煤化工与水
□ 北京中科合成油工程有限公司 唐宏青
节水是西北地区的头等大事
从世界范围看，我国是水资源短缺和污染比较严重的国家之一。1993年全国总用水量与1980年相比增加18.43%，达到5255亿立方米，人均用水量为450立方米。用水结构发生很大转变，自1980年以来，全国农业灌溉和农村生活用水(统称农村用水)基本持平，而工业用水和城镇生活用水则有较大的增长。
1993年黄、淮、海河三流域人均占有水资源量分别为543、500和351立方米，而人均用水量为393、301和347立方米。国外学者认为，人均占有水资源量1000立方米是实现现代化的最低标准，从现状和未来发展来看，我国北方黄、淮、海河三流域要达到人均占有水资源量1000立方米是极其困难的，即使要达到500立方米也需进行很大的投入。
从全国情况看，目前城市缺水严重，已造成严重的经济损失和社会环境问题。缺水城市分布将由目前集中在三北(华北、东北、西北)地区及东部沿海城市逐渐向全国蔓延。
节约用水、治理污水和开发新水源具有同等重要的意义。
西部大开发战略的实施，加大了西部地区资源的开发力度，使得西部地区资源开发与环境保护的矛盾更加突出。近年来，在西部地区，与如火如荼的投资热潮形成反差的是煤化工下游产业遭遇的水资源短缺。
目前，水资源过载、地下水污染、生态退化等生态环境问题在西部地区煤炭富集区普遍存在。如果对西部地区诸如煤化工等高耗能、高耗水的重化工产业发展不加以有效引导，将对区域生态安全造成严重影响。
煤水逆向分布一直是我国资源禀赋的突出特点和重化工发展的主要制约因素。然而，近几年来，西部的内蒙古、宁夏、甘肃、陕西以及新疆等省区都将重化工作为拉动GDP增速的引擎，规划了众多包括煤化工产业在内的重化工基地。然而煤化工的耗水量巨大，以内蒙为例，每生产1吨甲醇耗水17吨，每生产1吨二甲醚耗水14吨，每生产1吨合成氨耗水18吨，每生产1吨煤制油耗水13吨，每生产1吨聚烯烃甲醇耗水32吨。一个年产60万吨聚烯烃的煤化工装置年耗水量约2000万吨，据公开信息，目前各地计划建设同类厂共计产能2800万吨，年耗水量将达到9.3亿吨，这是西北地区无法承受的。
西北地区是全国降水最低值的区域，自然生态脆弱，水资源对产业发展的约束性强，生态对水分依存度高，生态需水刚性大，水资源的工业可利用量相对较少。
节水是西北地区的头等大事！
从去向入手节水
一个煤化工装置中用水的环节很多，如：工艺用水、补充冷却用循环水、补充制盐用水、生活用水、消防用水、基建与绿化用水、其它(漏损)等。
大部分可以回收的水经过处理，有的可以直接回用，有的可以作为污水排放。这些水的去向大致上可以分为：蒸发、分解、排污、携带等几个方面。
蒸发 在凉水塔中挥发掉。煤化工工厂中这部分是主要的去向。
分解 在工艺过程中消失，水分解为H和O元素，与其它物质形成新的化合物。
排污 包括工艺污水、生活污水、非工艺污水等，分为直接清净的污水和处理后的污水。这部分污水一般总是存在的，完全消除很难做到。
携带 在一些固体排放物中携带出系统的水，例如渣浆和滤饼中携带的水。
每一个煤化工装置中，这些环节中流失的水量不同，具体情况视工艺过程而定。表1是某典型装置的数据，可以看出循环水蒸发约占一半以上。
减少上述各分项中水的量，就是煤化工装置节水的着手点。
表1 典型煤化工装置中水的去向
项目 大致比例/%
循环水蒸发 53
工艺过程分解水 4
直排清净污水 27
处理后外排污水 9
随固体物携带排水 7
节水的途径
一个化工装置要节水，主要有两种途径：其一是装置内现有水源的优化利用，其二是装置内工艺过程的优化。
1.现有水源优化利用——夹点技术
为实现装置内现有水源优化利用，采用夹点技术是一种科学的优化方法，属于目前世界上的先进技术。
化工工艺过程中存在多股冷、热物流，冷、热物流间的换热量与公用工程耗量的关系可用温- 焓( T - H) 图表示。多股冷、热物流在T- H 图上可分别合并为冷、热物流复合曲线，两曲线在H 轴上投影的重叠即为冷、热物流间的换热量，不重叠的即为冷热公用工程耗量。当两曲线在水平方向上相互移近时，热回收量Qx 增大，而公用工程耗量Qc和QH减小，各部位的传热温差也减小。当曲线互相接近至某一点达到最小允许传热功当量温差ΔTmin时，热回收量达到最大( Qxmax)，冷、热公用工程耗量达到最小( Qcmin，QHmin)，两曲线运动纵坐标最接近的位置叫作夹点。
目前，夹点技术已在化工领域获得了广泛的应用，并取得了显著的效益。夹点技术在国外工业界也受到重视，国际上知名的化工公司均普遍采用夹点技术。据统计，世界上已有100 多家公司在至少1000 多个工程项目上使用夹点技术进行了新厂设计，老厂改造或可行性研究，一些大型工程公司如鲁姆斯、凯洛格等都有专门小组从事夹点技术设计，目前夹点技术已成为世界性的工程设计手段。
总之，对于石油、化工等典型的过程工业，用夹点分析的方法对过程系统的用水状况进行诊断，可找到过程系统中用水的制约因素所在，因而夹点技术在水网络中的应用可为国民经济的发展带来巨大的经济效益和社会效益。大量的工程实例证明，利用夹点分析技术，指导具体过程系统工程的改造或设计，能降低公用工程消耗量和初期的投资费用，实施方法简单，具有明显的优势，应用前景广阔。
2.工艺过程优化
一个化工装置，从原料到产品由多个工艺单元组成，装置中的耗水量主要由三个部分组成：①作为原料参与反应而分解或聚集在产品中的水；②作为与废气、废液、和固体废物料混在一起而排放的水；③作为换热用的循环水在凉水塔中冷却时蒸发的水。
在装置工艺已经确定的情况下，就有一定的耗水量。改进和优化工艺，就有可能降低耗水量。
从上面的煤化工装置中水的去向表中可以看出，节省循环冷却水，是大幅度降低产品水耗的主要手段。
节省循环冷却水的最主要办法是采用空冷器，
空气冷却器是利用空气冷却热流体的换热器。管内的热流体通过管壁和翅片与管外空气进行换热，所用的空气通常由通风机供给。空气冷却器可用于冷却或冷凝，广泛应用于炼油、石油化工塔顶蒸气的冷凝；回流油、塔底油的冷却；各种反应生成物的冷却；循环气体的冷却和电站汽轮机排气的冷凝。
在炼油系统，过去很重视空冷器的使用，而在化工系统中，相对来说比较忽视这个问题。例如目前甲醇装置中水耗量很大，就是没有采用空冷器的原因。如果采用空冷器，吨甲醇耗水量可以轻而易举地从现在的17吨水降到10吨以下。如果采取致冷加闭路循环，可以进一步降低水的消耗，排污量也可以减少。
空冷器主要由管束、支架和风机组成。热流体在管内流动，空气在管束外吹过。
这个技术目前正在被新装置设计中使用，如果能达到80％以上的冷却水用致冷加闭路循环处理，吨甲醇耗水量可以降到6吨以下。
这样的优化设计，对于一个成熟的传统的甲级化工设计院来说，不是很棘手，问题在于业主能否采纳。
3.节能降耗与水的关系
在国内几十年的经济发展中，企业经常采取的办法是“节能改造”，目标是节能。在这个过程中，水耗量的减少和增加是不一定的。
现在，水的问题如此严重，就有可能在全国部分干旱地区的老企业实施“节水改造”，即对现有工艺过程进行改造，目标是节水。在节水以后，能耗有可能增加，也有可能减少。例如，空冷器的应用就会导致能耗增加。
当然，最好的结果是即节能又节水，但这种理想状态，不一定能实现。
产品新鲜水耗的基本要求
在这里需要说明，煤化工装置的耗水量，或者单位产品的耗水量，不是一个本质值。有的学者把这个数据看成是本质值，以此来说明哪种产品该上，哪种产品不该上，未免有失偏颇。
应该说，产品新鲜水耗有一个不是很清晰的下限值，即下降到某一个数值时，再下降是很困难的。表1中的工艺过程分解水是刚性需求，通常很难减少。
但是，一个装置的产品新鲜水耗的变化幅度可以很大，例如，甲醇的吨耗水量20吨也可以，10吨也可以。这个值与煤的品质、设计方法、业主的投资意愿及生产成本有密切的关系。煤的品质差，水耗量就高；有空冷器的投资大，节水效果好，但业主不愿意采用；有的装置虽然有空冷器，但它在运行的时候不开，因为用水比用电便宜和能耗低等等，这些都是人为的因素。
以上种种状况说明，节水是可以做到的，并不困难，关键是要有刚性消耗指标和刚性配水。当业主水指标不够用的时候，节水问题就会迎刃而解。
近期，国家有关部门曾经设定煤化工装置的新鲜水耗的基本要求（见表2）。要求设计部门在新装置设计时，达到基本要求。从设计的角度来说，这个要求不难做到，但前提是煤的品质达到要求、允许投资高一些、允许能耗高一点。
煤制烯烃是近年来我国自主开发的化工单元技术，已经取得了良好的进展，煤制低碳烯烃MTO的示范装置已经投产。这个装置的每吨聚烯烃设计耗水量为32吨，考核的耗水量为28.9吨。这两个数字都远高于石油聚烯烃的耗水量。
从工艺角度出发，我们不能设想煤化工装置的耗水量能够低于同类石油化工装置，但就煤化工装置来说，力求做到降低水耗量是可以实现的。
在煤制烯烃的整个工艺中，有一个重要指标值得注意，即吨聚烯烃的甲醇耗量3.0吨，目前实际生产数据比设计值大得多，由于煤制甲醇的耗水量较大，就成为每吨聚烯烃的耗水量较高的主要原因。
不言而喻，降低吨聚烯烃的甲醇耗量是节水的一条捷径。因此，装置的节水途径应该是具体问题具体研究。
表2 煤化工装置新鲜水耗基本要求
序号 项目 新鲜水耗基本要求
1 煤间接液化 ≤10 t/t吨油品
2 煤制天然气 ≤7 t/kNm3天然气
3 煤制烯烃 ≤22t/t烯烃
4 煤制合成氨 ≤6.0t/t氨
农业用水不容动用
当前我国重化工产业发展突出问题是，西部许多地方在发展化工石化产业时，只考虑经济因素，哪里成本低、效益高，就在哪里建。
在对西部地区重化工产业发展与资源环境承载力矛盾进行分析时，可以发现西北地区普遍存在干旱、水资源短缺等问题，因此，在西部建设大规模煤化工工厂时，在设计过程中就要统筹好水资源利用和水环境保护的矛盾。有专家提出采用水权置换的办法，就是帮助农业提高水的利用率，把节省下来的水用于煤化工装置。
这属于工业向农业用水的水权置换，建立在国家长远利益的基础上，表面上来看是一个双赢的举措，实际上是一个双输的举措。一旦未来农业发展了，农业和工业都受到影响，两者的手脚都被捆住了。
分配给未来农业的用水，绝不应该占用。而应该采取工业与工业之间的水权置换方式。办法是，把资金用在现有装置的节水改造上，把节省下来的水，用于新装置上。
节水问题应得到充分重视
在已经投产的煤化工装置中，无论是老的煤化工装置，如甲醇、合成氨等，还是新的煤化工装置，如合成油、甲醇制烯烃等，都存在节水的可能。
以伊泰16万吨煤制油装置为例，目前的吨产品水耗量约为13吨。但是在新设计的百万吨级煤制油装置中，吨产品水耗量可降到6吨以下，办法很简单：加大投资，综合采用空冷器、部分冷却水闭路循环、夹点技术等一系列节水技术。问题是投资加大了，在生态和钱之间，选择前者需要得到业主的理解，又省钱又节水的办法是很难找到的。
煤化工的用水问题是值得充分重视的。以煤制天然气为例，目前已建、在建和发改委给出路条的煤制天然气装置能力共671亿立方米，按表2的指标计算，年耗水量约为4.7亿吨。在西北地区，提供这样庞大数量的水存在很大的困难。
单位产品的耗水量，体现了该装置的耗水水平，降低这个指标才算是有实际意义的。在西北地区，制约煤化工发展的是水，这是一个经济与环境的矛盾对立与统一问题，处理好这两者的关系，是煤化工发展的健康之路。