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


楊友麒簡(jiǎn)歷
1957年大連工學(xué)院畢業(yè)，1979年至1981年公派美國(guó)麻省理工學(xué)院留學(xué)。回國(guó)后，歷任原化工部經(jīng)濟(jì)技術(shù)委員會(huì)常委、化工部計(jì)算機(jī)中心副主任、中國(guó)化工信息中心總工程師等職，曾任中國(guó)化工學(xué)會(huì)理事、歐美同學(xué)會(huì)理事、留美同學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，是我國(guó)早期計(jì)算機(jī)化工應(yīng)用及過程系統(tǒng)工程研究的先驅(qū)，中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)過程系統(tǒng)工程專業(yè)委員會(huì)及中國(guó)能源研究會(huì)熱力學(xué)與節(jié)能專業(yè)委員會(huì)的創(chuàng)始人，主持過“六五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“流程模擬系統(tǒng)與物性數(shù)據(jù)庫”，獲化工部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，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(xiàng)，專著有《實(shí)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(guó)務(wù)院有突出貢獻(xiàn)專家津貼。

近日，在第五屆全國(guó)石油和化工行業(yè)節(jié)能節(jié)水減排技術(shù)交流會(huì)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(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。”
發(fā)言的是我國(guó)過程系統(tǒng)工程著名專家，全國(guó)化工節(jié)能（減排）中心專家委員會(huì)主任委員、中國(guó)系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)過程系統(tǒng)工程委員會(huì)副主任楊友麒教授。
眾所周知，水資源匱乏是我國(guó)煤化工發(fā)展過程中的一個(gè)巨大障礙。資料顯示，我國(guó)人口占世界人口總量的22%，而水資源卻只有世界的8%，我國(guó)人均水資源占有量?jī)H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(guó)認(rèn)定的水資源緊缺國(guó)家。不僅如此。全國(guó)范圍內(nèi)水資源的分布嚴(yán)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(guó)水量，而國(guó)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(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。所以，在這次會(huì)議上，煤化工面臨水危機(jī)成了代表們談?wù)撟疃嗟脑掝}。
那么，楊友麒教授的觀點(diǎn)對(duì)緩解煤化工的水危機(jī)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(xiàng)目耗水量到底有多高？為了回答這個(gè)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(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(guó)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(xiàng)目能耗和水耗會(huì)稍高一些，從理論上講，煤化工路線和石油化工路線對(duì)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(huì)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。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(dá)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(xiàng)目會(huì)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(duì)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(guó)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(duì)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(jìn)一步解釋說：比如，許多煤化工項(xiàng)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(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(hào)，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。
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(xiàng)目中之所以噸產(chǎn)品的耗水量動(dòng)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(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(shí)，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(guó)內(nèi)煤化工示范項(xiàng)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(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。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(xiàng)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(kuò)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(jì)時(shí)的水耗是每噸油品耗水10噸，裝置投運(yùn)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(xiàng)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(diǎn)，對(duì)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)楊友麒教授介紹，過程系統(tǒng)工程（PSE）是一門正在迅速成長(zhǎng)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(duì)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(guó)，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(jìn)行節(jié)水減排的技術(shù)改造，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。我國(guó)煉油廠的噸原油煉制耗水量下降了50%以上，2012年我國(guó)煉油噸油新鮮水取水量為0.55噸，接近國(guó)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。”楊友麒教授對(duì)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(shí)施的。所謂“三步法”即水平衡測(cè)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?jī)x表，細(xì)致地進(jìn)行全廠水平衡測(cè)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(jiǎn)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(duì)污染較小的水集合起來，形成中水道，變成相對(duì)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(duì)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(zhǎng)。
楊友麒教授強(qiáng)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(gè)措施就上一個(gè)，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。“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)行各工藝裝置的排水回用，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。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(xué)合理的。”
“總體上說，通過過程系統(tǒng)工程對(duì)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。”楊友麒教授告訴記者。