煤化工項目廢水零排放及含鹽廢水處理技術經(jīng)濟分析

水處理網(wǎng)訊:摘要：含鹽廢水處理和回用是煤化工廢水真正"零排放"的關鍵.通過含鹽廢水特性分析,系統(tǒng)梳理了8條實現(xiàn)廢水"零排放"的工藝技術組合路線.在設定的基準情景下,測算和對比分析了各條工藝技術路線的投資、運行成本和節(jié)水情況,并進行了運行成本的敏感性分析.研究提出在達到水耗指標情況下,機械強化蒸發(fā)塘工藝路線的總成本費用最低;高效反滲透+MVR結晶以及電滲析+多效蒸發(fā)結晶工藝技術總成本費用次之,且隨著未來技術進步,其能耗和總費用成本將會大幅下降.最后,提出了廢水零排放與全廠系統(tǒng)協(xié)調(diào),高濃鹽水零排放政策支持等相關建議,以實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益與社會環(huán)保效果的協(xié)調(diào)發(fā)展.

2017年2月，現(xiàn)代煤化工行業(yè)第一個國家級專項規(guī)劃《煤炭深加工產(chǎn)業(yè)示范“十三五”規(guī)劃》正式發(fā)布，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)定位逐步明確，是國家能源戰(zhàn)略技術儲備和產(chǎn)能儲備的需要，是推進煤炭清潔高效利用和保障國家能源安全的重要舉措[1]。“十三五”時期，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位于“升級示范”，廢水深度處理及回用是煤化工產(chǎn)業(yè)升級示范的重點內(nèi)容。大部分建成和規(guī)劃建設的現(xiàn)代煤化工項目都布局在煤炭資源豐富、水資源相對短缺的中西部地區(qū)，受水資源短缺及缺乏納污水體的限制，煤化工項目廢水“零排放”成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然選擇。

1 煤化工廢水零排放的意義

“十一五”時期我國先后建成多個現(xiàn)代煤化工首批示范工程，基本實現(xiàn)了工藝流程貫通、產(chǎn)出合格產(chǎn)品的目標，但在水系統(tǒng)優(yōu)化、廢水處理等方面仍有諸多不足。當前，新建項目如按首批示范工程水耗設計，大多難以滿足行業(yè)最新水耗標準要求，需通過諸如循環(huán)水冷卻系統(tǒng)改造、

廢水高效處理和回用的“零排放”等方式來降低系統(tǒng)水耗。廢水“零排放”對于煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義，一是通過先進水處理技術研發(fā)和應用，實現(xiàn)廢液不外排，最大限度減少項目對周圍環(huán)境的影響，滿足環(huán)保要求;二是通過水處理過程的再生水回用，減少新鮮水用量，提高用水效率、降低項目水耗，最大限度利用水資源。

煤化工廢水包括有機廢水和含鹽廢水，廢水“零排放”是將項目生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的所有有機廢水和含鹽廢水進行處理和回用，實現(xiàn)任何廢液不外排的過程。有機廢水主要產(chǎn)生于煤炭轉化工藝過程，其中氣化工藝所產(chǎn)廢水占比超過60%，具有COD和氨氮濃度高的特點，目前處理技術較為成熟，通過生化處理可以有效降低其有機物含量，實現(xiàn)再生水回用。含鹽廢水主要來源于循環(huán)水系統(tǒng)排污水、除鹽水站排污水、工藝廢水處理系統(tǒng)排水以及鍋爐排水等，具有TDS和懸浮固體含量高的特點，含鹽廢水經(jīng)過一般膜濃縮處理，可實現(xiàn)70%以上的再生水回用，但占比在20%~30%的濃鹽水如何低成本處理和結晶固化是當前水處理系統(tǒng)的瓶頸。所以，濃鹽水的“零排放”是真正實現(xiàn)煤化工項目廢水“零排放”的關鍵環(huán)節(jié)。

2 煤化工含鹽廢水特性分析

2.1 廢水鹽分來源

煤化工含鹽廢水中鹽種類較多，如鈣鹽、鎂鹽、氯化物、硝酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽等。隨著煤化工用水量的增大以及循環(huán)使用倍率的增加，含鹽廢水規(guī)模和鹽分濃度都會逐步提高，如果不及時處理，容易產(chǎn)生結垢堵塞、腐蝕裝備等嚴重問題。

含鹽廢水的鹽分主要來源于兩大部分，一是工業(yè)原水帶入的鹽，經(jīng)過循環(huán)系統(tǒng)濃縮以及除鹽水系統(tǒng)分離而實現(xiàn)鹽分富集，其占比超過整個系統(tǒng)鹽量的1/2以上;二是生產(chǎn)過程和水系統(tǒng)添加化學藥劑所產(chǎn)生的鹽，占總量的1/3以上。減少煤化工項目含鹽廢水處理規(guī)模和投資，需要在源頭上控制鹽分進入。選用優(yōu)質(zhì)水源點，減少高含鹽原水使用，是煤化工項目的重要前期手段。以黃河水為例，全流域的TDS 均值為453mg/L，且呈現(xiàn)自上游到下游逐步增高的趨勢，部分上游流域段的實際取水中的TDS 較高，需要統(tǒng)籌計劃工業(yè)用水。同時，通過優(yōu)化確定合理的循環(huán)倍率和加藥方式，可以有效控制人為添加的鹽量，進而減少后續(xù)處理壓力。

2.2 含鹽廢水的水質(zhì)

煤化工生產(chǎn)過程中，含鹽廢水主要來自有機廢水生化處理后出水以及循環(huán)水系統(tǒng)、除鹽水系統(tǒng)、鍋爐排出的清凈下水。據(jù)統(tǒng)計，達標煤氣化廢水中的TDS為1000~1500 mg/L，循環(huán)排污水TDS 為1800~2600mg/L、除鹽水系統(tǒng)排水TDS為2500~3500mg/L。

理論上， 有機廢水經(jīng)生化處理后， 可以100% 進入后續(xù)含鹽廢水膜處理裝置進行深度處理。循環(huán)水系統(tǒng)、除鹽水系統(tǒng)、鍋爐排水等達到一定的循環(huán)倍率和污水濃度，則需要直接排入到含鹽廢水處理系統(tǒng)統(tǒng)一處理。以新疆某大型煤制烯烴項目為例，含鹽廢水處理單元進水水質(zhì)指標見下表1。總體來說，進入含鹽廢水處理單元的污水，具有含鹽量較高、硬度較大、有機物含量低的特點，經(jīng)過初步預處理后，可進入膜處理單元進一步濃縮。

3 煤化工含鹽廢水處理技術路線分析

3.1 基于處理回用的含鹽廢水“零排放”處理技術路線

含鹽廢水一般富集了除鹽水、循環(huán)水、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)排水以及鍋爐排水等多股水流。含鹽廢水如直接進入蒸發(fā)結晶環(huán)節(jié)，會大幅增加蒸發(fā)結晶系統(tǒng)的投資和能耗;同樣，如果只追求降低蒸發(fā)結晶的能耗和投資，則在初步處理階段和濃鹽水處理階段的膜濃縮和設備處理規(guī)模及負荷都會大幅增加。所以，目前一般采用(初步處理+ 濃縮+ 蒸發(fā)結晶)的方式，先將含鹽廢水濃縮，然后進入蒸發(fā)結晶環(huán)節(jié)。整個處理過程需進行統(tǒng)籌優(yōu)化，以實現(xiàn)投資規(guī)模、能耗最佳。其主要工藝流程如下圖1所示。

初步處理多采用反滲透處理工藝。由于廢水水量大，現(xiàn)在新建煤化工項目都設置本環(huán)節(jié)進行廢水回用。在處理前，為了降低廢水硬度和減少微生物滋生，需對含鹽廢水進行藥劑軟化和殺菌;然后進入(超濾+ 反滲透)工藝環(huán)節(jié)，處理后的濃鹽水出水TDS 一般可達到10000mg/L。含鹽廢水經(jīng)初步處理可實現(xiàn)65%~75%廢水回用，送至循環(huán)水站，或作為脫鹽水站、其他工業(yè)原水補水。

若濃鹽水水量依然較大，需進一步濃縮，主要工藝技術有高效反滲透(HERO)、正滲透(FO)、電滲析(ED)、納濾膜濃縮、震動膜濃縮等工藝技術。濃鹽水經(jīng)膜處理后一般可再回用70%~80%，濃縮后的高濃鹽水TDS一般在60000mg/L 以上。

高濃鹽水已不適宜膜濃縮，蒸發(fā)結晶成為主要途徑，主要工藝有機械蒸汽再壓縮循環(huán)蒸發(fā)(MVR)、低溫多效蒸發(fā)濃縮(MED)、多效閃蒸(MSF)等。如大唐多倫煤制烯烴項目建有(MVR+機械壓縮降膜結晶)工藝系統(tǒng)，伊犁新天煤制天然氣項目建有反滲透后濃鹽水多效蒸發(fā)工藝系統(tǒng)，神華煤直接液化項目建有反滲透后濃鹽水進入蒸發(fā)器和蒸發(fā)塘工藝系統(tǒng)。高濃鹽水蒸發(fā)結晶是煤化工廢水“零排放”的關鍵環(huán)節(jié)，當前主流工藝技術大多由國外專利商掌握，處理過程復雜、投資規(guī)模大、能耗和成本較高。

總體來說，煤化工含鹽廢水濃縮、蒸發(fā)和結晶的工藝技術大部分仍處于試驗和工程示范階段，在運行穩(wěn)定性、規(guī)模化應用及工作效率等方面尚需進一步提高。

3.2 基于污水處理的含鹽廢水“零排放”處理技術路線

煤化工項目大多位于氣候干燥、蒸發(fā)量大的西北地區(qū)，具有建設蒸發(fā)塘的先天自然優(yōu)勢和地域條件。蒸發(fā)塘需要做好雨水分離、防滲防腐措施。經(jīng)過初步處理的濃鹽水經(jīng)過管道輸送到蒸發(fā)塘，進行自然蒸發(fā)結晶或機械強化蒸發(fā)結晶，工藝流程見圖2。國內(nèi)首先使用蒸發(fā)塘的大型現(xiàn)代煤化工工程主要有神華煤直接液化項目、大唐克旗煤制天然氣項目等。

自然蒸發(fā)塘設計規(guī)模與區(qū)域平均蒸發(fā)量、降水量以及廢水排入量等直接相關，在工藝上需要設置調(diào)節(jié)池、蒸發(fā)池、濃縮池和結晶池，所以一般占地面積較大。在具體工程實踐中，由于設計和實際運行的差異，出現(xiàn)了大量濃鹽水堆積而不能外排的環(huán)保困境。

機械強制蒸發(fā)技術是對傳統(tǒng)自然蒸發(fā)的改進，通過增加機械霧化蒸發(fā)器，提高了空氣流速及與廢水的接觸面積，進而加快蒸發(fā)進程。通過機械強制蒸發(fā)，可以大幅減少占地面積，但會增加系統(tǒng)能耗，如蒸發(fā)1t水的能耗為0.3~1.5t蒸汽。

蒸發(fā)塘工藝可以實現(xiàn)廢水的“零排放”，具有廢水處理成本低的優(yōu)點，但由于后續(xù)廢水通過空氣蒸發(fā)全部進入大氣，無法實現(xiàn)回用，未實現(xiàn)水資源的充分利用。

4 煤化工含鹽廢水處理技術經(jīng)濟對比分析

目前，國內(nèi)學者在煤化工項目含鹽廢水處理的工藝技術流程方面的研究較多，也有對不同含鹽廢水“零排放”進行綜合對比研究，但從技術經(jīng)濟視角分析研究較少。本文不對各項技術的成熟度以及工程運行穩(wěn)定性等進行分析，而是結合可參考的試驗和工程數(shù)據(jù)進行對比分析。

4.1 對比分析基準

同一項目的含鹽廢水來源較為穩(wěn)定，大多數(shù)的煤化工項目都會針對流量較大的含鹽廢水進行初步處理，而對產(chǎn)生的濃鹽水，由于后續(xù)處理成本較高、工藝技術復雜，一般都會結合項目實際選取不同的處理路線。

本文以實現(xiàn)“零排放”為目的，以含鹽廢水經(jīng)初步處理后的TDS濃度在6000mg/L 以上的濃鹽水為進水水質(zhì)邊界，結合工程實際，選取50m3/h 濃鹽水為對象，進行8 條工藝路線的技術經(jīng)濟對比分析，見表2。

4.2 不同工藝技術經(jīng)濟指標對比分析

4.2.1 投資與成本費用參數(shù)

投資主要包括設備費用、工藝占地土地出讓費以及其它，扣除節(jié)省的水權轉讓費;其中：設備費用參考相關論文數(shù)據(jù);結合地區(qū)實際情況，水權轉讓費按15元/t、土地出讓費按400元/m2計算。運行成本主要包括運行電費、添加藥劑費用、人工及其他費用等，扣除節(jié)省的新鮮水費;其中關于成本、能耗等參考了相關論文數(shù)據(jù)，新鮮水價按5元/t、電價按0.5元/t 計算。

4.2.2 經(jīng)濟指標對比分析

不同工藝技術路線都可實現(xiàn)“零排放”目的，但主要技術經(jīng)濟指標存在較大差別，投資和運行成本及相關指標具體見表2。

可以看出，蒸發(fā)塘方式的一次投資較大、年運行成本最低，但其濃鹽水處理不會產(chǎn)生回用水。在濃鹽水回用結晶處理方式下，含MVR工藝路線的直接投資高于MED，各工藝的運行成本相差不大，都可實現(xiàn)90%以上的回用水率。

4.3 基于總成本費用最小的工藝技術路線選擇

不同濃鹽水處理工藝技術在投資、運行成本等方面存在差別，從整個系統(tǒng)全周期角度看，選擇總成本費用最小的濃鹽水處理系統(tǒng)是提高煤化工項目經(jīng)濟效益和競爭力的重要手段。濃鹽水處理系統(tǒng)總成本費用最小化模型：

以一般煤化工項目財務評價計入期20年為基準，測算得出不同濃鹽水處理系統(tǒng)的全過程總成本費用，分列如圖3。

可以看出，在設定的邊界與參數(shù)條件下，機械強化蒸發(fā)結晶與(電滲析+ 反滲透+ 多效蒸發(fā)結晶)工藝的總成本費用最低，而自然蒸發(fā)結晶總成本費用最高，其他5個工藝技術總成本費用基本相當。但考慮到節(jié)水和項目水耗指標的約束，前6個工藝技術節(jié)省36~38萬t/a的回用水補水，對于降低煤化工項目水耗指標具有較大意義。

4.4 敏感性分析

含鹽廢水的處理過程中，濃縮環(huán)節(jié)和蒸發(fā)結晶環(huán)節(jié)對投資影響較大，而其技術的進步對降低系統(tǒng)能耗和運行成本具有直接推動作用。所以，本文選取最能反映各項工藝技術進步的運行成本作為敏感性分析影響因子進行研究，由于自然蒸發(fā)結晶工藝總成本費用過高，本文僅對其余7個工藝技術進行分析，具體見圖4。

通過敏感性分析可以看出，當運行成本降低10%時，EDRO-MED-結晶總成本費用降低到與機械強化蒸發(fā)結晶相當，約為8100萬元;降低20%~30%時，EDRO-MED-結晶工藝技術的經(jīng)濟優(yōu)勢最為明顯，同時，F(xiàn)O-MED-結晶工藝技術總成本費用降到EDRO-MVR-結晶工藝技術之下。隨著成本的降低，HERO-MED-結晶和HEROMVR-結晶工藝技術的總成本費用降幅較大，體現(xiàn)出較大的成本費用節(jié)約潛力。

5 結論與建議

(1)含鹽廢水“零排放”處理是實現(xiàn)煤化工項目“零排放”的瓶頸，目前大部分處理工藝技術尚處于試驗示范階段，投資、成本、能耗過高是重要制約因素。加大技術研發(fā)，降低工藝技術投資和能耗及運行成本是未來濃鹽水深度處理的關鍵。

(2)在設定的邊界情景下，機械強化蒸發(fā)結晶工藝技術的總成本費用最低，具有較大推廣潛力，但其對項目產(chǎn)生的含鹽廢水的25%水量未實現(xiàn)回收利用，對于水資源約束大、水耗指標要求嚴苛的煤化工項目，可能難以滿足行業(yè)門檻要求。高效反滲透+MVR結晶以及電滲析+ 多效蒸發(fā)結晶工藝技術總成本費用次之，且隨著未來技術進步，其能耗和總費用成本將會大幅下降，具有較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

(3)煤化工項目廢水“零排放”不是獨立系統(tǒng)，在改造項目方案制定、新建項目設計過程中，要統(tǒng)籌與主體工藝過程、投資效益、能耗和水耗標準、回用水調(diào)度、全廠水系統(tǒng)平衡等之間的關系，確保主體生產(chǎn)穩(wěn)定、系統(tǒng)效益最佳、環(huán)保風險可控。

(4)煤化工項目含鹽廢水的處理成本遠高于節(jié)水的直接效益，如神華煤直接液化項目的含鹽廢水處理成本高達54元/t，影響了企業(yè)廢水深度處理的積極性。當前，高濃鹽水“零排放”處理工藝技術尚處于工程試驗或示范階段，在持續(xù)加強技術研發(fā)和工藝優(yōu)化的同時，需要國家相關主管部門加強細化政策調(diào)控和支持，健全精細化獎懲制度，以實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益與社會環(huán)保效果的協(xié)調(diào)發(fā)展。