PSE在提高煤化工水资源利用效率中大有可为

□ 过程系统工程专业委员会副主任杨友麒

水危机制约煤化工产业发展

　　水危机是世界性的大问题。在20世纪，全世界人口增加近三倍，淡水消耗量增加了6倍，其中工业用水增加了26倍，但水资源并未增加。20世纪末人均占有水量仅为世纪初的1/18。水危机在中国尤其严重，资料显示，我国人口占世界人口总量的22%，而水资源却只有世界的8%，我国人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有量的1/4，位列世界第121位，是联合国认定的水资源紧缺国家。不仅如此。全国范围内水资源的分布严重不均，从东南向西北递减，面积广大的北方地区只拥有不足1/5的全国水量，而国内主要煤炭产地和煤化工基地恰恰就分布在最缺水的中西部地区。所以，水资源匮乏是我国煤化工发展的一大制约因素。据知情人士透露，在内蒙古境内的已经投产的煤化工项目中，有些就因为没有充足的水资源供给，曾经几度被迫停工。

煤化工水耗惊人

　　煤化工项目耗水量到底有多高？以煤制油为例，在目前的生产条件下，煤制油吨产品耗水量通常都在10～20吨，一个年产300万吨的煤制油项目年用水量将达6000万吨左右。这相当于十几万人口的水资源占有量或100多平方千米国土面积的水资源保有量。如果和石油化工相比，煤制烯烃、煤制甲醇等煤化工项目在能耗和水耗方面会稍高一些，但不会高出几倍。比如，天然气制甲醇吨产品能耗为2900万千焦/吨，煤制甲醇吨产品能耗为4200万千焦/吨，能耗差别并不大，理论上讲水耗也不会相差几倍。但是事实却是：煤制油、煤制烯烃等煤化工路线的吨产品耗水量要比石油化工路线的吨产品耗水量高出几倍甚至是十几倍。以乙烯为例，煤化工路线的吨乙烯所消耗的加热蒸汽为62吨/吨，而石油制乙烯仅为4.4～9吨/吨，煤制乙烯所消耗的加热蒸汽为后者的7～14倍；冷却水消耗，石油制乙烯吨产品耗循环水大约为 300~400立方米/吨，而煤制乙烯的吨产品耗循环水为2800立方米/吨，是前者的7~9 倍。相应煤制乙烯耗水达48~64立方米/吨（24～32立方米/吨烯烃），而石油化工乙烯则只有6～8立方米/吨。

水网络系统未优化导致水耗高

　　为什么煤化工项目会消耗如此大量的水资源？

　　经过几十年的发展，现今的石油化工路线已经相对成熟，公用工程系统经过多次优化改造，水资源和能源的消耗都在不断降低。而我国新兴煤化工产业才刚刚起步，项目大多属于示范工程，正处于大型工业化开发阶段。示范项目的核心要求是要打通工艺流程，顺利拿到产品，而非节能节水。而有些示范项目还是放在战略高度来考虑的，所以在公用工程配置上，只是尽量满足工艺要求，根本谈不上对水网络和能源系统的优化。能耗高、水耗高也就不足为奇。比如，某个煤化工项目中，煤气化用的是GE水煤气加压气化技术，净化用林德公司低压甲醇洗技术，甲醇合成用戴维甲醇合成，MTO（甲醇制烯烃）是中科院大连化物所专利技术，聚乙烯/聚丙烯是陶氏化学公司的UNIPOL技术……

　　在这种设计中，核心是保证国产化的MTO技术过关，其余技术均为独立招标的外国成熟技术供应商提供。“大拼盘”条件下，总体设计公司设计的公用工程系统处于被动满足各方要求的境地，根本谈不上系统的整体优化。

　　从起步较早的煤制甲醇项目来看，随着工艺过程的逐步成熟和水网络系统的优化，水耗可以大幅度下降。煤制甲醇的吨耗水从最开始的25吨, 逐步下降到17吨，到2007年设计已经达到12吨，到2011年180万吨甲醇装置投产时，煤制甲醇的吨耗水量已经降到了7吨左右。过去的十几年间，煤制甲醇吨产品水耗下降了70%多。再比如伊泰煤炭股份有限公司的16万吨的间接液化煤制油示范项目，目前生产1吨油品需要耗水13吨左右，经过节水改造，水的消耗量可以降到8吨左右。如果装置规模扩大到200万吨，耗水量就可能降到3.68吨左右。再比如神华鄂尔多斯煤制油分公司的直接液化煤制油装置，设计时的水耗是每吨油品耗水10吨，装置投运后经过技术改造，水耗降到了7吨，最好水平达到过5.6吨。

PSE方法优化水网络系统

　　谈到节水减排的具体措施，不少搞煤化工工艺的人可能首先想到的是尽可能多地使用空气冷却器来替代水冷，其节水效果是十分有限的。从过程系统工程观点来看，则认为应对企业整个水网络系统进行总体优化才是大幅度提高水资源的利用率、降低耗水量的根本出路。

　　过程系统工程（PSE）是一门正在迅速成长的现代交叉学科，以处理物料流-能量流-信息流-资金流的过程系统为研究对象，研究其设计、控制、运行和组织管理，目的是在总体上达到最优化。将其应用到煤化工项目水资源管理中，可以充分体现“效率为本，节约优先”的理念，最大限度地提高水资源的利用效率、减少水的消耗。过程系统工程从上世纪80年代引入到中国，目前在化工、冶金、制药、食品、造纸等流程加工的过程工业中得到了广泛的应用。从2003年开始，中石化和中石油陆续采用过程系统工程的方法进行节水减排的技术改造，取得了长足的进步。我国炼油厂的吨原油炼制耗水量下降了50%以上，2012年我国炼油吨油新鲜水取水量为0.65吨，接近国际先进水平。这一技术在煤化工企业的应用才刚刚开始，我们有理由相信，如果煤化工企业也能像中石化和中石油那样全面采用和推广过程系统工程的方法来开展节水减排，大幅度降低煤化工的水耗是完全可以期待的。

　　PSE是从“顶视法”来考察水网络系统的总体性能。一个企业的水网络可以分解成7个子系统：外界原料新鲜水制成工业水的制水系统、水输送管网系统、循环冷却水系统、蒸汽冷凝水系统、工艺装置用水系统、生活用水系统、污水处理及回用系统，如图1所示。系统工程就是要考察各个子系统的性能和总体系统性能的关系，及各个子系统优化和总体系统优化的关系。每个子系统都有自己的基本考核指标，例如以新鲜水制脱盐水为例，如果用离子交换法制脱盐水，应该达到1.10吨新鲜水制1吨脱盐水的指标；如果用反渗透RO法制脱盐水，则约为1.35吨制1吨脱盐水。循环水的利用效率则比较复杂，受补水水质、浓缩倍数、凉水塔循环水进出口温差及补水率大小的影响，没有一个固定数值，但也可以大致判断其优劣。这样就可以追求各子系统尽量优化（当然各子系统均涉及自己专门技术）。但是各子系统自己优化之和并不等于系统总体最优化，这就需要过程系统工程的集成优化。

　　节水减排的过程系统工程技术具体是通过“三步法”策略来实施的。所谓“三步法”即水平衡测试水网络系统集成优化外排污水深度处理回用。其中，第一步是基础，通过加强管理、完善计量仪表，细致地进行全厂水平衡测试，得到详细的水平衡图表，摸清家底，弄清自己企业用水的水平及各个子系统与先进水平的差距，将最容易挖掘的节水潜力挖到手，可以实现投资少、见效快、收益高的节水减排。第二步水网络系统优化集成，是指利用 “水夹点”方法，将各种系统排出的各种污染较少的废水不经处理或者经简单处理即可直接应用于循环水系统或工艺装置，也可以将这些相对污染较小的水集合起来，形成中水道，变成相对清洁的水源以供全厂利用，使新鲜水用量最小化，从而使排水量大幅度下降。这一步特点是投资主要用于管道建设及过滤设备，费用不太高，投资回收期短。第三步才是污水再生利用。经过前两步处理后，污水排出量已大为减少，对不得不从末端排出的污水，通过一些水处理手段如超滤、反渗透、膜生化反应器等进行处理，使其达到回用标准，再返回系统中使用。这一步特点是设备投资大，投资回报周期长。

　 “三步法”策略的顺序一定不能颠倒，不能盲目地想起一个措施就上一个，一定要合理安排工作流程，减少投资浪费，实现效益与指标的同步提升。现在一些企业在没有进行水网络优化的前提下，急于利用再生污水来降低新鲜水耗，而没有最大限度地充分利用各种工艺装置、废热锅炉、循环水场等的排水回用，在大水耗的基础上设计了污水深度处理回用装置。之后再做水网络优化后，发现新鲜水量可以大幅度下降，污水排放总量也大幅度下降，结果造成了污水深度处理回用装置没有那么多污水可以处理回用的尴尬浪费。所以，一定要在将水网络优化、把减排后的污水量搞清楚后，再考虑上多大的深度处理回用装置。也就是说，只有将节水减排的潜力最大限度地挖掘出来，使污水排出量降到最低以后，再考虑污水的深度处理才是科学合理的。

　根据这种思路，2012～2013年中国石油大庆石化节水技术中心（北京圣金桥信息技术公司）与神华公司合作对我国第一套大型工业化煤制乙烯装置进行了现场水平衡测试及水网络系统的优化研究，结果表明：经过系统优化后的煤制烯烃吨烯烃新鲜水耗量可以从设计的32 吨/吨下降到10吨/吨以下。

结束语

　　在我国新型煤化工企业正在从示范阶段走向大面积开花时，节水减排也必然要提上日程。

　　总体上说，通过过程系统工程对煤化工用水网络系统进行整体优化，其节水减排的空间十分巨大。我们有理由对不久的将来煤化工摘掉“高水耗”的帽子持乐观的态度。