我國現(xiàn)代煤化產(chǎn)業(yè)經(jīng)過“十一五”以來的工程示范和推廣，無論是在產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)突破、重大裝備自主化研究，還是在產(chǎn)品品種開發(fā)和生產(chǎn)規(guī)模等方面，都取得了較大的進(jìn)展。“十二五”期間，各個(gè)大型煤化工示范裝置先后投產(chǎn)運(yùn)行，一個(gè)新型現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的雛形在我國初步形成，這是我國獨(dú)立自主的創(chuàng)舉。但令人遺憾的是，我國煤化工在發(fā)展中也受到了單位產(chǎn)品水耗高的制約。
煤化工的耗水量到底有多高?
煤化工受到水耗制約，可以從兩個(gè)方面來理解。
一方面，我國的產(chǎn)煤區(qū)通常處于缺水地區(qū)，或即使有水源也缺乏納污能力。我國昆侖山—秦嶺—大別山一線以北地區(qū)的煤炭資源占全國的90.13%，以南地區(qū)只占9.7%;而我國水資源分布也以昆侖山—秦嶺—大別山一線為界，以南水資源豐富，占78.6%，以北水資源短缺，只占21.4%。而一個(gè)30億立方米/年煤制天然氣企業(yè)需要耗新鮮水1500萬立方米/年;一個(gè)60萬噸/年煤制烯烴企業(yè)每年也需要至少1320萬立方米新鮮水，這對(duì)于缺水地區(qū)而言，是要擠占其他方面用水的。
另一方面，如果制取同樣的化工產(chǎn)品，用石油化工工藝路線，會(huì)比煤化工的水耗低得多。以烯烴為例，石油化工用石腦油制乙烯，噸乙烯耗水量為6～7立方米/噸，而煤制乙烯則噸乙烯耗水量高達(dá)60立方米/噸(煤化工習(xí)慣按噸烯烴耗水算，為30立方米/噸烯烴，但其中乙烯和丙烯各占一半，故折算成乙烯要加倍)。
當(dāng)然，有人會(huì)說，這兩種工藝沒有可比性。因?yàn)槊夯ひ悦簽樵希紫纫獙⒚簹饣?，然后再合成不同的化工產(chǎn)品，當(dāng)然能耗、水耗均會(huì)高一些。這一點(diǎn)我們應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，但是如果有數(shù)量級(jí)上的差異(煤化工路線比石油化工路線高10倍)，那就不僅是工藝路線本身的問題了。
高水耗能下降嗎?
一種工藝路線的水耗高低，是與其能耗密切相關(guān)的。因?yàn)椴徽撌鞘突S還是煤化工廠的耗水，主要都是制蒸汽用的脫鹽水和循環(huán)水補(bǔ)水(占70%～80%)，前者是加熱的能量介質(zhì)，后者是冷卻水取熱介質(zhì)。所以，如果以煤化工和石油化工路線制同一種化學(xué)品，根據(jù)其能耗差別有多大，就可以大致估計(jì)其水耗差異。
以煤制烯烴的大型工業(yè)示范裝置為例，其噸乙烯所消耗的蒸汽與石油化工路線噸乙烯消耗蒸汽對(duì)比，如表二所示。
由表二可看出：煤制乙烯所消耗的加熱蒸汽為58.2噸/噸乙烯，而石油制乙烯僅4.4～9噸/噸乙烯。煤制乙烯所消耗的加熱蒸汽為后者的6～13倍。這就是造成煤制烯烴噸乙烯水耗高達(dá)30～70噸/噸，而石油化工路線只有6～8噸/噸的原因。這說明：這種差距已超出原料不同、工藝路線不同所引起的加熱量不同的差別，而是反映了工程設(shè)計(jì)特別是公用工程設(shè)計(jì)成熟程度和運(yùn)行管理所帶來的差距。
再以甲醇為例，來比較兩條工藝路線的能耗與水耗。天然氣制甲醇噸產(chǎn)品能耗為29吉焦/噸，而煤制甲醇噸產(chǎn)品能耗為42吉焦/噸，以煤為原料的工藝路線比天然氣路線能耗約高45%。一開始煤制甲醇是傳統(tǒng)工藝，規(guī)模也小，噸甲醇水耗高達(dá)25噸/噸，比天然氣原料的甲醇耗水(約10噸)高得多;隨著工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)操作逐步成熟優(yōu)化，煤制甲醇水耗也逐步下降到17噸/噸;到2008年新一代煤化工裝置投產(chǎn)，水耗降到12噸/噸;到2012年，大規(guī)模180萬噸甲醇裝置投產(chǎn)，水耗降到了6.99噸/噸，與天然氣制甲醇的水耗差不多了。所以，按說由天然氣制甲醇完全沒有裂解造氣的工藝階段，似乎應(yīng)比煤制甲醇耗能耗水低很多，但隨著煤化工規(guī)模放大、工藝和系統(tǒng)工程成熟，煤化工路線一樣可以使水耗下降3倍，這種情形如圖一所示。
在節(jié)能節(jié)水方面，從上世紀(jì)80年代起，過程系統(tǒng)工程學(xué)界就開始研究化工企業(yè)的節(jié)能節(jié)水集成優(yōu)化方法。英國的Linnhoff提出熱夾點(diǎn)技術(shù)，在煉油化工廠節(jié)能取得顯著效果。1994年，Wang和Smith將夾點(diǎn)概念應(yīng)用到水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成，發(fā)表了著名的“廢水最小化”論文，提出了直接計(jì)算最小新鮮水用量的目標(biāo)值(即最小值)方法，為這種基于概念的圖解方法奠定了基礎(chǔ)。但是這種方法只局限于水中只有一種污染雜質(zhì)成分，這樣才能在幾何圖形上表現(xiàn)成“水夾點(diǎn)”，從而求出最小新鮮水用量。
對(duì)于水中含有多種污染雜質(zhì)成分的情況，業(yè)界后來開發(fā)出數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，采用超結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)上尋求新鮮水用量最小化的優(yōu)化解，還出版了兩本專著，一本是美國E1-Halwagi著《通過過程集成來防止污染：系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具》，另一本是James G.Mann及Y.A.Liu(劉裔安)編著的《工業(yè)用水節(jié)約與廢水減量》。后一本書經(jīng)作者參與組織翻譯，已由中國石化出版社于2001年12月出版。
自本世紀(jì)初期過程系統(tǒng)工程方法在我國化工煉油行業(yè)推廣應(yīng)用以來，已形成一套企業(yè)節(jié)水減排的過程系統(tǒng)工程方法——節(jié)水減排的“三步法”。所謂“三步法”，即水平衡測(cè)試―水網(wǎng)絡(luò)集成―外排污水深度處理回用。這種方法從21世紀(jì)初起已陸續(xù)在中石化、中石油、中國海油等大公司推廣應(yīng)用，取得明顯效益。
從2004年6月開始，中國石化股份有限公司內(nèi)部有計(jì)劃、有系統(tǒng)地開展推廣水夾點(diǎn)節(jié)水減排技術(shù)，促使企業(yè)煉油噸水耗從2001年的1.8噸/噸下降至2004年的1.15噸/噸，到2012年降到 0.55噸/噸，接近國際先進(jìn)水平的0.50噸/噸，下降了3倍。中國石油天然氣股份公司于2004年制定《煉化企業(yè)節(jié)水減排優(yōu)化方案的制訂和實(shí)施》企業(yè)規(guī)范(由西安交大和圣金橋信息技術(shù)公司起草)，推廣應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，煉油噸水耗從2005年的1.14噸/噸下降至2012年的0.60噸/噸。
以上甲醇及石油化工企業(yè)的例證說明：只要應(yīng)用先進(jìn)的過程系統(tǒng)工程的方法，持續(xù)不斷地優(yōu)化用水過程，實(shí)現(xiàn)高水高用、低水低用、清污分流、梯級(jí)利用，煤化工的水耗是可以成倍下降的。我們?cè)?jīng)將這套在石油化工企業(yè)成熟采用的方法，對(duì)某大型煤制烯烴企業(yè)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)煤化工企業(yè)的節(jié)水潛力很巨大。如果按照水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的思路，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)改造，實(shí)施提出的十幾項(xiàng)技術(shù)措施，可以將總體新鮮水消耗下降63%，噸烯烴耗水有可能從原設(shè)計(jì)的32噸/噸下降到10噸/噸以下。當(dāng)然，這需要相應(yīng)的技術(shù)改造投資，經(jīng)過粗略計(jì)算，項(xiàng)目所需要的投資費(fèi)用的靜態(tài)投資回收期約2.6年。
這里應(yīng)該對(duì)表一中所謂“先進(jìn)指標(biāo)”做一些評(píng)述：表中引用的“先進(jìn)指標(biāo)”實(shí)際是個(gè)變化的數(shù)值，不同時(shí)期由設(shè)計(jì)部門估算的可能達(dá)到的值。但是，我國的設(shè)計(jì)院(公司)并沒有掌握過程系統(tǒng)工程集成優(yōu)化技術(shù)，而新型煤化工的大型工業(yè)化裝置均在中國實(shí)踐，也沒有所謂“國際先進(jìn)水平”作為參照系。所以，這里的“先進(jìn)指標(biāo)”其實(shí)缺乏科學(xué)基礎(chǔ)，只能作為努力目標(biāo)的參考。前面舉的例子就說明，運(yùn)用新的過程系統(tǒng)工程集成優(yōu)化方法，這種指標(biāo)是完全可以突破的。
高水耗為何難以降下來?
煤化工之所以戴上“高水耗”的帽子，一直取不下來，原因是多方面的，下面舉出幾個(gè)重要的原因。
原因之一：示范項(xiàng)目為保工藝過關(guān)，犧牲了能耗和水耗的優(yōu)化要求。由于現(xiàn)代煤化工第一批大型工業(yè)化項(xiàng)目開發(fā)階段，最核心的要求是打通流程，順利拿到產(chǎn)品，而非節(jié)能節(jié)水，所以在公用工程配置上，只是盡量滿足工藝要求，談不上優(yōu)化。例如，某煤制烯烴廠設(shè)計(jì)時(shí)為了保證自主研發(fā)的核心MTO技術(shù)放大成功投產(chǎn)，各個(gè)配套技術(shù)均采用國外引進(jìn)的成熟技術(shù)：煤氣化用的GE水煤氣加壓氣化技術(shù)，凈化用林德公司的低壓甲醇洗技術(shù)，甲醇合成用戴維的甲醇合成技術(shù)，MTO是中科院大連化物所的專利技術(shù)，聚乙烯/聚丙烯是陶氏化學(xué)公司的UNIPOL技術(shù)。在這種拼盤的條件下，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)滿足各方面要求的境地，談不上優(yōu)化。
原因之二：經(jīng)濟(jì)上煤化工由于原料便宜，盈利空間大，掩蓋了高能耗、高水耗的問題。以煤制烯烴為例，根據(jù)亞化咨詢發(fā)布的《煤制烯烴真實(shí)成本與盈利能力分析》報(bào)告，當(dāng)PE/PP市場(chǎng)現(xiàn)貨平均價(jià)格在11500元/噸以上時(shí)，對(duì)比用新疆準(zhǔn)東和淮南的煤制聚烯烴項(xiàng)目可以發(fā)現(xiàn)，由于準(zhǔn)東地處偏遠(yuǎn)，運(yùn)輸不便，因此其原料和能量成本最低，相應(yīng)的其增值稅額和運(yùn)費(fèi)也最高，但準(zhǔn)東仍然憑借極低的煤價(jià)擁有最高的利潤(rùn)空間——噸烯烴營(yíng)業(yè)利潤(rùn)達(dá)4536元/噸;淮南雖然煤價(jià)最高，但在煤炭產(chǎn)能過剩的大背景下，也有2665元/噸的利潤(rùn)空間。也就是說，銷售價(jià)中的利潤(rùn)率高達(dá)23%～39%。試想，如果每噸化工產(chǎn)品的利潤(rùn)都如此豐厚，多消耗點(diǎn)能源和水的成本可以輕易消化，企業(yè)還有什么積極性來節(jié)能節(jié)水呢?
原因之三： 技術(shù)原因——設(shè)計(jì)院不掌握過程系統(tǒng)工程的水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)。我國設(shè)計(jì)院中確定新鮮水耗的這部分工作，是由工藝專業(yè)加上給排水專業(yè)來決定設(shè)計(jì)方案的。工藝人員首先想到的是：盡量使用空冷器，給排水人員提供的技術(shù)是“零排放”，而缺乏整體系統(tǒng)優(yōu)化的系統(tǒng)工程室。但從過程系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)看，這是一個(gè)水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化問題，需要全面分析構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)存在的潛力和優(yōu)化程度。
我們都知道，我國的一項(xiàng)新技術(shù)從發(fā)明到工業(yè)實(shí)用要經(jīng)歷文獻(xiàn)發(fā)表—將文獻(xiàn)方法制作成計(jì)算機(jī)軟件—國外設(shè)計(jì)公司采用于設(shè)計(jì)—我國設(shè)計(jì)院開始采用等幾個(gè)步驟。這個(gè)步驟從頭到尾往往需要20年時(shí)間，也就是說在節(jié)能節(jié)水系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)方面，我國設(shè)計(jì)院采用的技術(shù)比學(xué)術(shù)界落后了20年;我們現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)，還停留在上世紀(jì)八九十年代學(xué)術(shù)界的水平上，即熱夾點(diǎn)技術(shù)。水夾點(diǎn)技術(shù)是上世紀(jì)末才發(fā)展起來的，我們發(fā)現(xiàn)從2005年以來國際上掀起水網(wǎng)絡(luò)研究的熱潮，每年都有幾十篇論文發(fā)表。這些成果往往先被較小型的咨詢公司所采用，設(shè)計(jì)公司則比較保守，采用得更晚一些。
原因之四：煤化工行業(yè)與石油化工行業(yè)不同，十分分散，缺乏垂直領(lǐng)導(dǎo)的節(jié)能節(jié)水監(jiān)督考核壓力。節(jié)能節(jié)水總體來說不是企業(yè)的經(jīng)濟(jì)行為，只靠經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動(dòng)是不足以推動(dòng)的，政府及行政垂直推動(dòng)是必不可少的動(dòng)力。
當(dāng)前，石油化工行業(yè)在節(jié)能節(jié)水上取得的成績(jī)，主要是靠中石化、中石油等大型國企領(lǐng)導(dǎo)，努力貫徹國務(wù)院節(jié)能節(jié)水的要求，對(duì)所屬企業(yè)大力提倡、嚴(yán)格考核的結(jié)果。在這里，全國大型煉油廠每月均需要上報(bào)噸油耗能耗水的運(yùn)行指標(biāo)，每年都按指標(biāo)好壞進(jìn)行排隊(duì)。中石化近年推行能效倍增計(jì)劃，中石油也在推行煉化能量系統(tǒng)優(yōu)化重大科技專項(xiàng)，每年均有數(shù)億元節(jié)能節(jié)水?？钯Y金投入。此外，石化企業(yè)還在信息化建設(shè)中實(shí)施能量管理系統(tǒng)EMS，使得總部可以對(duì)全國煉油化工企業(yè)的能耗水耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
相較之下，我國煤化工企業(yè)高度分散，構(gòu)成復(fù)雜，有大型國營(yíng)央企，如神華集團(tuán)、大唐能源化工等;有地方國營(yíng)企業(yè)，如陜西延長(zhǎng)集團(tuán)、內(nèi)蒙古伊泰集團(tuán)、山東兗礦集團(tuán)等;有民營(yíng)公司，如中國慶華集團(tuán)等。對(duì)于這些企業(yè)，誰來監(jiān)督考核?缺乏統(tǒng)一的行業(yè)組織領(lǐng)導(dǎo)。如果煤化工節(jié)能節(jié)水完全由市場(chǎng)自由競(jìng)爭(zhēng)來推動(dòng)，那就只能憑各企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的自覺了。
油價(jià)大跌 開啟節(jié)水新時(shí)代
當(dāng)前，煤化工企業(yè)也面臨新的發(fā)展環(huán)境。新常態(tài)要求企業(yè)面向產(chǎn)能過剩，由投資驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng);而國際油價(jià)從去年7月的102.4美元/桶，到現(xiàn)在已跌破50美元/桶。這些因素，均對(duì)新型煤化工產(chǎn)業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的就是能源產(chǎn)品，例如煤制油、煤制天然氣。煤直接液化制燃油最初的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)為石油價(jià)格高于50美元/桶，也即在這種石油市場(chǎng)價(jià)位，煤制油路線在經(jīng)濟(jì)上才能站得住。多年來，由于石油價(jià)位高企，大家的注意力只是集中在工藝路線的技術(shù)能否打通、環(huán)保是否合理上，似乎經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)只是多少的問題。但今天的情勢(shì)，直接挑戰(zhàn)這種工藝路線的成本是否合理。煤間接液化制油和煤制天然氣同樣存在類似的問題。美國的頁巖氣革命，促使天然氣價(jià)格下浮，存在進(jìn)口LNG和煤制氣的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)問題。
考慮到原油下游產(chǎn)品跟隨原油價(jià)格走勢(shì)的一致性，石腦油和聚乙烯、聚丙烯的價(jià)格也會(huì)隨之向下浮動(dòng)，煤制烯烴的價(jià)格優(yōu)勢(shì)不再明顯，煤制烯烴CTO和煤制丙烯CTP的盈利空間會(huì)不斷縮小。此外，甲醇的市場(chǎng)價(jià)格居高不下，使人懷疑MTP/MTO工藝路線生產(chǎn)的丙烯是否還有盈利空間。這對(duì)2014年底我國已先后投產(chǎn)的13套煤制烯烴和甲醇制烯烴(產(chǎn)能達(dá)到582萬噸/年)裝置來說，均是新的考驗(yàn)。
在這種新的形勢(shì)下，為了降低成本、提高競(jìng)爭(zhēng)力，煤化工產(chǎn)業(yè)必須學(xué)會(huì)精打細(xì)算，將節(jié)能節(jié)水提到議事日程上來。煤化工過去靠原料價(jià)格便宜的成本優(yōu)勢(shì)粗放經(jīng)營(yíng)的“好日子”，可能已經(jīng)結(jié)束，正在走向一個(gè)像石油化工一樣精細(xì)管理、創(chuàng)新增效、節(jié)能節(jié)水的綠色發(fā)展新時(shí)代。
總之，近年我國新型煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展是世界首創(chuàng)的大規(guī)模工業(yè)實(shí)踐，投入大，盈利高，各方面積極性高。這本來是好事，但切不可急功近利，不考慮后果地一哄而上。這種無國外借鑒的大規(guī)模實(shí)踐，受到環(huán)境污染、水資源限制、碳排放限制、油價(jià)下跌等考驗(yàn)，也是完全正常的現(xiàn)象。經(jīng)過近兩個(gè)五年規(guī)劃的實(shí)踐，煤化工目前又面臨新常態(tài)、低油價(jià)的新考驗(yàn)，現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，該補(bǔ)的功課如節(jié)能節(jié)水減排、系統(tǒng)優(yōu)化和環(huán)境治理等，就應(yīng)當(dāng)補(bǔ)上，促使煤化工產(chǎn)業(yè)走上可持續(xù)發(fā)展道路。如果我國煤化工產(chǎn)業(yè)仍然滿足于打通流程、長(zhǎng)周期運(yùn)行、能夠盈利的示范項(xiàng)目投產(chǎn)的初級(jí)階段的要求，固步自封，徘徊不前，那就會(huì)喪失良機(jī)，使負(fù)面因素持續(xù)上升，讓產(chǎn)業(yè)走向低谷。