降低化工产品循环水消耗措施研究

时间：2024-08-31

（天津渤化永利化工股份有限公司，天津300402）

以循环水为冷却介质进行换热，不仅可以使热介质温度降至较低，而且工况稳定，操作简便，故循环水作为冷却介质，广泛应用于化工领域，且在产品物料消耗中占有较大比例。当今，水资源匮乏问题日益突出，也使得循环水系统的维护和运行成本不断上升，降低化工产品循环水消耗受到广泛而深入的研究，并取得显著成效，本文简要介绍相关措施及其应用现状。

1 采用替代冷却介质

空气广泛存在于自然环境之中，对于湿度低、常年气温偏低、水资源缺乏、水电费较高的地区，以空气代替水对热介质进行降温是较理想的选择，但受空气温度及设备换热面积影响，空气冷却器降温能力有限，不适合与温度较低的热介质进行换热。此外，尽管近年来空气冷却器不断改进，但其一次性投入费用高，现场噪音大，调节频繁，对电机要求高等劣势仍在一定程度上限制其应用。王斌[1]通过核算在原有焦炉煤气制甲醇系统新增循环水设备和空冷设施两种方案的总运行费用，得出新增空冷设施方案运行费用较低的结论。由此可知，对于水费、排污费较高的地区，以空冷代替水冷能够显著降低循环水用量，增加经济运行效益。研究也表明，随着空冷技术日趋成熟，空冷及空冷串联水冷的冷却方式或可得到更广泛的应用。除空气外，采用其它介质亦可实现循环水的替代，如热泵精馏技术即是通过工质气液相转化吸放热来实现传热，该技术已成功实现工业化，节能效益可观，但一次性投资较大，且由于系统内部耦合加重，操作难度增大，大范围推广需进一步优化改进。但综合考虑设备投资及操作成本等，热泵精馏可实现较大节约，工业应用前景广阔[2]。

2 优化能量网络

循环水换热既涉及到循环水消耗问题，同时也包含能量交换问题。因此，能量网络优化对降低循环水消耗同样具有重要意义，且以能量夹点技术最具代表性。能量夹点技术最早由Linhoff教授于1978年提出，经过数年的发展与完善，已经与ASPENPLUS等计算机软件充分结合，并成熟的应用于化工设计和改造之中，节能效果受到广泛认可。该技术从系统用能角度出发，在合理分析冷热工艺物流性质的基础之上，通过绘制冷热物流组合温焓曲线确定出夹点位置，将夹点之上定义为热阱部分，且仅向该部分物流输入热能，将夹点之下定义为热源，仅对热源部分采用公用工程进行降温，不允许发生跨越夹点的传热。该技术已在石化领域获得广泛应用，且节约投资和操作费用效益显著[3]。

3 加强控制管理

化工生产过程中，装置负荷波动、室温变化、循环水系统温度及压力波动都将对换热设备的循环水用量产生较大影响，尽管部分工艺对热介质温度要求严格，循环水量基本可实现自动调控，但多数工艺对热介质温度无严格要求，甚至温度越低越好，极易发生循环水过量消耗问题，以我公司某次循环水调控为例，由于部分装置停车后关闭循环水阀门，导致循环水管网压力升高，运行装置的循环水量较此前上涨近4%，系统进出口循环水温差显著降低，此种情况若不及时监测调控，极易导致循环水消耗上涨。因此，生产管理精细化水平提高对降低循环水消耗至关重要。近年来，电气和仪表专业通过不断完善控制系统，从泵站、阀门与管网、终端冷却设备和冷却塔四部分出发，不断优化循环水系统，减少了管网较大的阻尼工作点，实现了实时调控供水量、水泵运行台数和效率以及冷却塔投用数量等参数，大大降低了循环水用量及能耗。当前应用较广泛的WECS技术，通过对各单元进行优化控制，采用智慧阀门，对循环水换热系统运行参数进行精确采集，并对主要耗能设备效率及能耗分析进行诊断优化，综合节能率可达到30%～60%。此外，水轮机改造、循环水泵叶轮切削优化、变频技术、闭路循环水系统应用、亚音频波处理工业冷却水技术、冷却塔水蒸气回收技术等循环水系统节能优化技术均得到较大发展，极大的加强了循环水控制管理的操作空间，对降低产品循环水消耗具有重要意义[4～6]。

4 维护换热设备

换热器的传热效率是决定循环水消耗的主要因素，化工生产中的循环水换热器以间壁式换热器为主，换热量与换热面积和传热系数成正比。经过数年的优化改进，换热器通常都具有较大的传热面积，且传热过程也得到有效强化，但由于循环水系统存在较普遍的结垢问题，加之生产过程中热介质侧也可能存在代入粉尘、生成蜡等增加换热器热阻的情况，必将大大增加循环水的消耗。如我厂甲醇合成催化剂处于末期时，为保证生产条件，进入高压分离器前的水冷器循环水量较前期用量上升超过1000t/h，使得甲醇产品循环水消耗显著上升。因此，各单位在做好换热设备循环水温差监测的同时，一方面，可选用涂料及涂装工艺较先进的耐腐蚀结垢换热器；另一方面，需定期清洗换热器，必要时可根据生产情况采取在线煮蜡等措施清洗换热器。此外，由于多数换热器易发生腐蚀问题，不仅影响水质，甚至还会出现泄漏，严重影响生产，因此，在生产管理中要及时检修甚至淘汰故障换热设备，检修时采用先进科学的焊接工艺，最大程度减轻设备结垢及腐蚀泄漏问题，延长换热器使用寿命[7,8]。

5 严控水质指标

随着节水意识的增强，各单位着力降低污水排放，不断刷新循环水的浓缩倍数记录，资料显示，有单位循环水近零排放后循环水的浓缩倍数可提高至8[9]。尽管较高的浓缩倍数能减少用水量，但循环水中的固体微粒、生物污垢、无机盐等组分也将增加，易粘附在换热器或冷却水管线表面形成水垢，甚至形成腐蚀电池或生物腐蚀，引起严重的垢下腐蚀，直接影响换热效果。这就要求技术人员通过科学控制补水和加药来维持适宜的循环水水质。一方面要加强补充水水质、水温、流速等参数的控制，另一方面需除去水中的溶解氧并降低氯离子，使用合适的缓蚀阻垢剂与杀菌剂来控制循环水的硬度、总碱度、pH值、总磷等运行指标，及时通过杀菌清洗剥离粘泥，确保循环水水质合格，最大程度降低换热器或冷却水管线结垢，确保换热效果，进而节约循环水用量[10]。