海岛炼化一体化基地水资源利用探讨

海岛炼化一体化基地水资源利用探讨

王鑫

浙江德荣化工有限公司

摘 要：我国淡水资源的严重匮乏，随着海岛炼化一体化基地的日益增多，如何合理规划基地水资源利用尤为重要。本文以荣盛石化、恒力石化、南山集团、中石化集团布局的炼化一体化基地为切入点，从总图布置、水重复利用率、蒸汽用量、热联合衔接几方面，分析了如何降低海岛炼化一体化基地水资源用量，讨论了深挖内部潜力，利用回收生产装置低温热方式产水，提出了利用海上风电等绿色能源的新思路，结果表明可极大减少炼化一体化基地在当地水资源的用水，为炼化一体化基地的建设运行提供必要条件。

关键词：海岛、炼化一体化、水资源利用

引言

目前各大石化企业纷纷在沿海城市布局炼化一体化基地，包括荣盛石化浙江舟山鱼山岛4000万吨炼化一体化项目、恒力石化辽宁大连长兴岛2000万吨炼化一体化项目、南山集团山东龙口裕龙岛2000万吨炼化一体化项目、中石化福建古雷炼化一体化项目、中石化曹妃甸千万吨级炼油项目、中石化连云港一体化项目等等。

沿海城市大多寸土寸金，石化产业又属于“高温、高压、易燃、易爆”的高危产业。因此大部分沿海炼化一体化基地都布局在海岛或填海的半岛上。海岛（半岛）布置大型炼化一体化项目有着天然的优势，海洋运输借助天然航道进行，不受道路、轨道的限制，通过能力更强、运费低廉、载运量大、人员稀少、拆迁费用低等等。

但海岛布置大型炼化一体化项目也有天然的劣势。海岛上缺水少电，需要依托市政网络来解决。

用电问题除了项目自身发电以外，同时还利用城市电网，利用高压输送来解决，目前这个方法也比较成熟【1】。

淡水的问题就比较突出，由于炼化一体化基地用水量较大，单纯靠沿海城市的淡水资源来保证基地的用水量，对沿海城市是一个巨大的负担。因此如何把炼化一体化基地的水用好，至关重要。水的问题，通常采用开源节流的方式来解决。开源即如何利用最小的代价，取得更多的淡水；节流即在一体化项目中如何减少淡水的使用。

1 如何降低海岛炼化一体化基地水资源用量

要减少基地工业用水量，就要从基地整体规划初始之时开始把节水理念灌输到整个设计中去。从布局到装置设定，再从装置设定到装置设计，每一步都需要考虑如何节水、节能。

1.1 第一步，合理布置一体化基地总图

海岛/填海半岛陆地范围小，无法产生河流，海岛上土地寸土寸金，现有的土地大多作为装置用地。由于海岛/填海半岛周围均为海水，取水距离进，取水量大，50000立方米/小时循环水的海水冷却法循环水场占地4260平方米（详见图1），开式冷却法循环水场占地13320平方米（详见图2）。可见，同样冷量的海水冷却法循环水场要比开式冷却法占地小得多。同时，海水温度稳定，昼夜温差小，也有利于装置稳定生产。

海水冷却法与开式冷却法循环水场所用补充水量均为工业水（淡水），可以用以下公式进行计算：

式中：——循环冷却水补充水量（立方米/小时）;

      ——循环冷却水蒸发损失水量（立方米/小时）;

      ——循环冷却水排污水量（立方米/小时）;

      ——循环冷却水（冷却塔）风吹损失水量（立方米/小时）。【3】

由于海水冷却法中循环冷却水蒸发损失水量和循环冷却水（冷却塔）风吹损失水量均为0，因此可大大减少循环冷却水补充水量。

根据以上公式计算及循环水场的占地面积，在海岛/填海半岛炼化一体化基地设置同规模的循环水场，推荐使用海水冷却法。这样布置即减少了宝贵的陆地资源，又减少了工业水（淡水）用量，可谓是一石二鸟。

特别是要将空气分离装置、热电装置、煤焦制气制氢装置等循环水用量大的装置，布置到海边，并采用海水冷却法循环水场，可以大幅减少工业水（淡水）使用量和土地使用面积。【2】

图1：50000立方米/小时循环水的海水冷却法循环水场布置图

图2：50000立方米/小时循环水的开式冷却法循环水场布置图

1.2 第二步，提高水重复利用率，力争水重复利用率超过99%

海岛/填海半岛所用淡水，多为海水淡化而来，如何使淡水的利用最大化，这是每一个规划设计人员需要考虑的。

1）污水回用，将处理合格的污水，可使用超滤反渗透技术，提高中水回用率。同时原本外排的含盐废水，也可以进入海水淡化装置，进一步回收淡水。

2）淡水梯级利用。除了常规性的水资源梯级利用，还可将部分装置回收回来的淡水送到部分装置。例如将酸性水汽提装置净化水回用到常减压装置、加氢装置，回用率达到60%。也可以将加氢装置分馏塔顶冷凝水作为反应系统注水回用，减少除氧水用量。

3）最大限度回收利用凝液。各装置在设计之初就考虑凝结水实现集中回收，回收力争达到99%。同时在一体化系统中考虑分流回收，即高温凝结水和低温凝结水分开回收。高温凝结水的热量可用于加热热电动力中心的脱盐水，从而节省蒸汽。

4）提高开式循环水的浓缩倍数。开式循环水场采用优质再生水补水（海水淡化装置产生的工业水），控制循环水中的氯离子、硫酸根、硅酸根等含量，严格控制循环水水质，能使开式循环水平均浓缩倍数达到8.0~10.0，超过国家标准《GB/T 50746-2012 石油化工循环水场设计规范》6.1.7条，“炼油企业不应小于3.0；化工企业不应小于4.0”

【3】。

5）最大化利用雨水。沿海地区的降雨较多，如果不加以利用，会白白流到海里，因此，在雨水检测池附近设置回收雨水设施，可将清净雨水进行集中收集，通过气浮微滤等方式进行处理后，送至附近开式循环水站进行补水，来替代部分工业水。

1.3 第三步，减少蒸汽用量

在煤焦制气装置区另设置一处余热回收设施，利用变换装置产生的余热约101.2兆瓦/小时，替代蒸汽来加热全厂各除氧给水装置所需补充除盐水，预计加热除盐水约2100吨/小时（从脱盐水站送来的除盐水25℃先与炼化装置工艺凝液换热，被加热到45℃，再由煤焦制气装置变换余热加热到约86℃），再送至炼化区各区除氧器加工成除氧水，以减少除氧用汽量，从而减少全厂蒸汽用量。

1.4 第四步，装置间采用热联合衔接，从而减少循环水的使用

一般的石化设计，都是设计院按照工艺包来设计，进出料的温度也是按照工艺包提供的设计条件进行设计，而工艺包只考虑本装置的情况，默认进料是常温，出料也是常温，并不从全厂热平衡考虑。这就导致前面进料需要用热水或蒸汽来加热，后面出料需要循环水来撤热。即使在装置内充分开展热能的高低阶梯利用，也是大象在小笼子里跳舞，施展不开。

我们从一体化基地能量综合利用的角度，充分回收装置产出的剩余热量。应用全装置能量利用系统分析技术，优化装置的换热网络；利用装置之间的热联合特点，产品均采用热出料，减少周转，尽最大限度利用各生产装置的热能和动能，避免物料在上游装置冷却而在下游装置加热的情况，降低产品换热损失和再加热的燃料消耗，有利于全基地的节能降耗。

这里尤其要提到炼油生产装置，运行温度普遍高于化工生产装置。一体化基地采用热供料方式设计，可以大大减少生产装置使用的循环水，从而减少循环水所补充的生产淡水。

炼油生产装置主要热供料及供料温度如下，可供参考：

表1 炼油区热联合装置及供料温度

以上四步，只是初步将节水理念灌输到基地总体设计之中，特别是装置间采用热联合衔接，因为各装置设计院并不考虑其它装置及基地整体的设计，需要主要建设单位和石化基地总体设计院做大量的工作。由于各大炼化一体化基地，设置的化工装置有很多不同，这里就不一一举例了，但在总体设计时，应考虑配套化工装置的热力平衡问题，即使该装置分属不同的公司，也应该一并统筹考虑。

2 利用回收生产装置低温热方式，深挖内部潜力，产出淡水

低温热能是指品位相对较低的热能，一般温度低于200℃，很难产出蒸汽，利用方式有限。一般情况，低温热都通过循环冷却水或空冷进行撤热，无论是循环冷却时还是空冷，都消耗大量的电能。特别是开始循环水，还消耗大量的生产水。而生产水都是从海水淡化而来。石油化工装置里有大量的低温热产出，采用冷却的方式处理低温热，既不经济也不节能。这样，我们如何利用这大量的低温热至关重要。

在我们规划设计一体化基地时，根据低温余热的利用特点以及项目的情况，确定以下利用原则：

1）优化工艺装置换热流程，尽量少产低温余热；

2）低温余热回收与利用必须经济合理、运行可靠；

3）温位为85℃～160℃之间的热源可作为低温余热进行回收；

4）低温热水回水温度按75℃设计，低温热水出装置温度可按95℃设计；

5）将芳烃抽提装置和歧化装置内部大量空冷改为热媒水冷却，为低温余热的供出提供热源。

一体化基地根据实际情况，可设置多个余热回收站，具体如下：

表2 设置余热回收站点方案一览表

炼化基地设计采用对二甲苯装置低温位热源用于热法海水淡化装置的方式，采用低温多效蒸馏（Low-temperature multi-effect distillation）技术，设置15套热法海淡设施，热法海水淡化规模可达到30.5万吨/天，使得热法海淡制水成本仅为3.8元/吨，极大幅度节约了蒸汽消耗，每年可为企业降低成本10余亿元。低温多效蒸馏技术是在单效蒸馏的基础上发展起来的，又叫多效蒸发，其历史可追溯到制糖业兴起时对糖液的浓缩。主要原理就是将蒸馏产生的二次热水作为加热热源来对下一效溶液进行加热。使蒸发所耗的热能充分得到再利用，以降低能耗。流程示意图见图3.

图3：低温多效海水淡化流程示意图

海水经冷凝器预热后，被分布在各效的传热管上，吸收管内蒸汽的潜热而蒸发，管内蒸汽被冷凝成淡水，管外蒸发得到的二次热水进入下一效传热管被冷凝，而浓缩海水则被排出，后一效的蒸发温度均低于前一效，因此一定量的热水输入通过多次蒸发和冷凝，得到多倍于输入蒸汽量的蒸馏水。低温多效蒸馏可以用水平管，也可以是垂直管，蒸汽的冷凝和海水的蒸发分别在传热表面的两侧。低温多效装置中蒸发器效数的选择受进料海水温度、效间温差和最高蒸发温度的限制，通常设计为8～16效，这可以保证系统有较高的造水比（每吨生热水可生产的产品水吨数）。低温多效过程操作温度较低，一定程度上减缓了设备的腐蚀及结垢问题，而且也使得使用廉价传热材料成为可能，同样的投资规模下可以安排更多的传热面积，大大提高系统的经济性。【4】

这种方式可以稳定产出工业水（淡水），同时工业水（淡水）的品质较高，可以直接用作生产水、循环水补水等，同时也可以作为脱盐水的前置水，可作为炼化一体化基地的主力用水。

3 利用海上风电等绿色能源，开发能量源头，产出淡水

海上风力资源丰富，风电属于绿色能源，但是由于风电的不稳定性，弃电较多。可以在非航道地区设置海上风力发电机，利用海上风电，配合膜法海水淡化装置，可生产出大量淡水。海上风电目前在我国沿海区域比较成熟，比如东海大桥10万千瓦风电场项目、大唐海南儋州120万千瓦海上风电项目、申能海南CZ2海上风电示范项目等等。当然，如当地日照时间长，太阳能资源丰富，也可以利用建筑物房顶，设置太阳能发电，来配合风电、膜法海水淡化装置产出淡水。

虽然电力不易储存，但淡水可以很方便的储存，可在适当地方建设储水罐、储水池、淡水湖、环岛人工河道等各种储水设施，储存淡水。产出的淡水水质也无需很高，达到一般淡水即可。一般淡水可作为基础水源来使用，无论是绿化、冲洗、消防、生产水前置等，都可以使用。

4 结论与建议

综上所述，炼化一体化基地用水量大，又建设在远离城市的村镇，或人烟稀少的海岛、半岛，对当地水资源影响巨大。如何开源节流的利用好水资源，除了传统的水资源阶梯利用外，还要从整体布局、装置规划设定、装置设计进行节流，同时利用炼化一体化基地的余热以及社会绿色能源，开发各种难以利用的能源，向大海要淡水。然后再利用合理储存淡水的方式，可极大减少炼化一体化基地在当地水资源的用水，为炼化一体化基地的建设运行提供必要条件。

参考文献：

[1] 胡永庆 等 大型炼化一体化项目供电系统的优化 第八届全国石油和化学工业电气技术年会论文集

[2] 唐峰 等 某炼化项目冷却水系统技术经济比较[J]. 工业用水与废水，2018,49（5）：63-66.

[3] GB/T 50746-2012 石油化工循环水场设计规范

[4] 尹建华，吕庆春，阮国岭，低温多效蒸馏海水淡化技术.海洋技术，2002

撰写日期：2022-09

1