节水减排是化工炼油企业的头等大事
□中国系统工程学会过程系统工程专业委员会副主任   杨友麒
　　一、水已成为化工炼油行业可持续发展的战略资源
　　我国是一个水资源短缺的国家。按2004年人口计算，我国人均水资源拥有量只有2185m3，不足世界人均水平
的1/4，是世界上13个主要缺水国家之一。而且资源分布不均匀，从东南向西北递减。长江以北广大地区人口占
全国人口的46%，但水资源只有全国的19%。这就造成我国400多个城市供水不足，其中严重缺水的城市110座。
以北京为例，人均水资源只有300m3，又为全国平均水平的1/7，仅为世界人均水平的1/30。如果到21世纪中叶，
我国人口达到15亿～16亿峰值时，人均水资源拥有量将减少到1750m3左右，届时全国的大部分地区将面临严重
缺水的局面。
　　除资源性缺水之外，结构性和水质性缺水也是我国水资源利用较为突出的问题。从世界范围看，由于工业发展
迅速，排放的污水已使可供人类使用的1/3的淡水资源受到污染，约20%的人口缺乏安全饮用水。我国也不例外，
全国700余条大、中河流近1/2受到污染，78%的城市河道不宜作饮用水源，50%的城市地下水已受到污染。
　　在这种形势下，许多地方政府已明确了“与本地区水资源承载能力相协调的经济结构体系”的发展规划思想，
从“以需水能力定供水能力”的模式转变成“以供水能力定经济结构”的发展模式。以北京为首的许多地方早就明
确了“增产不增水”的政策，即所有石油化工企业增产扩建装置的同时，不允许用水指标增加。2000年国家经贸
委就规定，虽然国民经济年增长幅度达9%～10%，但是为了保证经济与资源环境协调发展，全国工业取水量的年均
增长率要控制在1.2%以下。“十一五”规划中8个约束性指标里就有1个“万元工业增加值取水量下降30%”的硬
指标。
　　正是在这样的背景下，7月1日胡锦涛总书记在视察青海中石油格尔木炼油厂时，做出了重要指示:“一定要
注意节约用水，搞好循环利用，要提高水资源的利用效率。”可见，如何进一步提高水资源利用效率已成为摆在所
有炼油化工企业面前的头等大事。
　　二、浪费严重  节水减排大有可为
    虽然水已经成为我国宝贵的战略资源，但是人们的认识还远远不够，浪费现象十分严重，用水效率总体水平较
低。我国工业用水占总用水量的22%，但用水效率与国际先进水平相差悬殊。2005年我国每万元工业增加值取水量
为357m3，约为日本的18倍，美国的22倍；工业用水重复利用率约53%，远低于发达国家75%的水平。此外，工
业污水排放量大，污染严重，排放的污水量占全国污水排放总量的49%左右，绝大多数有毒有害物质随工业污水排
入水体，致使许多城镇的饮用水源受到了不同程度的污染，部分水源被迫弃用，加剧了水资源的短缺。
　　当前我国化工、石化企业一方面供水不足问题日趋严重，除长江沿岸地区供水状况较好外，其他地区企业均存
在不同程度的供水不足现象，特别是西北地区和沿海地区正面临严重供水不足；另一方面，我国化工、石化行业水
资源利用率低，节水减排有很大潜力（2004年我国炼油厂和化工企业的耗水及排污状况见表1和表2）。我国化工
行业每吨化学品的耗水量为国际先进水平的2～4倍，生产1t乙烯的耗水量相当于日本或美国的3～6倍；2005年
合成氨行业吨氨耗水平均高达58m3/t，是国际先进水平的5倍。这是因我国中小氮肥厂产量占总产量的50%以上，
虽然近两年大力推广“两水闭路循环”、“两水零排放”等技术，但水耗指标仍然较高。在污水排放量方面，我国每
加工1吨原油的排污水量是国际先进水平的5～6倍。

　　　　　　表1   2004年我国炼油厂耗水及排污水现况          m3/t
　　指标类型               中石化      中石油     “十一五”指标     国际水平
　　吨油新鲜水消耗           1.16    1.26           1.00           0.50
　　吨油排污水            0.91     —           0.80           0.15
　　
             表2   2004年我国化工企业耗水及排污水现况        m3/t
                                                  合   成   氨
    化工行业              乙烯       全行业平均*       大氮肥**
     吨产品新鲜水消耗         6.09          58.0        12～25
     国际先进水平          1.58                      10
     吨产品排污水           —           —       3.0～6.0
     国际先进水平           —           —          2.0
　     注： *  2005年的统计数据；
　 　       ** 大氮肥水耗指标：气头平均为 18.5m3/t；油头为23m3/t；煤头为35m3/t。

　　三、节水减排的三步实施策略
　　我国许多石化企业的供排水和水处理等公用工程都是随着生产装置的新建和扩建而逐步建成的，即没有整体规
划，更说不上是优化。往往存在小而全、重复建设等现象，计量仪表不全，甚至管网几经改造，企业自己都缺乏完
整确切的图纸。可以说，水系统的管理停留在比较粗放的水平，远远落后于工艺装置的水平。
　　面对这种现实，虽然我们的节水减排有很大潜力，但如何才能有计划、有步骤地把潜力挖出来，就需要一个明
确的策略。这里我们提出“三步策略”，以便分清轻重缓急，逐步实现目标，如图1所示。
    1.全面做好基础计量工作，搞好水平衡
　　为了在摸清底细的基础上进行水系统总体优化分析，将最容易挖掘的节水潜力挖到手，实现投资少、见效快、
收益高的节水减排，应当首先进行以下几个方面工作：
    ● 将企业水系统的计量仪表配置进行整顿，强化计量，严格考核，加强管理，开展群众性节水减排达标活动；
    ● 确认水系统的基础数据，做好各个装置的水汽平衡图表；
    ● 采用先进的循环水处理技术；
    ● 做好凝结水回收，经简单处理，力争达到锅炉给水标准（节约1t新鲜水可节省1.3～3.5元，而节约1t锅
炉给水可节省为7～20元）；
    这里要着重强调，提高循环水浓缩倍数是一项投资少、见效快的措施。由于一般石化企业所用的新鲜水中，补
充循环水用量占总新鲜水用量的60%～80%，所以如何降低这部分水用量显然占有重要地位。我国大多数石化企业
循环水的浓缩倍数只有2.0～3.0，而国际上常常为5.0～8.0。如果采取先进的化学药剂，加上自动控制的加药技
术，完全有可能将浓缩倍数提高到5.0～7.0。则可将循环水补充水量节省20%～40%，不仅减少了废水排放量，而
且具有显著的经济效益。
    2.进行水网络的系统工程分析，提高水的回用率
    通过加强管理将比较容易看到的“表面浮财”回收之后，节水工作应进一步深入，通盘考虑包括工艺装置和共
用工程在内的整个水网络系统。
    从上世纪80年代以来，水系统的结构理念就一直在剧烈变化着。上世纪70年代以前，人们仅认识到因环保要
求需对废水进行处理，尚未意识到节水减排必须从源头抓起。此时的水系统具有“直用直排，末端集中序列处理”
的特征。到上世纪80年代，人们意识到水资源的宝贵，从而将节水减排提上日程。于是水的回用使水网络趋于复
杂。也就是说，新鲜水必须经过多次使用才能送去废水处理。这时水系统具有“水回用+末端集中序列处理”特征。
上世纪90年代开始，人们不仅意识到用水应当形成网络，而且发现废水集中处理也不合理。如果将轻微污染的水
与严重污染的水混合在一起，本身就相当于二次污染。于是，不仅用水系统网络化，废水处理系统也形成网络。20
世纪末以来，废水处理与水回用进一步结合，使水处理进一步离散化。水处理厂（或车间）几乎消失了，凡是需要
处理才能达到回用标准的用水装置后面直接安排了水处理设备，成为全分布式结构。
    与此同时，“液体零排放”技术也已有了实施样板，这要求首先考虑封闭式再循环。当封闭循环中少量杂质积
累无法取出时，则将部分杂质经过分离等手段浓缩，再经过干燥/蒸发操作，将液体变成蒸汽，而固体杂质变成粉
末状固体排出。这种方法由于经济成本高，尚难以普遍推广。
　　总的来说，越是先进的水系统网络结构越复杂。这就必须根据一套水系统优化集成的理论进行计算，才能得到
优化结果。本步骤中所引起的技术改造措施通常费用不大，投资回报期也较短，往往不超过1年。
    3.污水再生利用
　　经过以上2步处理后，污水排放量已大为减少。对不得不末端排出的污水，通过一定设备进行深度处理，如反
渗透﹑吸附及杀菌后，使其达到回用标准，再返回系统中使用。再生回用有两种途径，一种是处理成为“中水”，
返回厂内供循环水补充水、绿化水及其他水质要求不高的用水场合用；另一种是处理成锅炉给水用。该步骤中设备
投资大，投资回报周期长（如2～3年），但经过上面两步之后，所处理的排出污水量已不太大了。
    四、水网络系统优化配置的过程系统工程方法及应用
　　水网络系统的优化设计方法可分为两大类：水夹点分析法，数学规划方法。
　　近来也有将以上两种方法组合应用，用水夹点分析法来获得一个明确的概念流程方案作为数学规划法的初始模
型，然后在此基础上进一步用优化算法来达到最优解。
　　1989年，美国E1-Halwagi和Manousiouthakis提出“质量交换网络”的概念，把富含污染物的流股和清洁流
股组成的水网络系统描述成质量交换网络模型、量交换。1994年英国曼彻斯特大学的王亚平和Smith教授提出了
直接计算最小新鲜水用量的目标值方法，并用这种方法找到最佳回用水方案，为这种基于概念的图解方法奠定了基
础，后来被称之为“水夹点方法”。上世纪90年代后期这方面研究进入高潮，与此同时，在工业上的实际应用也蓬
勃展开，并取得显著效益。1994～1995年，英国威尔士的孟山都公司首次开发使用了水夹点技术，使新鲜水的消
耗降低了30%，新建的废水处理设施的投资从1500万美元降低到350万美元，并使每年的操作费用和原材料成本
降低了100万美元。这项措施还使孟山都公司荣获了1995年英国化学工程师学会颁发的杰出安全与环境保护奖。
　　在早期的应用成果基础之上，水夹点技术得到了快速的发展，越来越多地应用于商业和研究之中。1996～1997
年，台湾某石化工业区的5家石化厂应用了水夹点技术，获得了成功。新鲜水耗用量减少1082t/a，进而减少废水
处理和处置费用，每年利润增加29.22万美元，而投资费用仅为5万美元，投资回收期为6个月。在Tripathi造
纸厂，利用水夹点技术，投资了150万美元进行技术改造，每年可获得80万美元的效益，2年就收回了成本。
　　英国的Linnhoff March公司宣称，根据他们做过的30多例项目的经验，用这种方法，对炼油厂可有10%～30%
的节水潜力；在食品工业约有30%～40%的潜力；而对精细化工可高达60%。
　　由于该技术在过程工业中的迫切需求及巨大的潜在效益，国外的软件公司都在力争将这些成果转化为便于利用
的应用软件工具。2000年美国的Aspen Tech公司首先推出了Aspen Water商品化应用软件；英国的Linnhoff March
公司也有自己的水夹点应用软件Water Target，21世纪初该公司被英国的KBC咨询公司兼并。
　　在我国，节水减排技术日益受到有关部门的关注。中石化十分重视该技术的推广应用，2004年成立由美国弗
吉尼亚大学刘裔安教授为组长的节水减排技术领导小组，在全公司开展水夹点集成节水技术推广，将下属45个企
业分成4批，经过节水减排培训班、现场调研、建立方案、提出可研报告、可研报告评审等环节，全面规划。争取
在3年时间内提前完成国资委下达的指标，达到国际先进水平，用水总量下降56%。投资回收期一般1年左右，污
水处理回收项目则要3年或更多，近年来已取得显著效果。据2005年11月在天津召开的炼油厂节水减排现场会上
透露，2005年9月中石化吨油耗水量已下降到0.98m3/t，2006年可望达到0.8m3/t。其中镇海炼化已达到0.31m3/t，
而加工吨油排污水量降至0.07m3/t，达到国际先进水平。中石化北京燕山石化公司树立了“污水也是资源”的观
念，在乙烯产量5年增加66.8%的同时，新鲜水用量下降30%。
　　中油股份公司于2004年制定了《炼油企业用水优化技术导则》（试行）企业规范，其中把利用水夹点技术列为
必须采用的先进技术，并进行了试点推广。圣金桥信息技术公司和西安交大已分别在大庆石化、兰州石化、大港石
化、乌鲁木齐石化、辽阳化纤等单位开展了工作。例如，大港石化2003年新鲜水价格高达4.7元/t，公司十分重
视节水减排工作。经过公司强化节水管理，吨炼油新鲜水单耗为1.0m3，工业水重复利用率为96.8%，污水回用率
为66.14%。要想进一步节水就必然由管理节水深入到系统工程节水。经过采用水夹点优化的水网络结构方案，大
港石化提出了15项节水减排的技术改造措施。全部措施实施后，预计第二循环水质将大幅度提高；第三循环水质
基本不变，可大大缓解目前的设备腐蚀问题；全厂新鲜水单耗将降为0.8m3/t左右；回用水量降低27.3%；可创经
济效益219万元/a。如果全厂蒸汽凝结水回用项目二期工程按期完成，预计加工每吨原油消耗新鲜水将降低为
0.76t/t左右，达到国内先进水平。
    综上所述，节水减排是我国炼油化工企业可持续发展的根基之一，也是企业降本增效和节约资源的一项重要措
施。在没有水资源增量来源的条件下，做好节水减排是企业实现自身发展目标的必然选择。利用有限的水资源创造
无限的水循环应当成为更多的企业在生产中、更多的人在生活中的实际行动。只有当有限的资源得到无限循环利用
时，才能成为无限多的资源，从而保证资源的持续供给。能源紧缺还有进口的途径可循，那么水则是无法进口的，
节约使用是惟一的出路。我们有责任也有可能把用水指标降低到国际先进水平，只有这样才能使我们的行业得到可
持续发展，只有这样才对得起我们的子孙后代。只要我们转变观念，采用正确的方法，节水减排是大有可为的。