唐宏青

（北京中科合成油工程有限公司，北京 101407）

專論與綜述

正確處理煤化工與水的關(guān)系

唐宏青

（北京中科合成油工程有限公司，北京 101407）

敘述了中國的水資源，煤化工裝置的用水、節(jié)水途徑，產(chǎn)品新鮮水耗的基本要求和水權(quán)置換等問題，推薦系統(tǒng)節(jié)水優(yōu)化分析方法；認(rèn)為煤化工與水是一個經(jīng)濟(jì)與環(huán)境矛盾對立與統(tǒng)一的問題，處理好這兩者的關(guān)系，是煤化工發(fā)展的健康之路。

煤化工；水；系統(tǒng)節(jié)水優(yōu)化分析方法

1 中國的水資源

我國是水資源短缺和污染比較嚴(yán)重的國家之一。與1980年相比，1993年全國總?cè)∮盟吭黾?8．43%，達(dá)到5 255×108m3，人均用水量為450 m3。用水結(jié)構(gòu)發(fā)生很大轉(zhuǎn)變，自1980年以來，全國農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村生活用水（統(tǒng)稱農(nóng)村用水）基本持平，而工業(yè)用水和城鎮(zhèn)生活用水則有較大的增長。

1993年黃、淮、海河三流域人均占有水資源量分別為543、500和351 m3，而人均用水量為393、301和347 m3。國外學(xué)者認(rèn)為，人均占有水資源量1 000 m3是實現(xiàn)現(xiàn)代化的最低標(biāo)準(zhǔn)，從現(xiàn)狀和未來發(fā)展來看，我國北方黃、淮、海河三流域要達(dá)到人均占有水資源量1 000 m3是極其困難的，即使要達(dá)到500 m3也需很大的投入。

從全國情況看，目前城市缺水嚴(yán)重，已造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會環(huán)境問題。缺水城市范圍將由目前集中在三北（華北、東北、西北）地區(qū)及東部沿海城市逐漸向全國蔓延。

節(jié)約用水、治理污水和開發(fā)新水源具有同等重要的意義。

南水北調(diào)是緩解中國北方水資源嚴(yán)重短缺局面的重大戰(zhàn)略性工程。南水北調(diào)工程規(guī)劃最終調(diào)水規(guī)模448×108m3，其中東線148×108m3，中線130×108m3，西線170×108m3，建設(shè)時間需40～50年。南水北調(diào)中線干線河北段主體工程已全線貫通，為2014年南水北調(diào)中線汛后通水奠定了基礎(chǔ)。東線一期工程的任務(wù)就是從長江下游調(diào)水到山東半島和魯北地區(qū)，已經(jīng)完工并開始供水。西線工程因為有不同的意見，前期工作推遲了，就算現(xiàn)在開工，也得15年以后才能通水。因此，西部缺水問題沒有解決。

西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，加大了西部地區(qū)資源的開發(fā)力度，使得西部地區(qū)資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的矛盾更加突出。近年來，在西部地區(qū)，與如火如荼的投資熱潮形成反差的是煤化工下游產(chǎn)業(yè)遭遇的水資源短缺。

目前，水資源過載、地下水污染、生態(tài)退化等生態(tài)環(huán)境問題在西部地區(qū)煤炭富集區(qū)普遍存在。如果對西部地區(qū)諸如煤化工等高耗能、高耗水的重化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展不加以引導(dǎo)，區(qū)域生態(tài)安全將會受到嚴(yán)重影響。

煤水逆向分布一直是我國資源稟賦的突出特點和重化工發(fā)展的主要制約因素。然而，近幾年來，西部的內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅、陜西以及新疆等省區(qū)都將重化工作為拉動GDP增速的引擎，規(guī)劃了眾多包括煤化工產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的重化工基地。煤化工的耗水量是很大的，例如以內(nèi)蒙為例，每生產(chǎn)1 t甲醇耗水17 t，生產(chǎn)1 t二甲醚耗水14 t，生產(chǎn)1 t合成氨耗水18 t，生產(chǎn)1 t煤制油耗水13 t，生產(chǎn)1 t聚烯烴甲醇耗水32 t。一個年產(chǎn)600 kt聚烯烴的煤化工裝置年耗水量約20 000 kt，各地計劃要建設(shè)同類廠共計28 Mt／a，總共要耗水9．3×108t，這是西北地區(qū)無法承受的。

西北地區(qū)是全國降水量最低的區(qū)域，自然生態(tài)脆弱，水資源對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的約束性強(qiáng)，生態(tài)對水分依存度高，生態(tài)需水剛性大，水資源的工業(yè)可利用量相對較少。

節(jié)水是西北地區(qū)的頭等大事！

2 煤化工裝置的用水

一個煤化工裝置中用水的地方很多，例如，工藝用水、補(bǔ)充冷卻用循環(huán)水、補(bǔ)充制鹽用水、生活用水、消防用水、基建與綠化用水、其他（漏損）等。

大部分水經(jīng)過處理，有的直接回用，有的作為污水排放。

這些水的去向大致可以分為蒸發(fā)、分解、排污、攜帶等幾個方面。

蒸發(fā) 在涼水塔中揮發(fā)掉。煤化工工廠中這部分是主要的去向。

分解 在工藝過程中消失，水分解為H和O元素，與其他物質(zhì)形成新的化合物。

排污 包括工藝污水、生活污水、非工藝污水等，分為直接清凈的污水和處理后的污水。這部分污水一般總是存在的，完全消除是很難做到的。

攜帶 一些固體排放物攜帶的水，例如渣漿和濾餅中攜帶的水。

每一個煤化工裝置中，上述各部分水的量是不同的，具體情況要視工藝過程而定。表1是一個典型裝置的數(shù)據(jù)，可以看出循環(huán)水蒸發(fā)約占一半以上。

表1 典型煤化工裝置中水的去向%

減少上述各分項中水的量，就是煤化工裝置節(jié)水的著手點。

3 節(jié)水的途徑

一個化工裝置要節(jié)水，主要有兩個方面。一個是裝置內(nèi)現(xiàn)有水源的優(yōu)化利用，另一個是裝置內(nèi)工藝過程的優(yōu)化。

3.1 現(xiàn)有水源的優(yōu)化利用——夾點技術(shù)

對裝置內(nèi)現(xiàn)有水源的優(yōu)化利用，采用夾點技術(shù)是一種科學(xué)的優(yōu)化方法，是世界上先進(jìn)的技術(shù)。

化工工藝過程中存在多股冷、熱物流，冷、熱物流間的換熱量與公用工程耗量的關(guān)系可用溫-焓（T-H）圖表示。多股冷、熱物流在T-H圖上可分別合并為冷、熱物流復(fù)合曲線，兩曲線在H軸上投影的重疊即為冷、熱物流間的換熱量，不重疊的即為冷熱公用工程耗量。當(dāng)兩曲線在水平方向上相互移近時，熱回收量Qx增大，而公用工程耗量Qc和QH減小，各部位的傳熱溫差也減小。當(dāng)曲線互相接近至某一點達(dá)到最小允許傳熱功當(dāng)量溫差△tmin時，熱回收量達(dá)到最大（Qx，max），冷、熱公用工程耗量達(dá)到最?。≦c，min，QH，min），兩曲線運動縱坐標(biāo)最接近的位置叫作夾點。

目前，夾點技術(shù)已在化工領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的效益。夾點技術(shù)在國外工業(yè)界也受到重視，國際上知名的化工公司普遍采用夾點技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計，世界上已有100多家公司在至少1000多個工程項目上使用夾點技術(shù)進(jìn)行新廠設(shè)計，老廠改造或可行性研究，一些大型工程公司如魯姆斯、凱洛格等都有專門小組從事夾點技術(shù)設(shè)計，目前夾點技術(shù)已成為世界性的工程設(shè)計手段。

總之，對于石油、化工等典型的過程工業(yè)，用夾點分析的方法對過程系統(tǒng)的用水狀況進(jìn)行診斷，可找到過程系統(tǒng)中用水的制約因素，因而夾點技術(shù)在水網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。大量的工程實例證明，利用夾點分析技術(shù)，指導(dǎo)具體過程系統(tǒng)工程的改造或設(shè)計，能降低公用工程消耗量和初期的投資費用，實施方法簡單，具有明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。

3.2 工藝過程的優(yōu)化

一個化工裝置，從原料到產(chǎn)品必定由多個工藝單元組成。這個裝置中消耗的水量主要由三個部分組成：（1）作為原料參與反應(yīng)而分解或聚集在產(chǎn)品中的水；（2）與廢氣、廢液和固體廢物料混在一起而排放的水；（3）作為換熱用的循環(huán)水在涼水塔中冷卻時蒸發(fā)的水。

在裝置工藝已經(jīng)確定的情況下，就有一定的耗水量。改進(jìn)和優(yōu)化工藝，就有可能降低耗水量。

從上面煤化工裝置中水的去向表可以看出，節(jié)省循環(huán)冷卻水，是大幅度降低產(chǎn)品水耗的主要手段。

節(jié)省循環(huán)冷卻水的最主要辦法是采用空冷器，空氣冷卻器是利用空氣冷卻熱流體的換熱器。管內(nèi)的熱流體通過管壁和翅片與管外空氣換熱，所用的空氣通常由通風(fēng)機(jī)供給?？諝饫鋮s器可用于冷卻或冷凝，廣泛應(yīng)用于煉油、石油化工塔頂蒸氣的冷凝；回流油、塔底油的冷卻；各種反應(yīng)生成物的冷卻；循環(huán)氣體的冷卻和電站汽輪機(jī)排氣的冷凝。

在煉油系統(tǒng)，很重視空冷器的使用，而在化工系統(tǒng)中，相對來說比較忽視這個問題。例如目前甲醇裝置中水耗量很大，就是沒有采用空冷器的原因。如果采用空冷器，噸甲醇耗水量可以輕而易舉地從現(xiàn)在的17 t降到10 t以下。如果采取制冷加閉路循環(huán)，可以進(jìn)一步降低水的消耗，排污量也可以減少。

空冷器主要由管束、支架和風(fēng)機(jī)組成。熱流體在管內(nèi)流動，空氣在管束外吹過。

這個技術(shù)目前新裝置設(shè)計在使用，如果能達(dá)到80%以上的冷卻水用制冷加閉路循環(huán)處理，噸甲醇耗水量可以降到6 t以下。

這樣的優(yōu)化設(shè)計，對于一個成熟的傳統(tǒng)甲級化工設(shè)計院來說，不是很棘手，問題是業(yè)主愿不愿意。

3.3 節(jié)能降耗與水的關(guān)系

在國內(nèi)幾十年的發(fā)展中，企業(yè)經(jīng)常采取的辦法是“節(jié)能改造”，目標(biāo)是節(jié)能。在這個過程中，水耗量的減少和增加是不一定的。

現(xiàn)在，水的問題如此嚴(yán)重，就有可能在全國部分干旱地區(qū)的老企業(yè)實施“節(jié)水改造”，也就是對現(xiàn)有工藝過程進(jìn)行改造，目標(biāo)是節(jié)水。在節(jié)水以后，能耗有可能增加，也有可能減少。例如，空冷器的應(yīng)用是能耗增加。

當(dāng)然，最好是又節(jié)能又節(jié)水。但這是理想，不一定能實現(xiàn)。

4 產(chǎn)品新鮮水耗的基本要求

在這里我們需要說明，煤化工裝置的耗水量，或者單位產(chǎn)品的耗水量，不是一個本質(zhì)值。有的學(xué)者把這個數(shù)據(jù)看成是本質(zhì)值，以此來說明哪種產(chǎn)品該上，哪種產(chǎn)品不該上，這顯然是在誤導(dǎo)。

應(yīng)該說，產(chǎn)品新鮮水耗有一個不是很清晰的下限值，即下降到某一個數(shù)值時，再下降是很困難的。表1中的工藝過程分解水是剛性需求，通常很難減少。

但是，一個裝置產(chǎn)品新鮮水耗的變化幅度可以很大，例如，甲醇的噸耗水量，20 t也可以，10 t也可以。這個值與煤的品質(zhì)、設(shè)計方法、業(yè)主的投資意愿與生產(chǎn)成本有密切的關(guān)系。煤的品質(zhì)差，水耗量就高；由于空冷器的投資大，有些業(yè)主不愿意采用；有的裝置即使有空冷器，運行的時候也不開，用水比用電便宜和能耗低等等，這些都是人為的因素。

這就說明，節(jié)水是可以做到的，不困難，關(guān)鍵要有剛性消耗指標(biāo)，和剛性配水。當(dāng)業(yè)主水指標(biāo)不夠用的時候，節(jié)水問題就解決了。

近期，國家有關(guān)部門設(shè)定煤化工裝置新鮮水耗（見表2）。要求設(shè)計部門在新裝置設(shè)計時，達(dá)到基本要求。從設(shè)計的角度來說，這個要求不難做到，前提是，煤的品質(zhì)達(dá)到要求、允許投資高一些、能耗高一點。

以煤制烯烴為例，煤制烯烴是近年來我國自己開發(fā)的化工單元技術(shù)，已經(jīng)取得了良好的進(jìn)展，煤制低碳烯烴MTO的示范裝置已經(jīng)投產(chǎn)。這個裝置每噸聚烯烴設(shè)計耗水量為32 t，考核的耗水量為28．9 t。這二個數(shù)字都遠(yuǎn)高于石油聚烯烴的耗水量。

表2 新鮮水耗基本要求

從工藝角度出發(fā)，我們不能設(shè)想煤化工裝置的耗水量能夠低于同類石油化工裝置，但就煤化工裝置來說，在一定程度上降低水耗量是可以實現(xiàn)的。

在煤制烯烴的整個工藝中，有一個重要的指標(biāo)得注意的，即噸聚烯烴的甲醇耗量為3．0 t，目前實際上的數(shù)據(jù)比設(shè)計值大得多，由于煤制甲醇的耗水量較大，這就是每噸聚烯烴的耗水量較高的主要原因。

不言而喻，降低噸聚烯烴的甲醇耗量是節(jié)水的一條捷徑。因此，每個裝置的節(jié)水，應(yīng)該是具體問題具體研究。

5 水權(quán)置換

當(dāng)前突出的問題是，西部許多地方在發(fā)展化工石化產(chǎn)業(yè)時，只考慮經(jīng)濟(jì)因素，哪里成本低、效益高，就在哪里建。

在對西部地區(qū)重化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展與資源環(huán)境承載力矛盾進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)普遍存在干旱、水資源短缺等問題，因此，在西部建設(shè)大規(guī)模煤化工裝置，設(shè)計過程中就要統(tǒng)籌好水資源利用和水環(huán)境保護(hù)的矛盾。有人提出采用水權(quán)置換的辦法，就是幫助農(nóng)業(yè)提高水的利用率，把節(jié)省下來的水用于煤化工裝置。

這屬于工業(yè)與農(nóng)業(yè)用水的水權(quán)置換，從國家長遠(yuǎn)利益看，表面上是一個雙贏的舉措，實際上是雙輸。一旦未來農(nóng)業(yè)發(fā)展了，農(nóng)業(yè)和工業(yè)都受到影響，雙雙的手腳都被捆住了。

分配給未來農(nóng)業(yè)的用水，不應(yīng)該去動它。應(yīng)該采取工業(yè)與工業(yè)之間的水權(quán)置換。辦法是，把資金用在現(xiàn)有裝置的節(jié)水改造上，把節(jié)省下來的水，用于新裝置。

6 現(xiàn)實中的煤化工裝置

已經(jīng)投產(chǎn)的煤化工裝置，無論是老的煤化工裝置，如甲醇、合成氨等，還是新煤化工裝置，如合成油、甲醇制烯烴等，都有節(jié)水的可能。

以伊泰160 kt煤制油裝置為例，目前的噸產(chǎn)品水耗量約為13 t。但是新設(shè)計的百萬噸級煤制油裝置，噸產(chǎn)品水耗量可降到6 t以下，辦法很簡單：加大投資，綜合采用空冷器、部分冷卻水閉路循環(huán)、使用夾點技術(shù)等。問題的前提是要投資加大，在生態(tài)和錢之間，選擇前者。業(yè)主一定要理解，又省錢又節(jié)水的辦法是很難找到的。

這里要說一下煤化工的用水問題是值得重視的。以煤制天然氣為例，目前已建、在建和發(fā)改委給出路條的煤制天然氣裝置能力共671× 108m3／a，按表2的指標(biāo)計算，約為4．7×108t／a水。在西北地區(qū)，提供這樣數(shù)量的水是很困難的。

在一個煤化工裝置中，冬季和夏季的用水量有差別，無論哪個季節(jié)，都有節(jié)水的可能。表3說明在一套典型的煤化工裝置中五個主要部分的節(jié)水情況，各分項冬夏季略有區(qū)別，總的節(jié)水率可達(dá)70%，這樣的結(jié)果對工廠是有吸引力的。

表3 典型裝置中兩個季節(jié)各分項節(jié)水結(jié)果%

利用系統(tǒng)節(jié)水優(yōu)化分析方法對現(xiàn)有裝置進(jìn)行節(jié)水改造，是解決西部地區(qū)煤化工發(fā)展的重要措施，北京圣金橋信息技術(shù)公司有多次比較成功的經(jīng)驗。

7 結(jié) 語

單位產(chǎn)品的耗水量，體現(xiàn)了該裝置的耗水水平，降低這個指標(biāo)才算是有實際意義。利用系統(tǒng)節(jié)水優(yōu)化分析方法指導(dǎo)節(jié)水，是值得推廣的。在西北地區(qū)，制約煤化工發(fā)展的是水，這是一個經(jīng)濟(jì)與環(huán)境矛盾對立與統(tǒng)一的問題，處理好這兩者的關(guān)系，是煤化工發(fā)展的健康之路。

Correct Handling of Relationship Between Coal Chemical Industry and Water

TANG Hong-qing
（Synfuels China Engineering Co．，Ltd．，Beijing 101407，China）

Describe water resource in China，ways of water exploiting and water saving in chemical coal industry，basic requirements for product fresh water consumption，the replacement of water rights，etc．Recommend system optimization analysis method of water-saving．Also think relationship between coal chemical industry and water is opposition and unification issue of economic and environment，to handle relationship correctly is healthy way for coal chemical industry．

coal chemical industry；water；system optimization analysis method of water-saving

TQ085

A

1003-6490（2014）01-0001-04

2013-12-16

唐宏青（1941－），男，上海人，教授級高工，中科合成油工程有限公司顧問。