正確處理煤化工與水的關系

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、節水途徑，產品新鮮水耗的基本要求和水權置換等問題，推薦系統節水優化分析方法；認為煤化工與水是一個經濟與環境矛盾對立與統一的問題，處理好這兩者的關系，是煤化工發展的健康之路。

煤化工；水；系統節水優化分析方法

1 中國的水資源

我國是水資源短缺和污染比較嚴重的國家之一。與1980年相比，1993年全國總取用水量增加18．43%，達到5 255×108m3，人均用水量為450 m3。用水結構發生很大轉變，自1980年以來，全國農業灌溉和農村生活用水（統稱農村用水）基本持平，而工業用水和城鎮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。國外學者認為，人均占有水資源量1 000 m3是實現現代化的最低標準，從現狀和未來發展來看，我國北方黃、淮、海河三流域要達到人均占有水資源量1 000 m3是極其困難的，即使要達到500 m3也需很大的投入。

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

節約用水、治理污水和開發新水源具有同等重要的意義。

南水北調是緩解中國北方水資源嚴重短缺局面的重大戰略性工程。南水北調工程規劃最終調水規模448×108m3，其中東線148×108m3，中線130×108m3，西線170×108m3，建設時間需40～50年。南水北調中線干線河北段主體工程已全線貫通，為2014年南水北調中線汛后通水奠定了基礎。東線一期工程的任務就是從長江下游調水到山東半島和魯北地區，已經完工并開始供水。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。

西部大開發戰略的實施，加大了西部地區資源的開發力度，使得西部地區資源開發與環境保護的矛盾更加突出。近年來，在西部地區，與如火如荼的投資熱潮形成反差的是煤化工下游產業遭遇的水資源短缺。

目前，水資源過載、地下水污染、生態退化等生態環境問題在西部地區煤炭富集區普遍存在。如果對西部地區諸如煤化工等高耗能、高耗水的重化工產業發展不加以引導，區域生態安全將會受到嚴重影響。

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展的主要制約因素。然而，近幾年來，西部的內蒙古、寧夏、甘肅、陜西以及新疆等省區都將重化工作為拉動GDP增速的引擎，規劃了眾多包括煤化工產業在內的重化工基地。煤化工的耗水量是很大的，例如以內蒙為例，每生產1 t甲醇耗水17 t，生產1 t二甲醚耗水14 t，生產1 t合成氨耗水18 t，生產1 t煤制油耗水13 t，生產1 t聚烯烴甲醇耗水32 t。一個年產600 kt聚烯烴的煤化工裝置年耗水量約20 000 kt，各地計劃要建設同類廠共計28 Mt／a，總共要耗水9．3×108t，這是西北地區無法承受的。

西北地區是全國降水量最低的區域，自然生態脆弱，水資源對產業發展的約束性強，生態對水分依存度高，生態需水剛性大，水資源的工業可利用量相對較少。

節水是西北地區的頭等大事！

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、補充冷卻用循環水、補充制鹽用水、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、分解、排污、攜帶等幾個方面。

蒸發 在涼水塔中揮發掉。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據，可以看出循環水蒸發約占一半以上。

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，就是煤化工裝置節水的著手點。

3 節水的途徑

一個化工裝置要節水，主要有兩個方面。一個是裝置內現有水源的優化利用，另一個是裝置內工藝過程的優化。

3.1 現有水源的優化利用——夾點技術

對裝置內現有水源的優化利用，采用夾點技術是一種科學的優化方法，是世界上先進的技術。

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。當曲線互相接近至某一點達到最小允許傳熱功當量溫差△tmin時，熱回收量達到最大（Qx，max），冷、熱公用工程耗量達到最小（Qc，min，QH，min），兩曲線運動縱坐標最接近的位置叫作夾點。

目前，夾點技術已在化工領域廣泛應用，并取得了顯著的效益。夾點技術在國外工業界也受到重視，國際上知名的化工公司普遍采用夾點技術。據統計，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進行新廠設計，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設計，目前夾點技術已成為世界性的工程設計手段。

總之，對于石油、化工等典型的過程工業，用夾點分析的方法對過程系統的用水狀況進行診斷，可找到過程系統中用水的制約因素，因而夾點技術在水網絡中的應用可為國民經濟的發展帶來巨大的經濟效益和社會效益。大量的工程實例證明，利用夾點分析技術，指導具體過程系統工程的改造或設計，能降低公用工程消耗量和初期的投資費用，實施方法簡單，具有明顯的優勢，應用前景廣闊。

3.2 工藝過程的優化

一個化工裝置，從原料到產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）作為原料參與反應而分解或聚集在產品中的水；（2）與廢氣、廢液和固體廢物料混在一起而排放的水；（3）作為換熱用的循環水在涼水塔中冷卻時蒸發的水。

在裝置工藝已經確定的情況下，就有一定的耗水量。改進和優化工藝，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，節省循環冷卻水，是大幅度降低產品水耗的主要手段。

節省循環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機供給。空氣冷卻器可用于冷卻或冷凝，廣泛應用于煉油、石油化工塔頂蒸氣的冷凝；回流油、塔底油的冷卻；各種反應生成物的冷卻；循環氣體的冷卻和電站汽輪機排氣的冷凝。

在煉油系統，很重視空冷器的使用，而在化工系統中，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在的17 t降到10 t以下。如果采取制冷加閉路循環，可以進一步降低水的消耗，排污量也可以減少。

空冷器主要由管束、支架和風機組成。熱流體在管內流動，空氣在管束外吹過。

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

這樣的優化設計，對于一個成熟的傳統甲級化工設計院來說，不是很棘手，問題是業主愿不愿意。

3.3 節能降耗與水的關系

在國內幾十年的發展中，企業經常采取的辦法是“節能改造”，目標是節能。在這個過程中，水耗量的減少和增加是不一定的。

現在，水的問題如此嚴重，就有可能在全國部分干旱地區的老企業實施“節水改造”，也就是對現有工藝過程進行改造，目標是節水。在節水以后，能耗有可能增加，也有可能減少。例如，空冷器的應用是能耗增加。

當然，最好是又節能又節水。但這是理想，不一定能實現。

4 產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，或者單位產品的耗水量，不是一個本質值。有的學者把這個數據看成是本質值，以此來說明哪種產品該上，哪種產品不該上，這顯然是在誤導。

應該說，產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、設計方法、業主的投資意愿與生產成本有密切的關系。煤的品質差，水耗量就高；由于空冷器的投資大，有些業主不愿意采用；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，節水是可以做到的，不困難，關鍵要有剛性消耗指標，和剛性配水。當業主水指標不夠用的時候，節水問題就解決了。

近期，國家有關部門設定煤化工裝置新鮮水耗（見表2）。要求設計部門在新裝置設計時，達到基本要求。從設計的角度來說，這個要求不難做到，前提是，煤的品質達到要求、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的化工單元技術，已經取得了良好的進展，煤制低碳烯烴MTO的示范裝置已經投產。這個裝置每噸聚烯烴設計耗水量為32 t，考核的耗水量為28．9 t。這二個數字都遠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，我們不能設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的。

在煤制烯烴的整個工藝中，有一個重要的指標得注意的，即噸聚烯烴的甲醇耗量為3．0 t，目前實際上的數據比設計值大得多，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水的一條捷徑。因此，每個裝置的節水，應該是具體問題具體研究。

5 水權置換

當前突出的問題是，西部許多地方在發展化工石化產業時，只考慮經濟因素，哪里成本低、效益高，就在哪里建。

在對西部地區重化工產業發展與資源環境承載力矛盾進行分析時，發現西北地區普遍存在干旱、水資源短缺等問題，因此，在西部建設大規模煤化工裝置，設計過程中就要統籌好水資源利用和水環境保護的矛盾。有人提出采用水權置換的辦法，就是幫助農業提高水的利用率，把節省下來的水用于煤化工裝置。

這屬于工業與農業用水的水權置換，從國家長遠利益看，表面上是一個雙贏的舉措，實際上是雙輸。一旦未來農業發展了，農業和工業都受到影響，雙雙的手腳都被捆住了。

分配給未來農業的用水，不應該去動它。應該采取工業與工業之間的水權置換。辦法是，把資金用在現有裝置的節水改造上，把節省下來的水，用于新裝置。

6 現實中的煤化工裝置

已經投產的煤化工裝置，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，都有節水的可能。

以伊泰160 kt煤制油裝置為例，目前的噸產品水耗量約為13 t。但是新設計的百萬噸級煤制油裝置，噸產品水耗量可降到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、使用夾點技術等。問題的前提是要投資加大，在生態和錢之間，選擇前者。業主一定要理解，又省錢又節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的指標計算，約為4．7×108t／a水。在西北地區，提供這樣數量的水是很困難的。

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，都有節水的可能。表3說明在一套典型的煤化工裝置中五個主要部分的節水情況，各分項冬夏季略有區別，總的節水率可達70%，這樣的結果對工廠是有吸引力的。

表3 典型裝置中兩個季節各分項節水結果%

利用系統節水優化分析方法對現有裝置進行節水改造，是解決西部地區煤化工發展的重要措施，北京圣金橋信息技術公司有多次比較成功的經驗。

7 結 語

單位產品的耗水量，體現了該裝置的耗水水平，降低這個指標才算是有實際意義。利用系統節水優化分析方法指導節水，是值得推廣的。在西北地區，制約煤化工發展的是水，這是一個經濟與環境矛盾對立與統一的問題，處理好這兩者的關系，是煤化工發展的健康之路。

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。