化工企业水平衡测试实践分析

陈晓成

(阜阳水文水资源局，安徽 阜阳 236000)

阜阳市地处安徽省西北部，人均水资源占有量约400m3，为全省人均占有量的1/3。多年来城区工业用水和居民生活用水大都以开采中深层地下水为主，由于长期超量开采中深层地下水，导致出现了以阜阳城区为中心达1200km2的地下水水位降落漏斗区。随着经济社会的发展，特别是工业化、城市化进程的不断加快，水资源供需矛盾日益突出，节水是缓解阜阳市水资源供需矛盾的根本途径之一。

昊源化工是阜阳市主要工业用水大户，开展水平衡测试可为企业提高用水效率、节约用水提供最直接的科学依据。昊源化工具有工艺复杂、产品种类繁多、用水单元多、用水量大的特点。水在化工产品生产中既做原料又做介质，参与了化工工序过程中的化学反应，形成了化工产品。昊源化工厂区存在大量由各种管道构成的生产系统，做水平衡测试范围大、难度大、困难多。本文介绍了安徽昊源化工水平衡测试的步骤和方法，并采用化学分析法，对生产尿素、碳酸氢铵、甲醇和吗啉等产品，从理论上分析计算化工产品耗用水量，与水平衡测试成果中产品耗用水量进行对比，验证测试成果的合理性。

1 企业概况

1.1 企业规模

安徽昊源化工集团有限公司(简称昊源化工)前身为阜阳县化肥厂，现已发展成为集研发、生产、销售于一体的综合性化工企业。公司现为国家高新技术企业，拥有省级企业技术中心。目前主要年产150万t尿素、140万t甲醇、26万t苯乙烯、15万t二甲醚、3万t异丙胺、2万t吗啉、6000t二甘醇胺，并进行余热发电(30MW)等。其中尿素、甲醇产品为安徽省名牌产品，生产规模均为安徽省第一；吗啉产品为安徽省名牌产品和安徽省高新技术产品，拥有6项发明专利。

1.2 主要产品生产工艺

昊源化工目前共有两条生产线，老系统为传统小氮肥工艺，新系统为粉煤加压气化新工艺。主要产品生产工艺如下：

a.合成氨生产：无烟煤或焦炭破碎筛分→煤气化(C+H2O=CO+H2)→煤气预处理→煤气变换(CO+H2O=CO2+H2)→脱除残硫或脱除CO→甲烷化→合成气压缩→氨合成(N2+3H2=2NH3)。

b.尿素生产：脱碳来的二氧化碳与冷冻工段来的液氨经加压送至尿素合成塔，在高温高压下反应生成尿素和甲铵混合物，其化学反应为2NH3+CO2→NH2COONH4→CO(NH2)2+H2O。

1.3 装表情况

昊源化工配有一级计量表7块，分别对应7眼深井进行出水计量，一级表装表率达100%；二级计量表10块，分别是水处理系统6块，1号双曲线冷却塔1块，2号双曲线冷却塔1块，系统循环水1块，办公及生活用水1块，二级表装表率达100%；三级计量表43块，分别对各主要用水单元进行计量，三级表装表率达93%。

每年按检定周期由当地计量测试研究所进行水表的检测和校验。公司计量科每月定期对用水一级计量装置进行检查，如发现运行不正常及时与阜阳市水资源处联系，确保水表计量准确可靠。

1.4 用水情况

取水情况：取水井7眼，井深在300～400m，均为全封闭井，装有计量水表，分布在厂区内。

用水状况：用水为深层地下水，测试期间的日用水量(深层地下水量)约11000m3左右。

排水状况：厂区雨、污水管网分开，清浊分流。只有一个外排排污口，位于厂区东北测，排污口处安装了明渠流量计、环保设施运行记录仪、适配器，以及COD、NH3-N在线监测仪等。

2 水平衡测试

2.1 查勘与测点布设

按照企业水平衡测试通则要求，为保证这项工作的顺利开展，需要做一些前期现场勘查准备工作。将图纸上的用水管网和实际对照，弄清各用水单元的给水排水管网情况以及水表的安装位置、数量和水管的管径等，详细查清每个用水单元的用水细节。经现场实物与图纸对照，若图纸与实际不一样的以实物为准，并现场修改绘制。由于厂区较大，为了以后监测方便，对重要的取水井和水表位置采用GPS定位，对不同的用水单元管网采用7位码标识，前3位为用水单元名称，由汉语拼音第1个字母组成，第4位、第5位为干支管编号，第6位、第7位为水管编号。

查看表计的运行是否正常，并抽校部分水表。了解每块水表的控制范围和管道走向；对没有安装表计的用水管道，查勘采用仪器测量的位置，选择的测试位置尽可能符合仪器的测试条件，现场做测试精度实验，确定最佳的测试位置，并做好标记。

经现场勘查，需要用仪器测量的有10处，读表的有50处，分布在16个用水单元中。厂区外露的供水管道外加了保护层，测试时需要厂方协助配合破开管道外包装；对热水管道和蒸汽管道，测试时注意不要被烫伤；对高空管道测试时要系好安全带等。

2.2 测试仪器设备

用于本次水平衡测试的仪器主要有测量管道流量的管壁测厚仪和超声波流量计、测量明渠流量的流速仪、查找管道漏水的测漏仪，以及量水桶、温度计、卷尺、GPS、钢锉、钢刷、砂布、打磨砂纸架、锤子、秒表、皮线、音响器、电筒和清洁纸等。

2.3 用水单元的划分

根据生产工艺流程和供水管路等特点，把具有相对独立性的生产工序、装置(设备)或生产车间、部门等分为主要生产用水、辅助生产用水和附属生产用水3个用水单元。主要生产用水单元有5个：新合成氨系统、老合成氨系统、尿素系统、化工系统和汽轮机系统；辅助生产用水单元有9个：水处理系统、锅炉、1号冷却塔、2号冷却塔、新系统循环水、老合成氨系统循环水、化工循环水、造气循环水、污水处理及中水回用；附属生产用水单元有办公、食堂、洗浴、厕所、绿化、消防和茶炉等。

2.4 测试成果

在厂方的大力支持和协助下，厂方技术人员和测试小组多次到化工生产现场将图纸上水流走向与实际管道相对接，明确每个单元用水的特点。测试时间定为3天，每天上下午各一次，共测试16个用水单元，共有276个水表读数、54个测量数据。测试后对成果进行分析汇总，测试期间企业用水量452.000m3/h，产品耗用水量118.000m3/h，蒸散发损失量184.000m3/h，漏损量2.000m3/h，外排水量148.000m3/h。测试期间的用水参数计算成果见表1。

表1 测试期间的用水参数计算成果

3 测试成果分析

3.1 化学分析法

水在化工产品生产中既做原料又做介质，从化学反应可以看出，合成氨(NH3)、尿素[CO(NH2)2]、吗啉(C4H9NO)和甲醇(CH3OH)中的H元素均来自水H2O的分解，从理论上可以分析推求产品耗用水量。

a.生产合成氨理论上需分解的水量：3H2O→2NH3生产1.000t氨在理论上需分解水量为1.588m3，每日生产合成氨1672.060t，需分解水2655.620m3，合成氨是生产尿素的中间产品。

b.生产尿素理论上需分解的水量：生产尿素的化学反应式为2NH3+CO2=CO(NH2)2+H2O，尿素生产以氨和二氧化碳为原料，生产1.000t尿素需氨0.567t，产生水0.300m3，测试期间日生产尿素3049.430t，需消耗氨1728.010t(间接用水2744.530t)，同时产水914.830m3。理论上日生产尿素实际耗水量为1829.700m3。

c.生产甲醇理论上需分解的水量：甲醇(CH3OH)中H来自水的分解，每生产1.000t甲醇，需分解水量为1.120m3，测试期间日生产甲醇951.950t，需分解水量1070.000m3。

d.生产吗啉理论上需分解的水量：吗啉(C4H9NO)是由一定比例的二甘醇(二乙二醇)、液氨和氢气合成的，每生产1.000t吗啉，需要增加分解水量为0.093m3，测试期间日生产吗啉44.470t，需分解水量4.140m3。

理论计算与水平衡测试产品耗用水量对比情况见表2。

表2 理论计算与水平衡测试产品耗用水量对比情况

测试期间，理论上产品耗用水量为2903.840m3/d，通过水平衡测试推算的产品耗水量为2832.000m3/d，相差2.45%，总体上基本相符。

3.2 节水指标分析

昊源化工水平衡测试期间共有尿素生产机组4组，1号机组停机，2号机组采用水溶液全循环法生产工艺，3号和4号机组采用气体法生产工艺，根据《尿素取水定额》(HG/T 4187—2011)，每吨尿素取水定额指标为3.300m3，每吨甲醇取水定额指标为10.000m3。生产尿素所需水量应为日生产合成氨所需水量(5712.000m3)和合成尿素所需水量(3504.000m3)之和，即9216.000m3。测试期间尿素的平均日产量为3049.430t，计算出生产每吨尿素取水量为3.020m3。甲醇生产在水平衡测试期间的取水量计算方法同尿素、合成氨相同，经计算日取水量为1512.000m3，日生产甲醇量951.950t，计算出生产每吨甲醇取水量为1.590m3。计算出的尿素和甲醇取水量均小于标准限值，均达标。节水指标计算成果见表3。

表3 企业节水指标计算成果

3.3 测试成果分析评价

测试成果反映了测试期间的各单元用水情况、生产的用水耗水和排水情况，由测试成果计算出的用水参数和企业节水指标计算成果可以看出，经企业多年的节水技术和设备的改造更新以及节水系列措施的实施，节水成效明显，节水指标数据均达标。

4 改进措施及建议

a.完善三级计量表，建议每个用水单元安装出水水表。引进水务管理软件，提升节水管理现代化水平。在重要的表计上安装实时监控系统，建立全厂用水量可视化平台，在此平台上优化各单元用水。

b.改进设备，优化工艺，在满足化工用水水质的基础上，尽量采用地表水，逐步压缩优质深层地下水使用量。结合阜阳煤基新材料产业园区总体规划及产业布局，实施“退城入园”措施，加快现有生产装置的搬迁进度，减少和停止对阜阳城区深层地下水的开采和使用。

c.通过本次测试，查清了厂方测试系统中各用水环节、用水工艺及用水设备的基本情况，以及产品用水耗水和排水情况，并根据测试期间的产品所需水量参数进一步核算了用水量数据，为厂方节水管理提供了技术资料，为水资源管理提供了基础数据。根据《企业水平衡测试通则》(GB/T 12452—2008)的要求，企业水平衡测试应在不同季节(用水淡旺季)企业正常生产情况下分别进行测试，综合多次水平衡测试成果更能真实反映企业用水情况，建议企业选择夏季和春季在日产量较稳定时段再次进行水平衡测试。

5 结 语

通过昊源化工的水平衡测试，对企业的用水、耗水和排水有了更清晰的了解，使企业清楚自身用水指标和用水参数，为企业节水减排、提高用水效率、节约利用深层地下水资源提供了数据支撑。水平衡测试中采用化学分析法对产品耗用水量进行分析计算，并与测试成果进行对比，为化工企业产品耗用水量成果验证探索出了一种较为实用的方法。