水系统运行中，还要补充阻垢剂、杀菌剂等水药剂量来维持系统的正常运行。

闭式循环水系统节水技术。闭式系统核心是空冷器，相比开式系统有更好的节水经济性，按冷却方式分为干式、湿式和联合空冷三种。干式空冷适用于传热温差较大的场合，湿式空冷适用于传热温差较小的场合，应用更为广泛；联合空冷则是将湿式和干式空冷器组合成一体，通过对各自的传热面积和压力降进行合理分配，以达到更好的节水效果。

闭式冷凝液回收技术。大型煤化工项目冷凝液产生量约占所需脱盐水总量的60%左右，因此冷凝液回收利用对降低煤化工项目整体水耗至关重要。密闭式冷凝液回收技术主要是通过增加表面换热器等回收装置，从而在回收透平冷凝液和工艺冷凝液过程中不与空气直接接触，以达到减轻对管道和设备的腐蚀、减少闪蒸损失的目的。

3.2 节水潜力分析

宁东基地内企业众多，采用“抓大放小”选样原则，选取了16家煤炭企业、14家煤电企业、10家煤化工企业进行了产业节水潜力分析，各产业用水定额如图5所示，另根据企业目前生产规模及用水量分析了技术改造后的节水潜力见表3。

针对宁东主要大型煤矿企业进行节水潜力分析，结果表明：目前基地内大型煤矿企业用水定额在0.16～0.35m3/t左右，总用水量为3534万m3。通过更新开采技术，如煤炭洗选环节采用闭式循环法提高矿井用水利用率，则用水定额可降低至0.3m3/t左右，届时用水量为2746万m3，理论节水潜力为788万m3。根据《宁东基地矿井疏干水利用现状及配置方案》要求，提高矿井水利用率至70%，若矿井涌水量保持不变，则在完成技术升级后，可利用矿井水量将由2018年的1554万m3提高至为4595万m3，节水潜力为3041万m3。

图5 宁东基地主要生产企业用水定额

表3 宁东基地产业节水潜力

数据来源：《宁夏宁东能源化工基地水资源合理配置》。

基地内有装机容量为2×330MW的马莲台电厂一期项目，目前用水定额为0.552m3/(s·GW)，年用水量为984万m3，另有灵州电厂一期工程装机容量为2×135MW，用水定额高达0.636m3/(s·GW)，年用水量为340万m3，此类企业投产较早，冷却水技术落后，是升级改造的重点企业。相比较，采用空冷技术的马莲台电厂二期装机容量为2×600MW，用水定额仅为0.11m3/(s·GW)，年用水量为309万m3，灵州电厂二期工程装机容量为2×660MW，用水定额为0.098m3/(s·GW)，年用水量仅为327万m3。目前基地内新建电厂企业多采用空冷技术，但仍有部分老旧电厂冷却水技术未完成升级改造，针对老旧电厂冷却系统改造升级后，最高可以节约煤电企业65%的耗水量，届时用水量可降至3316万m3，理论节水潜力为686万m3。

由于不同的煤化工产品，用水定额差异较大，并且受制于产品制造工艺限制，在考虑节水技术改造时要考虑到现实可行性，不能采用统一的定额标准，要采用“一企一策”选用不同节水技术。其中较为典型的宁煤集团400万t/a间接液化项目，用水定额为6.91m3/t，用水量为2656万m3，另有产量为52万t/a的MTP项目，用水定额为59.9m3/t，用水量为3114万m3，通过采用循环冷却水系统、空冷节水技术等先进节水技术，降至国内同等产品先进定额。则届时用水量为7684万m3，理论节水潜力为2522万m3。

3.3 节水可行性分析

3.3.1 技术可行性分析

根据宁东基地目前产业布局，可通过增加空冷设备比例，冷凝液系统回收，中水回收利用等技术实现节水目标。目前，基地内鸳鸯湖电厂通过升级空冷系统，连续五年发电水耗均在0.31kg/(kW·h)左右，有效的节约了发电用水量；宁煤集团甲醛一厂以及烯烃一公司通过对生产环节中冷凝液系统回收，吨产品耗原水指标均优于设计值；此外基地内目前投产的六座污水处理厂，对工业污水处理能力达到了19.1万t/d。综上所述，基地内目前在节水技术上具有较大可行性，但过度追求技术升级改造势必会加大企业压力，因此技术升级改造主要集中在用水水平较为落后的企业。

3.3.2 矿井水开发可行性分析

2018年基地内矿井涌水量为6600万m3，回用水量为1993.2万m3，外排水量为4606.8万m3，综合利用率较低，仅为30.2%。主要原因在于基地内各矿矿井水的矿化度均高于2000mg/L，最高可到10000mg/L，在不处理的情况下难以利用，然而高矿化度的矿井水处理成本高昂，因此许多企业选择利用黄河水而将矿井水外排。综合来看，基地内矿井水具有较大的开发空间，但要实现高利用率需要一定时间。