宁东能源基地临近黄河，通过水利工程建设投资，既满足当地农业灌溉需求，同时支撑了煤化工产业的发展。图为宁东神华宁煤25万吨甲醇装置。 （本报记者 张育 摄）
在能源日趋紧张的压力下，大力发展煤化工产业成为中国能源和化工行业的现实选择。然而，大自然却和我们开了一个玩笑，我国的煤炭资源和水资源呈逆向分布，有煤的地方缺水，有水的地方没煤，让我国煤化工的发展处于两难境地。如今，在西北地区煤炭资源大省轰轰烈烈上马煤化工项目后，水私有制已经成为摆在煤化工产业发展面前最大的绊脚石之一。
如何化解煤化工的水资源危机？在8月14～16日安徽合肥召开的第五届全国石油和化工行业节能节水减排技术交流会上，记者听到这样一句令人振奋的话：“煤化工的高水耗并非产业发展的必然结果，很大程度上是由于工程设计不成熟造成的。事实上，以过程系统工程的方法，通过‘三步法’的程序，把整个用水网络系统进行整体优化，煤化工行业完全有可能将耗水量降下来。”持这一观点的是全国化工节能（减排）中心专家委员会副主任委员、中国系统工程学会过程系统工程委员会副主任杨友麒教授。
有煤缺水制约产业发展
“众所周知，水资源短缺是个全球性的问题，中国尤为严重。水资源在地域上分布不均更加加重了水资源危机。”记者注意到，在谈到中国水资源短缺问题时，杨友麒使用了“危机”一词。
在水资源问题上，使用“危机”一词并不为过。正像杨友麒所说的，中国是个极度缺水的国家。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，在全国范围内水资源的分布严重不均，从东南向西北递减，占全国面积1/3的长江以南地区拥有全国4/5的水量，而面积广大的北方地区只拥有不足1/5的水量。2012年2月国务院颁发了《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》，其中一个“最”字表明了我国水资源的紧缺程度，同时也表明了中央对于水资源管控的决心。
此前记者对杨友麒就炼油和石化行业的节能减排进行过一次专访，就在采访结束记者要离开时，杨友麒特意告诉记者：“现在大家更多的是关注能源问题，其实，我国的水资源短缺问题更为严重，应该引起全社会的重视。《中国化工报》应该对化工行业的节水问题多关注、多报道。”他的这番话给记者留下了深刻的印象。
据记者了解，我国不仅水资源严重短缺、分布不均，而且更为不利的是水资源与煤炭资源逆向分布，使得煤化工产业在发展过程中水的制约作用显得尤为突出。我国中西部的大部分产煤区，人均水资源只有全国平均水平的1/4～1/2，只相当于世界平均水平的1/16～1/8。产煤区如此缺水的现状和目前煤化工项目的高耗水状况形成了鲜明的对比，要发展煤化工必须量水而行。
那么，煤化工项目耗水量到底有多高呢？杨友麒以煤制油为例展示了一组数据。在目前的生产条件下，煤制油吨产品耗水量通常都在15～20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。按照“十二五”期间能开工的煤化工项目的上限计算，允许用水指标达6.58亿吨/年，而这些项目又集中在西北地区，水资源供给的瓶颈制约不言而喻，脆弱的生态环境能否支撑这样庞大的水资源供给，恐怕要打上一个大大的问号。从某种意义上讲，我国现代煤化工的发展能否可持续，最主要的因素不在于资金、煤资源和投资热情，而在于供水和环保情况。除了技术、市场、成本等因素外，水资源的承载能力是影响煤化工产业发展中一个不容忽视的因素。
事实上，西部一些地区已经开始拧紧了“水龙头”。2012年底，内蒙古自治区主席巴特尔在全区经济工作会议上再次强调，严禁违规抽采地下水，高耗水产业要加快建设替代水源工程，限期转换出所用地下水。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。
天脊集团牢固树立环保先行的理念，投资上亿元建成废水处理系统，将废水经过生化处理、循环冷却、反渗透深度处理后，再回用到生产中，节水效果明显。图为天脊煤化工园区废水处理项目操作人员正在现场接取处理后的达标水。（王爱军 摄）
高水耗缘于设计不成熟
“为什么煤化工项目会消耗如此大量的水资源？在我看来，主要的原因还在于现代煤化工项目大多处于示范阶段，工程设计不成熟，节水措施不到位。”杨友麒这样表示。
和石油化工相比，煤制烯烃、煤制甲醇等煤化工项目除了前端的原料不同外，后端的合成工艺几乎没有区别，从理论上讲，煤化工路线和石油化工路线对于水的需求量应该差别不大。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太多。但是事实却是，煤制油、煤制烯烃等煤化工路线的吨产品的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。再比如，以乙烯为例，煤化工路线的吨乙烯所消耗的加热蒸汽为29.2m3/吨，而石油制乙烯仅为4.4～9m3/吨，煤制乙烯所消耗的加热蒸汽为后者的3～5倍。这种差距已远远超出原料不同、工艺路线不同所引起的加热量不同的差别，它反映的是工程设计特别是公用工程设计成熟程度和运行管理所带来的差距。
对此，杨友麒这样解释：“经过上百年的发展，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。”
杨友麒进一步解释说：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……在这种各种技术“大拼盘”条件下，各吹各的号，各打各的锣，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，根本无暇顾及系统的整体优化。
其实，大幅度降低煤化工项目的耗水量早有先例。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5年前设计已经达到12吨，到180万吨/年装置投产时，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。
据了解，在煤制气过程中用水主要分成两部分，一部分水作为原料被消耗掉，这只占一小部分；而另外大部分的水是用于冷却水。目前煤化工项目中之所以吨产品的耗水量动辄就要几吨，甚至十几吨，主要还是在冷却水的循环利用上没有形成闭路循环，造成了大量浪费。由此可见，高水耗并非是煤化工项目天生的基因，也不是必然结果，只要加强节水意识，采用合理的网络优化技术，煤化工摘掉高水耗的帽子并非不可能。
过程系统工程助力节水减排
谈到节水的具体措施，不少工艺人员可能首先想到的是尽可能多地使用空气冷凝来替代水冷。而作为过程系统工程专家，杨友麒告诉记者，以全局的观点，对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。
据杨友麒介绍，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。我国的炼油化工行业采用该系统在节水方面取得了显著的成就，以中石化和中石油为代表的石化企业从2003年开始，陆续采用过程系统工程的方法进行节水减排的技术改造，近年来取得了长足的进步。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0.55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。”杨友麒对此充满信心。
杨友麒告诉记者，节水减排的过程系统工程具体是通过“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，将工艺系统排出的各种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反渗透离子交换、软化等进行处理，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。
杨友麒强调，无论是对于炼油化工行业还是对于煤化工行业，各种节水措施要按过程系统工程原理,以合理科学的顺序来安排，不能盲目地想起一个措施就上一个。“三步法”策略的顺序一定不能颠倒，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。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。
杨友麒表示，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，降低新鲜水耗，而没有充分进行中水回用，在大水耗的基础上设计了污水深度处理回用装置。之后在做水网络优化后，新鲜水量大幅度下降，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的浪费。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。
“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，煤化工产业节水的空间十分巨大。”杨友麒告诉记者。
8月14～16日在安徽合肥召开的第五届全国石油和化工行业节能节水减排技术交流会上，中美日3国的技术专家在共同探讨节能节水话题。 （李闻芝 摄）
