寧東能源基地臨近黃河，通過水利工程建設(shè)投資，既滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉需求，同時(shí)支撐了煤化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。圖為寧東神華寧煤25萬噸甲醇裝置。 （本報(bào)記者 張育 攝）

　　在能源日趨緊張的壓力下，大力發(fā)展煤化工產(chǎn)業(yè)成為中國能源和化工行業(yè)的現(xiàn)實(shí)選擇。然而，大自然卻和我們開了一個(gè)玩笑，我國的煤炭資源和水資源呈逆向分布，有煤的地方缺水，有水的地方?jīng)]煤，讓我國煤化工的發(fā)展處于兩難境地。如今，在西北地區(qū)煤炭資源大省轟轟烈烈上馬煤化工項(xiàng)目后，水私有制已經(jīng)成為擺在煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展面前最大的絆腳石之一。

　　如何化解煤化工的水資源危機(jī)？在8月14～16日安徽合肥召開的第五屆全國石油和化工行業(yè)節(jié)能節(jié)水減排技術(shù)交流會上，記者聽到這樣一句令人振奮的話：“煤化工的高水耗并非產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果，很大程度上是由于工程設(shè)計(jì)不成熟造成的。事實(shí)上，以過程系統(tǒng)工程的方法，通過‘三步法’的程序，把整個(gè)用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化，煤化工行業(yè)完全有可能將耗水量降下來。”持這一觀點(diǎn)的是全國化工節(jié)能（減排）中心專家委員會副主任委員、中國系統(tǒng)工程學(xué)會過程系統(tǒng)工程委員會副主任楊友麒教授。

　　有煤缺水制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　　“眾所周知，水資源短缺是個(gè)全球性的問題，中國尤為嚴(yán)重。水資源在地域上分布不均更加加重了水資源危機(jī)。”記者注意到，在談到中國水資源短缺問題時(shí)，楊友麒使用了“危機(jī)”一詞。

　　在水資源問題上，使用“危機(jī)”一詞并不為過。正像楊友麒所說的，中國是個(gè)極度缺水的國家。資料顯示，我國人口占世界人口總量的22%，而水資源卻只有世界的8%，我國人均水資源占有量僅相當(dāng)于世界人均水資源占有量的1/4，位列世界第121位，是聯(lián)合國認(rèn)定的水資源緊缺國家。不僅如此，在全國范圍內(nèi)水資源的分布嚴(yán)重不均，從東南向西北遞減，占全國面積1/3的長江以南地區(qū)擁有全國4/5的水量，而面積廣大的北方地區(qū)只擁有不足1/5的水量。2012年2月國務(wù)院頒發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，其中一個(gè)“最”字表明了我國水資源的緊缺程度，同時(shí)也表明了中央對于水資源管控的決心。

　　此前記者對楊友麒就煉油和石化行業(yè)的節(jié)能減排進(jìn)行過一次專訪，就在采訪結(jié)束記者要離開時(shí)，楊友麒特意告訴記者：“現(xiàn)在大家更多的是關(guān)注能源問題，其實(shí)，我國的水資源短缺問題更為嚴(yán)重，應(yīng)該引起全社會的重視。《中國化工報(bào)》應(yīng)該對化工行業(yè)的節(jié)水問題多關(guān)注、多報(bào)道。”他的這番話給記者留下了深刻的印象。

 
　　據(jù)記者了解，我國不僅水資源嚴(yán)重短缺、分布不均，而且更為不利的是水資源與煤炭資源逆向分布，使得煤化工產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中水的制約作用顯得尤為突出。我國中西部的大部分產(chǎn)煤區(qū)，人均水資源只有全國平均水平的1/4～1/2，只相當(dāng)于世界平均水平的1/16～1/8。產(chǎn)煤區(qū)如此缺水的現(xiàn)狀和目前煤化工項(xiàng)目的高耗水狀況形成了鮮明的對比，要發(fā)展煤化工必須量水而行。

　　那么，煤化工項(xiàng)目耗水量到底有多高呢？楊友麒以煤制油為例展示了一組數(shù)據(jù)。在目前的生產(chǎn)條件下，煤制油噸產(chǎn)品耗水量通常都在15～20噸，一個(gè)年產(chǎn)300萬噸的煤制油項(xiàng)目年用水量將達(dá)6000萬噸左右，這相當(dāng)于十幾萬人口的水資源占有量或100多平方千米國土面積的水資源保有量。按照“十二五”期間能開工的煤化工項(xiàng)目的上限計(jì)算，允許用水指標(biāo)達(dá)6.58億噸/年，而這些項(xiàng)目又集中在西北地區(qū)，水資源供給的瓶頸制約不言而喻，脆弱的生態(tài)環(huán)境能否支撐這樣龐大的水資源供給，恐怕要打上一個(gè)大大的問號。從某種意義上講，我國現(xiàn)代煤化工的發(fā)展能否可持續(xù)，最主要的因素不在于資金、煤資源和投資熱情，而在于供水和環(huán)保情況。除了技術(shù)、市場、成本等因素外，水資源的承載能力是影響煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個(gè)不容忽視的因素。

　　事實(shí)上，西部一些地區(qū)已經(jīng)開始擰緊了“水龍頭”。2012年底，內(nèi)蒙古自治區(qū)主席巴特爾在全區(qū)經(jīng)濟(jì)工作會議上再次強(qiáng)調(diào)，嚴(yán)禁違規(guī)抽采地下水，高耗水產(chǎn)業(yè)要加快建設(shè)替代水源工程，限期轉(zhuǎn)換出所用地下水。據(jù)知情人士透露，在內(nèi)蒙古境內(nèi)的已經(jīng)投產(chǎn)的煤化工項(xiàng)目中，有些就因?yàn)闆]有充足的水資源供給，曾經(jīng)幾度被迫停工。

　　天脊集團(tuán)牢固樹立環(huán)保先行的理念，投資上億元建成廢水處理系統(tǒng)，將廢水經(jīng)過生化處理、循環(huán)冷卻、反滲透深度處理后，再回用到生產(chǎn)中，節(jié)水效果明顯。圖為天脊煤化工園區(qū)廢水處理項(xiàng)目操作人員正在現(xiàn)場接取處理后的達(dá)標(biāo)水。（王愛軍 攝）
 

　　高水耗緣于設(shè)計(jì)不成熟

　　“為什么煤化工項(xiàng)目會消耗如此大量的水資源？在我看來，主要的原因還在于現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目大多處于示范階段，工程設(shè)計(jì)不成熟，節(jié)水措施不到位。”楊友麒這樣表示。

　　和石油化工相比，煤制烯烴、煤制甲醇等煤化工項(xiàng)目除了前端的原料不同外，后端的合成工藝幾乎沒有區(qū)別，從理論上講，煤化工路線和石油化工路線對于水的需求量應(yīng)該差別不大。比如，天然氣制甲醇噸產(chǎn)品能耗為2900萬千焦/噸，煤制甲醇噸產(chǎn)品能耗為4200萬千焦/噸，能耗差別并不大，理論上講水耗也不會相差太多。但是事實(shí)卻是，煤制油、煤制烯烴等煤化工路線的噸產(chǎn)品的耗水量要比石油化工路線的噸產(chǎn)品耗水量高出幾倍甚至是十幾倍。再比如，以乙烯為例，煤化工路線的噸乙烯所消耗的加熱蒸汽為29.2m3/噸，而石油制乙烯僅為4.4～9m3/噸，煤制乙烯所消耗的加熱蒸汽為后者的3～5倍。這種差距已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原料不同、工藝路線不同所引起的加熱量不同的差別，它反映的是工程設(shè)計(jì)特別是公用工程設(shè)計(jì)成熟程度和運(yùn)行管理所帶來的差距。

　　對此，楊友麒這樣解釋：“經(jīng)過上百年的發(fā)展，現(xiàn)今的石油化工路線已經(jīng)相對成熟，公用工程系統(tǒng)經(jīng)過多次優(yōu)化改造，水資源和能源的消耗都在不斷降低。而我國煤化工產(chǎn)業(yè)才剛剛起步，項(xiàng)目大多屬于示范工程，正處于大型工業(yè)化開發(fā)階段。示范項(xiàng)目的核心要求是要打通流程，順利拿到產(chǎn)品，而非節(jié)能節(jié)水。而有些示范項(xiàng)目還是放在戰(zhàn)略高度來考慮的，所以在公用工程配置上，只是盡量滿足工藝要求，根本談不上對水網(wǎng)絡(luò)和能源系統(tǒng)的優(yōu)化。能耗高、水耗高也就不足為奇。”

　　楊友麒進(jìn)一步解釋說：比如，某個(gè)煤化工項(xiàng)目中，煤氣化用的是GE水煤氣加壓氣化技術(shù)，凈化用林德公司低壓甲醇洗技術(shù)，甲醇合成用戴維甲醇合成，MTO是中科院大連化物所專利技術(shù)，聚乙烯/聚丙烯是陶氏化學(xué)公司的UNIPOL技術(shù)……在這種各種技術(shù)“大拼盤”條件下，各吹各的號，各打各的鑼，總體設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)的公用工程系統(tǒng)處于被動(dòng)滿足各方要求的境地，根本無暇顧及系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

 
　　其實(shí)，大幅度降低煤化工項(xiàng)目的耗水量早有先例。從起步較早的煤制甲醇項(xiàng)目來看，隨著工藝過程的逐步成熟和水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化，水耗可以大幅度下降。煤制甲醇的噸耗水從最開始的25噸, 逐步下降到17噸，到5年前設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到12噸，到180萬噸/年裝置投產(chǎn)時(shí)，煤制甲醇的噸耗水量已經(jīng)降到了7噸左右。過去的十幾年間，煤制甲醇噸產(chǎn)品水耗下降了70%多。

　　據(jù)了解，在煤制氣過程中用水主要分成兩部分，一部分水作為原料被消耗掉，這只占一小部分；而另外大部分的水是用于冷卻水。目前煤化工項(xiàng)目中之所以噸產(chǎn)品的耗水量動(dòng)輒就要幾噸，甚至十幾噸，主要還是在冷卻水的循環(huán)利用上沒有形成閉路循環(huán)，造成了大量浪費(fèi)。由此可見，高水耗并非是煤化工項(xiàng)目天生的基因，也不是必然結(jié)果，只要加強(qiáng)節(jié)水意識，采用合理的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，煤化工摘掉高水耗的帽子并非不可能。

　　過程系統(tǒng)工程助力節(jié)水減排

　　談到節(jié)水的具體措施，不少工藝人員可能首先想到的是盡可能多地使用空氣冷凝來替代水冷。而作為過程系統(tǒng)工程專家，楊友麒告訴記者，以全局的觀點(diǎn)，對整個(gè)水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行總體優(yōu)化才是大幅度提高水資源的利用率、降低耗水量的根本出路。

　　據(jù)楊友麒介紹，過程系統(tǒng)工程（PSE）是一門正在迅速成長的現(xiàn)代交叉學(xué)科，以處理物料流—能量流—信息流—資金流的過程系統(tǒng)為研究對象，研究其設(shè)計(jì)、控制、運(yùn)行和組織管理，目的是在總體上達(dá)到最優(yōu)化。將其應(yīng)用到煤化工項(xiàng)目水資源管理中，可以充分體現(xiàn)“效率為本，節(jié)約優(yōu)先”的理念，最大限度地提高水資源的利用效率、減少水的消耗。

　　過程系統(tǒng)工程從上世紀(jì)80年代引入到中國，目前在化工、冶金、制藥、食品、造紙等流程加工的過程工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。我國的煉油化工行業(yè)采用該系統(tǒng)在節(jié)水方面取得了顯著的成就，以中石化和中石油為代表的石化企業(yè)從2003年開始，陸續(xù)采用過程系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行節(jié)水減排的技術(shù)改造，近年來取得了長足的進(jìn)步。我國煉油廠的噸原油煉制耗水量下降了50%以上，2012年我國煉油噸油新鮮水取水量為0.55噸，接近國際先進(jìn)水平。

　　“這一技術(shù)在煤化工企業(yè)的應(yīng)用才剛剛開始，我們有理由相信，如果煤化工企業(yè)也能像中石化和中石油那樣全面采用和推廣過程系統(tǒng)工程的方法來開展節(jié)水減排，大幅度降低煤化工的水耗是完全可以期待的。”楊友麒對此充滿信心。

　　楊友麒告訴記者，節(jié)水減排的過程系統(tǒng)工程具體是通過“三步法”策略來實(shí)施的。所謂“三步法”即水平衡測試、水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化、外排污水深度處理回用。其中，第一步是基礎(chǔ)，通過加強(qiáng)管理、完善計(jì)量儀表，細(xì)致地進(jìn)行全廠水平衡測試，得到詳細(xì)的水平衡圖表，摸清家底，弄清自己企業(yè)用水的水平及與先進(jìn)水平的差距，將最容易挖掘的節(jié)水潛力挖到手，可以實(shí)現(xiàn)投資少、見效快、收益高的節(jié)水減排。第二步水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化集成，是指利用 “水夾點(diǎn)”方法，將工藝系統(tǒng)排出的各種廢水不經(jīng)處理或者經(jīng)簡單處理即可直接應(yīng)用于循環(huán)水系統(tǒng)或工藝裝置，也可以將這些相對污染較小的水集合起來，形成中水道，變成相對清潔的水源以供全廠利用，使新鮮水用量最小化，從而使排水量大幅度下降。這一步特點(diǎn)是投資主要用于管道建設(shè)及過濾設(shè)備，費(fèi)用不太高，投資回收期短。第三步才是污水再生利用。經(jīng)過前兩步處理后，污水排出量已大為減少，對不得不從末端排出的污水，通過一些水處理手段如反滲透離子交換、軟化等進(jìn)行處理，使其達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)，再返回系統(tǒng)中使用。這一步特點(diǎn)是設(shè)備投資大，投資回報(bào)周期長。

　　楊友麒強(qiáng)調(diào)，無論是對于煉油化工行業(yè)還是對于煤化工行業(yè)，各種節(jié)水措施要按過程系統(tǒng)工程原理,以合理科學(xué)的順序來安排，不能盲目地想起一個(gè)措施就上一個(gè)。“三步法”策略的順序一定不能顛倒，一定要合理安排工作流程，減少投資浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)效益與指標(biāo)的同步提升。只有將節(jié)水減排的潛力最大限度地挖掘出來，使污水排出量降到最低以后，再考慮污水的深度處理才是科學(xué)合理的。

　　楊友麒表示，現(xiàn)在一些企業(yè)在沒有進(jìn)行水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的前提下，急于利用再生污水，降低新鮮水耗，而沒有充分進(jìn)行中水回用，在大水耗的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了污水深度處理回用裝置。之后在做水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后，新鮮水量大幅度下降，污水排放總量也大幅度下降，結(jié)果造成了污水深度處理回用裝置的浪費(fèi)。所以，一定要在將水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、把減排后的污水量搞清楚后，再考慮上多大的深度處理回用裝置。

　　“總體上說，通過過程系統(tǒng)工程對煤化工用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化，煤化工產(chǎn)業(yè)節(jié)水的空間十分巨大。”楊友麒告訴記者。

　　8月14～16日在安徽合肥召開的第五屆全國石油和化工行業(yè)節(jié)能節(jié)水減排技術(shù)交流會上，中美日3國的技術(shù)專家在共同探討節(jié)能節(jié)水話題。  （李聞芝 攝）