化工脱盐水装置经济运行降本增效措施

2023-11-07张雅军

资源节约与环保 2023年10期

张雅军

（国能包头煤化工有限责任公司内蒙古包头 014000）

引言

随着社会经济的持续快速发展，煤化工行业已经成为我国重要的战略性支柱产业，也是我国能源供应的重要组成部分。高耗能及环保问题是制约行业发展的重要因素。面对产品市场环境低迷、生产状态复杂等不利因素，探索稳定、高效的降本增效措施，对提高企业的竞争力具有重要意义。水处理系统运行指标的建立与控制及运行管理水平直接影响企业的经济效益。精心组织细化管理，加强绩效考核管理质量，降低能源、物料、化学药剂消耗，加强装置运行水平，开源节流，减少设备的投入、检维修费用，提高系统节能效果，实现效益最大化是企业长远发展的关键。

1 项目概况

内蒙古某煤化工企业以煤为原料生产甲醇，甲醇通过MTO 装置转化为烯烃，再通过聚合装置生产出聚乙烯和聚丙烯，同时产出硫磺、丁烯、丙烷和乙烷等副产品。该项目联合装置主要包括煤气化装置、180 万t 甲醇装置、60 万t MTO 装置、30t 吨聚乙烯装置、30t 吨聚丙烯装置。

脱盐水装置作为辅助生产装置，以黄河水及全公司的冷凝液为水源，采用两路制水工艺制备合格的二级除盐水，供热电站及化工生产装置使用。工业水制水系统采用双膜法-离子交换树脂法制水工艺，系统设计制水量1200m3/h，其工艺流程为黄河水-反应沉淀池-V 型滤池-生水换热器-生水箱-生水泵-自清洗过滤器-超滤-清水箱-清水泵-高压泵-反渗透-除碳水箱-除碳水泵-阳离子交换器-阴离子交换器-混合离子交换器-除盐水箱-除盐水泵-电站及化工生产装置。冷凝液回收系统采用活性炭吸附-离子交换树脂法回收工艺，系统设计制水量800m3/h，其工艺流程为化工冷凝液-冷凝液换热器-冷凝管回收水箱-冷凝液输送泵-活性炭过滤器-除铁过滤器-混合离子交换器-除盐水箱-除盐水泵-电站及化工生产装置。工业水制水系统及冷凝液回收系统的生产废水经地沟进入2×500m3酸碱中和池，通过酸碱中和、循环回流后，调节废水的pH 为6～9，经废水中和泵排放至1000m3废水缓冲池，经废水排放泵连续排放至全厂污水回收系统。

2 经济运行指标

2.1 运行指标分析

系统的经济稳定运行由设备及工艺操作两方面决定，因此加强设备管理、优化工艺条件对降本增效具有非常重要的意义。化学水装置作为独立的核算单元，其绩效考核指标主要包括吨脱盐水耗工业水、吨脱盐水耗循环水、吨脱盐水耗电、吨脱盐水耗仪表空气、吨脱盐水耗工艺空气、吨脱盐水综合能耗，脱盐水装置2023 年上半年绩效考核指标如表1 所示。

表1 绩效考核指标

黄河水经反应沉淀池、V 型滤池过滤沉淀后，经生水换热器换热提温，满足进水条件，经超滤-反渗透-离子交换器制出合格二级脱盐水。制水过程中工业水耗率为评价水处理系统中设备运行状态及工艺操作的重要指标，正常运行工况下，工业水制水系统消耗工业水约900t/h，采用吨脱盐水耗工业水指标评价其能耗，上半年吨脱盐水耗工业水为1.375t/t。

冷凝液为化工装置蒸汽做功或换热后返回的透平冷凝液和工艺冷凝液。冷凝液来水温度较高，工艺冷凝液来水温度约96℃，透平冷凝液来水温度约55℃，需进行换热后再进入后续回收工艺系统中，防止温度太高使离子交换树脂受热分解。设置2 套共4 台循环水-工艺冷凝液板式换热器、1 套共2 台循环水-透平冷凝液板式换热器对回收冷凝液进行换热，循环水用量约2470t/h，采用吨脱盐水耗循环水指标评价其能耗，上半年吨脱盐水耗循环水为2.2t/t。

水处理系统中水介质主要通过泵来提供驱动力，以完成除杂、脱盐、输送、增压等过程，常用的水泵包括离心泵、自吸泵、潜水泵、计量泵等。脱盐水装置用电主要包括驱动电机及公用系统用电，正常运行工况下，耗电量约1260kWh，采用吨脱盐水耗电指标评价其能耗，上半年吨脱盐水耗电为1.12kWh/t。

为满足脱盐水装置工艺及仪表用气，设置2台10m3工艺空气贮罐、1 台10m3仪表空气贮罐，气源引自全厂压缩空气系统。工艺空气主要用于超滤装置气水冲洗、活性炭过滤器反洗、离子交换器反洗分层后混脂、酸碱中和池搅拌等，仪表空气主要用于气动阀门及仪表用气等。正常运行工况下，耗仪表空气约450m3/h、工艺空气约350m3/h，采用吨脱盐水耗工艺空气、吨脱盐水耗仪表空气指标评价其能耗，上半年吨脱盐水耗仪表空气为0.40m3/t、吨脱盐水耗工艺空气为0.31m3/t。

设置3 台混合加热器，热源采用化工返回0.46Mpa 蒸汽，用于冬季环境温度较低时加热工业水，以满足超滤及反渗透装置的进水要求。脱盐水装置运行过程中能耗主要由工业水、循环水、电能、仪表空气、工艺空气、冷凝液及0.46Mpa蒸汽组成，将各种能耗折算成标煤，采用吨脱盐水综合能耗指标评价其在运行过程中的能耗水平，上半年吨脱盐水综合能耗为0.00344tce/t。

2.2 运行成本分析

脱盐水单位成本是每生产1t 脱盐水所发生的全部费用，由单位固定成本与单位变动成本组成，单位固定成本占比17%，单位变动成本占比83%。其中，单位固定成本主要包括设备折旧费、检维修费、人工成本、检测检验费、环保支出、劳保支出等项目[1]。单位变动成本由药剂物料成本、动力成本组成，药剂物料成本占比15%，动力成本占比85%。

药剂物料成本由药剂成本和物料成本构成。其中化学药剂主要包括盐酸、碱、磷酸三钠、乙醛肟、氨水、亚硫酸氢钠、反渗透阻垢剂、次氯酸钠、反渗透碱性清洗剂、反渗透酸性清洗剂、片碱、柠檬酸、非氧化杀菌剂、超滤清洗剂等。盐酸及液碱主要用于离子交换器及精处理系统再生、超滤及反渗透化学清洗、再生废水酸碱中和；非氧化性杀菌剂、氨水、亚硫酸氢钠、阻垢剂主要用于反渗透系统运行添加，同时氨水也用于调节外供除盐水pH，与乙醛肟共同调节锅炉给水pH 在8.8～9.3、溶解氧≤7µg/L，防止锅炉发生腐蚀；磷酸三钠、片碱主要用于调节炉水水质，使炉水的pH 稳定在9～10、PO43-的含量稳定在2～10mg/L，防止锅炉及热力系统发生腐蚀、结垢、积盐，确保热力设备安全稳定运行的同时确保蒸汽品质；反渗透碱性清洗剂、反渗透酸性洗清洗剂、片碱、柠檬酸、超滤清洗剂主要用于超滤及反渗透化学清洗，根据不同的膜污染特征，制定合理的化学清洗方案，以恢复其制水能力；杀菌剂主要用于超滤进水，保持超滤进水中余氯在0.05～0.1mg/L,同时也用于超滤反渗透化学加强洗，降低进水中及膜表面微生物的含量，防止微生物大量繁殖。药剂成本中阻垢剂因单价较高，成本占比最大，占化学药剂总成本的30%，其次是液碱氢氧化钠，因消耗量较大，成本占比26%，再次是非氧化杀菌剂成本占比24%，乙醛肟成本占比4%，盐酸成本占比3%，其它成本合计占比13%。物料成本主要包括超滤膜元件、反渗透膜、树脂、活性炭等。工业水来水水质较为稳定，超滤、反渗透膜元件通常每5 年更换1 次，工业水制水系统中离子交换树脂通常每3 年更换1 次，根据树脂破损程度，可每年补充部分树脂。由于化工冷凝液时有污染，冷凝液回收系统中离子交换树脂及活性炭通常每2 年更换1 次。

动力成本包括工业水、循环水、电、工艺空气、仪表空气等成本。其中，工业水因单价较高，成本占比最大，占动力总成本的85%，其次是电成本占比8%，循环水成本占比5%，工艺空气成本占比1%，仪表空气成本占比1%。工业水消耗量主要取决于来水水质及设备的自用水率，循环水消耗量主要取决于化工冷凝液来水温度及水量，耗电量主要取决于水泵的运行时间及启停频次，工艺空气消耗量主要取决于设备的反冲洗及再生频次，仪表空气消耗量主要取决于气动阀的开闭次数。

根据以上分析可知，影响脱盐水制水成本的主要因素是工业水、循环水和电的消耗量，次要因素是反渗透阻垢剂、液碱氢氧化钠消耗量，以及超滤膜元件、反渗透膜、树脂、活性炭的更换频次。

3 优化措施

3.1 降本增效措施

针对绩效考核体系制定有效措施，降低化学药剂及物料能源消耗，从而降低生产运行成本。通过定期检测及加装在线仪表，密切关注工业水的来水水质，特别是当上游装置出现生产波动及季节变化时，应合理优化超滤、反渗透的运行条件及辅助药剂的投加，减少来水水质波动对制水设备的影响，减轻膜污染，降低超滤、反渗透化学清洗的频次，从而减少清洗药剂的消耗、降低清洗水泵的启动频次，同时延长超滤、反渗透的使用寿命，降低设备更换、维护费用。采用氧化性杀菌剂连续投加及非氧化性杀菌剂冲击式投加相结合的方式，在抑制微生物繁殖的同时，将已产生抗药性的微生物杀除，有效遏制微生物对膜元件的侵蚀和污染[2]。针对超滤、反渗透装置膜污染，根据污染特征，制定高效、经济的化学清洗方案，采用分段、整体、离线、在线相结合的方式，对可逆污染进行深度处理，最大程度恢复膜元件的制水能力。密切关注机炉汽水系统中汽水品质，合理调整磷酸三钠、乙醛肟、氨水的加药量，在保证汽水品质的同时降低药剂的投加量。

反渗透运行工况对进水温度较为敏感，水温每降低1℃，反渗透产水电导会升高1～2μs/cm，同时产水量会降低2%～3%[3]。受季节性影响，工业水来水温度变化较大，应及时调整反渗透装置的进水温度，保持合适的产水量及脱盐率，在提高回收率的同时，降低出水水质对后续工艺离子交换床制水周期的影响，以收到更好的经济效益。根据化工凝液来水温度，及时调整循环水流量，防止温度太高对离子交换树脂造成的不可逆损伤。

加强透平冷凝液、工艺冷凝液来水水质监督，如来水电导、TOC、Fe2+、Fe3+、Cl-、油等指标超标，应及时将污染凝液排入地沟，及时联系化工装置将污染源切除，防止污染凝液对活性炭、离子交换树脂造成污染，延长活性炭过滤器及离子交换器的制水周期，减少再生频次，降低盐酸及氢氧化钠的消耗量，减少再生泵的启停次数，从而降低吨脱盐水电耗、药耗成本。同时，减少污染，延长滤料活性炭、离子交换树脂的使用寿命，减少滤料更换频次，降低冷凝液的回收成本。

合理优化运行操作，保持超滤、反渗透、离子交换、冷凝液回收各系统制水平衡，减少生水泵、清水泵、高压泵、除碳水泵、冷凝液回收水泵的启停频次。优化废水处理单元中废水中和池及废水缓冲池的液位控制，减少废水中和泵及废水排放泵的启停频次。同时，根据泵的额定出力，及时调整泵的出口阀，使其高效运行，从而降低吨脱盐水电耗成本。

合理优化再生时间，尽量选择阳离子交换器及阴离子交换器同步再生，减少再生废液酸碱中和时酸碱的耗量。离子交换器再生时，现场检查再生流量、浓度、温度、反洗分层及混脂效果，确保再生质量，延长离子交换器的制水周期。特别是要控制好碱再生液温度，在有效去除失效树脂中附着硅的同时，防止因温度太高而降低树脂的使用寿命。合理优化离子交换器再生步序，缩短离子交换器反洗分层、进再生液、置换、冲水正洗的时间，减少再生泵的运行时间，降低再生时自用水的消耗量。

中水回用，回收污水回用产水及高分盐产水替代部分工业水，减少新鲜水的耗量，降低吨脱盐水耗工业水量，从而降低制水成本。回收超滤装置反洗排水、反渗透装置冲洗排水、离子交换器反洗分层与正反洗排水，用于循环水补水、脱硫工艺用水、卸储煤装置用水，在节约用水的同时，还可减少装置废水外排量，降低污水处理负担，减少废水处理设备的投入、运行和维护费用。

全面发挥各单元成本费用管控工作的主观能动性，从能源、物料和化学药剂单耗出发，对标生产运行指标，优化工艺运行条件，做好成本费用预算管控规划，最大程度降低制水成本，实现利益的最大化。

3.2 经济性分析

脱盐水装置脱盐水单位成本为9.6 元/t 左右，其中单位固定成本为1.8 元/t 左右，单位变动成本为7.8 元/t 左右。回收污水回用产水及高分盐产水代替部分工业水，吨脱盐水耗工业水可由最初的1.41t/t 下降为1.35t/t，脱盐水单位变动成本可降低0.5 元/t。合理调整运行操作，减少离子交换器的再生频次及酸碱中和用量，吨脱盐水耗酸可由原来的0.15kg/t 下降为0.086kg/t，吨脱盐水耗碱可由原来的0.18kg/t 下降为0.1kg/t，脱盐水单位变动成本可降低0.15 元/t。合理优化运行操作，降低泵的启停频次，吨脱盐水耗电可由原来的1.2kWh/t 降低为1.06kWh/t，脱盐水单位变动成本可降低0.1 元/t。根据水质及时调整阻垢剂及非氧化杀菌剂用量，脱盐水单位变动成本可降低0.05元/t，其它化学药剂合计脱盐水单位变动成本可降低0.05 元/t。初步估计脱盐水单边变动成本可降低0.85 元/t，每天生产脱盐水约27000t，每天可节约成本2.3 万元左右，每月可节约成本69 万元左右，年节约成本828 万元左右。