——訪著名過程系統(tǒng)工程專家、全國化工節(jié)能（減排）中心專家委員會主任委員楊友麒教授


楊友麒簡歷
1957年大連工學院畢業(yè)，1979年至1981年公派美國麻省理工學院留學。回國后，歷任原化工部經(jīng)濟技術(shù)委員會常委、化工部計算機中心副主任、中國化工信息中心總工程師等職，曾任中國化工學會理事、歐美同學會理事、留美同學會副會長，是我國早期計算機化工應(yīng)用及過程系統(tǒng)工程研究的先驅(qū)，中國系統(tǒng)工程學會過程系統(tǒng)工程專業(yè)委員會及中國能源研究會熱力學與節(jié)能專業(yè)委員會的創(chuàng)始人，主持過“六五”國家科技攻關(guān)項目“流程模擬系統(tǒng)與物性數(shù)據(jù)庫”，獲化工部科技進步二等獎，國家科技進步三等獎，2008至2011年以特邀專家身份參與了中石油煉油化工能量系統(tǒng)集成優(yōu)化重大科技專項，專著有《實用化工系統(tǒng)工程》等，與成思危合著《現(xiàn)代過程系統(tǒng)工程》和《過程系統(tǒng)工程辭典》等。1992年起享受國務(wù)院有突出貢獻專家津貼。

近日，在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，記者聽到這樣一段發(fā)言：“煤化工的高水耗很大程度上是由于工程設(shè)計不成熟造成的。事實上，以過程系統(tǒng)工程的方法，通過‘三步法’的程序，把整個用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行整體優(yōu)化，煤化工行業(yè)完全有可能將耗水量降下來。”
發(fā)言的是我國過程系統(tǒng)工程著名專家，全國化工節(jié)能（減排）中心專家委員會主任委員、中國系統(tǒng)工程學會過程系統(tǒng)工程委員會副主任楊友麒教授。
眾所周知，水資源匱乏是我國煤化工發(fā)展過程中的一個巨大障礙。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)合國認定的水資源緊缺國家。不僅如此。全國范圍內(nèi)水資源的分布嚴重不均，從東南向西北遞減，面積廣大的北方地區(qū)只擁有不足1/5的全國水量，而國內(nèi)主要煤炭產(chǎn)地和煤化工基地恰恰就分布在最缺水的地區(qū)。據(jù)知情人士透露，在內(nèi)蒙古境內(nèi)的已經(jīng)投產(chǎn)的煤化工項目中，有些就因為沒有充足的水資源供給，曾經(jīng)幾度被迫停工。所以，在這次會議上，煤化工面臨水危機成了代表們談?wù)撟疃嗟脑掝}。
那么，楊友麒教授的觀點對緩解煤化工的水危機有著什么樣的意義呢？記者就此采訪了楊友麒教授。
只突出工藝過關(guān)，未考慮水網(wǎng)優(yōu)化是耗水量大主因
煤化工項目耗水量到底有多高？為了回答這個問題，楊友麒教授以煤制油為例介紹了一組數(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10～20噸，一個年產(chǎn)300萬噸的煤制油項目年用水量將達6000萬噸左右。這相當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。如果和石油化工相比，煤制烯烴、煤制甲醇等煤化工項目能耗和水耗會稍高一些，從理論上講，煤化工路線和石油化工路線對于水的需求量差別不應(yīng)該如此大。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。以乙烯為例，煤化工路線的噸乙烯所消耗的加熱蒸汽為62噸/噸，而石油制乙烯僅為4.4～9噸/噸，煤制乙烯所消耗的加熱蒸汽為后者的7～14倍。相應(yīng)煤制乙烯耗水達48～64噸/噸（24～32噸/噸烯烴），而石油化工乙烯則只有6～8噸/噸。
“為什么煤化工項目會消耗如此大量的水資源？在我看來，經(jīng)過幾十年的發(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。”
楊友麒教授進一步解釋說：比如，許多煤化工項目都是“拼盤”，煤氣化用的是殼牌煤氣化技術(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（甲醇制烯烴）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)計公司設(shè)計的公用工程系統(tǒng)處于被動滿足各方要求的境地，根本無暇顧及系統(tǒng)的整體優(yōu)化。
通過過程系統(tǒng)工程技術(shù)優(yōu)化，煤化工完全可以將水耗降下來
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制脫鹽水（發(fā)生蒸汽）和冷卻水。目前煤化工項目中之所以噸產(chǎn)品的耗水量動輒就要十幾噸，甚至幾十噸，主要在于公用工程系統(tǒng)沒有優(yōu)化，造成了大量浪費。“由此可見，高水耗并非是煤化工項目天生的基因，也不是必然結(jié)果，只要加強節(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。”楊友麒教授說。
據(jù)了解，國內(nèi)煤化工示范項目從一上馬，就一直在為降低耗水而努力。從起步較早的煤制甲醇項目來看，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)計已經(jīng)達到12噸，到180萬噸/年裝置投產(chǎn)時，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。再比如伊泰煤炭股份有限公司的16萬噸/年的間接液化煤制油示范項目，目前生產(chǎn)1噸油品需要耗水13噸左右，經(jīng)過節(jié)水改造，水的消耗量可以降到8噸左右。如果裝置規(guī)模擴大到200萬噸/年，耗水量就可能降到3.68噸左右。再比如神華鄂爾多斯煤制油分公司的百萬噸直接液化煤制油裝置，設(shè)計時的水耗是每噸油品耗水10噸，裝置投運后經(jīng)過技術(shù)改造，水耗降到了7噸。
“這證明，通過系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，煤化工項目完全可以將水耗降下來。”楊友麒教授說。
“三步法”過程系統(tǒng)工程是降低水耗的根本出路
談到節(jié)水的具體措施，不少搞煤化工的人可能首先想到的是盡可能多地使用空氣冷凝器來替代水冷。而作為過程系統(tǒng)工程專家，楊友麒教授告訴記者，以全局的觀點，對整個水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行總體優(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)楊友麒教授介紹，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、控制、運行和組織管理，目的是在總體上達到最優(yōu)化。將其應(yīng)用到煤化工項目水資源管理中，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。從2003年開始，中石化和中石油陸續(xù)采用過程系統(tǒng)工程的方法進行節(jié)水減排的技術(shù)改造，取得了長足的進步。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。”楊友麒教授對此充滿信心。
楊友麒教授告訴記者，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)，通過加強管理、完善計量儀表，細致地進行全廠水平衡測試，得到詳細的水平衡圖表，摸清家底，弄清自己企業(yè)用水的水平及與先進水平的差距，將最容易挖掘的節(jié)水潛力挖到手，可以實現(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”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。這一步特點是投資主要用于管道建設(shè)及過濾設(shè)備，費用不太高，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、軟化等進行處理，使其達到回用標準，再返回系統(tǒng)中使用。這一步特點是設(shè)備投資大，投資回報周期長。
楊友麒教授強調(diào)，“三步法”策略的順序一定不能顛倒，不能盲目地想起一個措施就上一個，一定要合理安排工作流程，減少投資浪費，實現(xiàn)效益與指標的同步提升。“現(xiàn)在一些企業(yè)在沒有進行水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的前提下，急于利用再生污水，降低新鮮水耗，而沒有充分進行各工藝裝置的排水回用，在大水耗的基礎(chǔ)上設(shè)計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。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。也就是說，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合理的。”
“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。”楊友麒教授告訴記者。