水十条与煤化工的节水减排
□ 过程系统工程专业委员会副主任 杨友麒
4月16日，我国《水污染防治行动计划》（以下简称“水十条”）正式出台，这是继2012年关于《实行最严格水资源管理制度的意见》发布之后，又一个关于水系统治理的更新、更为严格的文件。“水十条”分十大方面，共提出6 类主要指标，26 项具体要求，并进一步明确了38 项措施的完成时限和238项强有力的硬措施，以确保任务目标的落实。面对日益严格的“水”法规，用水大户煤化工该何去何从？
从化工行业角度解读“水十条”
1． 取缔“十小”企业
“水十条”提出，2016年底前，全部取缔不符合国家产业政策的小型造纸、制革、印染、染料、炼焦、炼硫、炼砷、炼油、电镀、农药等严重污染水环境的生产项目。“十小”企业中有一半关乎石油和化工行业，可见石化行业节水压力巨大。
2．实施清洁化改造
一改过去的“末端治理”，“水十条”要求重点行业企业在2017年之前必须完成清洁化技术改造，从源头减少污染排放，也即以环保倒逼企业技术改造升级，否则将面临集中整治取缔。要求工业集聚区必须在2017年之前按规定集中建成污水集中处理设施，安装自动在线监控装置，否则将暂停审批和核准其新增建设项目，例如最近中国化工集团就已被宣布暂停审批项目。
3． 建立水环境承载能力监测评价体系
“水十条”要求各市县都要完成水资源、水环境的承载能力评估，在此基础上实行严格的、有差别的环境准入政策。这对于高水耗的煤化工而言，无疑是增加了一道“紧箍咒”。各地方政府对上煤化工项目，一方面要切实核算水资源供应能力，防止“一水多嫁”；另一方面还要根据水环境对污水承载能力，“以水定产”。
将过去“量水而行”的方针进一步明确为“以水定产”。这意味着煤炭产地“逢煤必化”时代的结束。煤炭产地的煤要不要转化？要转化多少？不再由地方政府的主观愿望决定，而将完全由水资源的供给能力和排污水的容纳能力来决定。
4．加强工业水循环利用
现在中石油、中石化等公司下属大型石化企业的工业废水回用率都要求达到50%以上，照理煤化工企业应该要求更高。但现实并非如此，许多化工企业的废水回用率达不到50%，其中一个原因是废水深度处理回用装置投资大，而技术又往往不过关，影响企业水循环利用的积极性。所以，废水深度处理回用装置应当成为水处理行业当前技术攻关的重点方向。
5．控制用水总量
大型石化和煤化工企业毫无例外都是“用水大户”，都属于计划用水管理和严格监控的对象，而且其新建、改建、扩建项目用水要达到行业先进水平。但问题是：谁来评估是否“达到行业先进水平”？目前，中石化、中石油总部已开始请第三方咨询公司对建设前的项目设计进行评估，使项目可以在不增加/或少增加投资的条件下取得明显节水减排效果。这一经验值得推广。
6．提高用水效率
新时期治水思路首先就是“节水优先”。可以看到，“水十条”对万元生产总值用水量指标下降的要求比节能的要求高很多，这突出了我国节水更加迫切的实际情况。“水十条”还点名要求石油化工和化工行业“2020年达到先进定额标准”。从2002年起，我国开始《工业企业产品取水定额编制通则》及5个高用水行业取水定额标准的制定工作。目前已发布了16项取水定额标准，其中石油化工行业的标准只有三个（即炼油、乙烯和合成氨），显然这项工作必须抓紧进行。
7．强化科技支撑
“水十条”要求“重点行业”，包括石油化工和煤化工行业，对其废水深度处理和工业高盐废水脱盐技术要加快研发。这说明国家对这些行业“把脉”是相当准确的，这两方面技术正是当前石油化工和煤化工水处理的薄弱环节，正在影响行业节水减排工作的深入发展。
8．理顺价格税费
水本来就是国家的战略资源，我国现行的水资源费和用水费一直偏低，没有体现“战略资源”的宝贵价值，今后必须逐步改正。也就是说，今后所有关于水的各项费用均会不断提高，从而由经济成本来反逼节水减排的实施，这也是“发挥市场机制作用”的含义。那种把水当成成本费用可以忽略的旧观念将一去不复返。
9．严格环境执法监管
近年来，违法排污事件屡见不鲜，环境违法成本低、守法成本高的现象依然存在，少数地方出于经济发展考虑，环保履责不到位，甚至充当排污企业的“保护伞”。“水十条” 要求定期公布环保“红黄牌”企业名单，并强化公众参与和社会监督。一方面奖励“节水环保领跑者”，一方面晒不达标的排污企业违规者，双管齐下，执法力度空前加大。
10．切实落实“一岗双责”
“一岗双责”是对地方政府领导班子的环保要求，即在履行行政职责的同时，还要对水情防治尽职尽责。考核是对地方政府的强力约束，治水不利，轻则影响资金分配，重则会被约谈，甚至追究违法、违纪责任。“水十条”规定很严厉，有关领导搞不好就有可能丢掉“乌纱帽”，甚至会面临离任后终身追责。
煤化工 ≈ 水化工 ？
近年来业内有一种说法：“煤化工就是水化工。”这主要是从以下三个方面突出了水系统对煤化工的重大意义。
第一，水成为煤化工生存和发展的生命线
煤化工的“高水耗”特征碰到了产煤区缺水的现实，在加上“水十条” 要求严格执行环境准入，“以水定产”，严格控制缺水地区高耗水、高污染行业发展，所以水成为煤化工生存和发展的硬约束。
水耗高的制约可以从两个方面来理解: 一方面，由于我国的煤产区通常处于缺水地区，或者即使有水源也缺乏纳污能力。我国昆仑山-秦岭-大别山一线以北地区的煤炭资源占全国的90.13%，以南地区只占9.7%；而我国水资源分布则相反，以南地区水资源丰富，占全国总水资源的78.6%，以北地区水资源短缺，只占21.4%。
一个产能30亿立方米的煤制天然气厂每年需要耗新鲜水1500万立方米；一个60万吨煤制烯烃厂每年也需要至少1320万立方米新鲜水，这对于缺水地区来说就要大幅度挤占其它方面用水。另一方面，如果制取同样化工产品，用石油化工路线会比煤化工的水耗低得多。以烯烃为例，石油化工用石脑油制乙烯，吨乙烯耗水为6～7立方米，而煤制乙烯则吨乙烯耗水高达 60立方米（煤化工习惯按吨烯烃耗水算，30立方米/吨烯烃，其中乙烯和丙烯各占一半）。当然，有人可能会说: 这两种工艺没有可比性，因煤化工以煤为原料，首先要将煤气化，然后再合成不同化工产品，当然耗能、耗水均会高一些。这一点我们应当承认，但是如果有数量级上的差异（煤化工路线比石油化工路线高10倍），那就不仅是工艺路线本身的问题了。
第二，水耗指标高是煤化工示范装置的短板
我国新型煤化工各种大型示范装置“十二五”规划期间陆续投产，在打通工艺路线方面多大获成功，成为我国独立自主大型工业开发领先世界的创举。但是水系统的操作水平不够理想，水耗指标太高，成为“示范装置”的短板。表1给出了一些煤化工产业的耗水指标，在“目前操作值”一栏中列出的是比较典型的数据，其实各地煤化工企业的实际操作水平差别很大。以内蒙古自治区为例：甲醇厂的吨甲醇水耗为17吨；二甲醚水耗为14吨；吨合成氨水耗为18吨；煤制油吨油水耗为13吨；吨聚烯烃水耗32吨。
第三，废水排放和治理是煤化工面临的难题
煤化工装置产生的污水成分复杂，降解处理困难，排放造成环境污染，成为煤化工企业面临的难题。一方面，由于煤化工厂的煤气化过程产生的污水比石油化工厂的污水“脏”得多，COD可高达20000×10-6以上、总酚含量高达5000×10-6以上、总氮可达(7000～12000)×10-6，煤化工厂环保投资和操作费用越来越高。另一方面，煤化工厂的污水回用率要求比石油化工高很多，例如对石油炼制行业节水型企业标准，要求污(废) 水回用率≥50%，而煤化工企业则要求污(废) 水回用率≥50%～100%，有些地方“准入标准”甚至要求达到“零排放”。这导致了煤化工企业高昂的污水治理费用，例如一个投资200亿的煤化工厂，仅污水处理和回用装置的投资就要达6亿～8亿元。“十二五”期间煤化工示范装置环保达标的企业廖廖无几。
表１ 煤化工各种产品的吨产品新鲜水耗量
项目 设计值 目前业内操作值 先进指标
直接液化制油/t·（t油）-1 7 6.75（神华额尔多斯） 5.0
间接液化制油/ t·（t油）-1 13.45 8.0 6.8/5.6*
煤制天然气/t· 1000m-3 6.9 8.4 5.0/4.5*
煤制烯烃/t ·（t烯烃）-1 32～68** 24～74** 17.5
煤制甲醇/ t ·（t甲醇）-1 7～17 6.99***～17 5.5
煤制乙二醇/t·（t乙二醇）-1 25 9.6
合成氨/t·( t NH3)-1 12 15 6
注：*，拟议中缺水地区的行业准入指标；**，后者为煤制丙烯为主的德国设计和我国现场运行数据；***，某引进大型180万吨甲醇冬季运行达到的数据。
煤化工的节水减排潜力巨大
１．煤化工的水耗为什么居高不下？
煤化工戴上“高水耗”的帽子，原因是多方面的，下面列举几个重要原因：
①示范项目为保工艺过关，牺牲了能耗和水耗优化要求。由于现代煤化工第一批大型工业化开发阶段，最核心的要求首先是“打通流程，顺利拿到产品”，而非“节能节水”，所以在公用工程配置上，只是尽量满足工艺要求，谈不上优化。
②煤化工由于原料便宜，相对于石油化工盈利空间大，掩盖了高能耗、高水耗问题。根据亚化咨询：“煤制烯烃真实成本与盈利能力分析”，当石油价格100美元/桶时吨烯烃营业利润达2665～4536元/吨。试想每吨化工产品的利润如此丰厚，高能耗和高水耗的成本可以轻易被“消化”，企业还有什么积极性来节能节水呢？
③技术原因——设计院不掌握过程系统工程的“水网络系统集成优化技术”。我国设计院中确定新鲜水耗的这部分工作是由工艺专业加上给排水专业来决定设计方案的，工艺人员首先想到的是：尽量使用空冷器；给排水人员提供的技术是“零排放”，而从过程系统工程观点，认为这是一个水网络系统的优化问题，需要全面分析构成整个系统的各个子系统的潜力和优化程度。
④ 煤化工行业与石油化工不同，十分分散，缺乏垂直领导的节能、节水监督考核压力。节能、节水总体来说不是企业的经济行为，只靠经济利益驱动是不足以推动的，政府及行政垂直推动是必不可少的动力。石油化工行业在节能节水上取得的成绩，主要是靠中石化、中石油等大型国企领导，努力贯彻国务院节能节水的要求，对所属企业大力提倡、严格考核的结果。
“新常态”要求面向产能过剩，由投资驱动转向创新驱动，而国际油价从去年7月的102.4美元/桶下滑到今年初的50美元/桶，这些因素均对新型煤化工产业提出严重的挑战。煤化工过去靠原料价格便宜的成本优势粗放经营的“好日子”，可能已经结束，必须走向一个像石油化工一样的精细管理、创新增效、节能节水的绿色发展新时代。在这种新的形势下，为了降低成本、提高竞争力，煤化工产业必须学会精打细算，将节能、节水提到议事日程上来。
2．“高水耗”帽子能否摘掉？
那么，煤化工的水耗是否可以成倍下降？从甲醇煤化工的经验可以看到，实现这一目标是完全可能的。
如果以煤化工和石油化工路线制同一种化学品，对比其能耗的差别，就可以大致估计其水耗差异。以甲醇为例，来比较两条工艺路线的能耗与水耗。天然气制甲醇吨产品能耗为29 GJ，而煤制甲醇吨产品能耗为42GJ，煤为原料的工艺路线比天然气原料能耗约高45%。最初煤制甲醇是采用传统工艺，规模小，吨甲醇水耗高达25吨，比天然气原料的甲醇耗水（约10吨）高得多。但随着工艺设计和生产操作逐步成熟优化，水耗也逐步下降到17吨，到2008年新一代煤化工装置投产，水耗降到12吨。到2012年，大规模180万吨甲醇装置投产，水耗降到了6.99 吨，与天然气制甲醇的耗水相差不多。虽然由天然气制甲醇没有裂解造气的工艺阶段，似乎应比煤制甲醇能耗、水耗均低很多，但随着规模放大、工艺和系统工程成熟，煤化工路线同样可以使水耗下降三倍，详见图1所示。
3．过程系统工程方法是答案
从上世纪80年代起，过程系统工程学界就开始研究化工企业的节能、节水集成优化方法。对于水中含有多种污染杂质成分，开发出数学规划方法，采用超结构数学模型在计算机上寻求新鲜水用量最小化的优化解。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。
从本世纪初期过程系统工程方法在我国化工炼油行业推广应用以来，已形成一套企业节水减排的过程系统工程方法——节水减排“三步法”。所谓“三步法”，即“水平衡测试-水网络集成-外排污水深度处理回用”。这种方法从21世纪初已陆续在中石化、中石油、中海油等大公司推广应用，取得明显的效果。2004年6月开始中国石化股份有限公司内部32个企业有计划、有系统地开展推广水夹点节水减排技术，促使中石化炼油吨水耗从2001年的平均1.8吨下降至2004年的1.15吨，到2012年降到0.55吨，接近国际先进水平的0.50吨，下降了三倍。中国石油天然气股份公司于2004年制订《炼化企业节水减排优化方案的制订和实施》企业规范，推广应用这项技术，炼油吨水耗从2005年的1.14吨下降至2012年的0.60吨。
所以，只要应用先进的过程系统工程方法，持续不断地优化用水过程，实现“高水高用，低水低用，清污分流，梯级利用”，煤化工的水耗是可以成倍下降的。我们曾经将这套在石油化工企业成熟采用的方法，对某大型煤制烯烃企业进行了试点应用，发现煤化工企业节水潜力巨大。如果按照水网络优化的思路，进行系统优化技术改造，实施提出的十几项技术措施，可以将总体新鲜水消耗下降63%，吨烯烃耗水有可能从原设计的32吨下降到10吨以下。这当然需要相应的技术改造投资，经过粗略计算所需要的投资费用的静态投资回收期约2.6年。
结束语
“水十条”的发布意味着我国工业节水减排进入一个新时期，不论从全面系统方面，还是国家的决心力度方面，均是空前的，对于煤化工行业的发展必将产生深远影响。当前煤化工行业的节水减排形势很像十几年前的石油化工行业，有很大的节约潜力。大力推广应用过程系统工程方法，是将节水“潜力”挖掘出来变成现实的有效途径。