過程系統工程是在系統工程、化學工程、運籌學、過程控制及計算機技術等學科邊緣上發展起來的一門新興技術科學〔1〕。20世紀90年代后過程系統工程開始應用在工業節水工作中。我國的煤炭資源主要蘊藏在水資源短缺地區，因此水資源成為煤化工產業發展的重要制約因素。煤化工企業在用水方面正面臨嚴峻考驗，節水減排刻不容緩。要實現煤化工企業節水減排的目標，不僅需要最優化的水處理工藝和設施，還要采用先進的方法優化用水系統。采用過程系統工程優化煤化工企業用水網絡，不僅可確保企業用水系統的先進性和科學性，同時對減少污染、提高效益、保護環境、實現可持續發展具有重要意義。
1 節水減排的過程系統工程方法
做好煤化工企業的節水減排工作，應從系統的角度考慮水的有效利用。將煤化工企業的全部用水部門當成一個整體水網絡來優化，考慮如何分配各用水單元的水量和水質，使水的重復利用率達到最大，同時廢水排放量達到最小。
煤化工節水減排的過程系統工程方法是：水平衡測試→水網絡系統集成優化→外排污水深度處理回用。其中水平衡測試是基礎，通過加強完善校對計量儀表，做好全廠水平衡測試，計算用水技術經濟指標，對比自身企業用水水平與先進水平的差距，將最容易挖掘的節水潛力挖到手;水網絡系統集成優化是關鍵，利用“水夾點”方法逐級利用水質，合理配置水源和水阱，降低新鮮水用量，從而使排水量也大幅度下降;外排污水深度處理回用是最后一步，經過前兩步的處理污水排出量已大為減少，對于不得不從末端排出的污水，通過污水深度處理等手段進行處理，使其達到回用標準，再返回系統中使用。這一步的特點是設備投資大，投資回報周期長。
2 過程系統工程方法的應用
2.1 水平衡測試
選取西北某煤化工企業進行冬、夏兩季水平衡測試。冬季新鮮水總用水量為1 795.55 t/h，單位產品取水量為24.38 t/t; 夏季新鮮水總用量為2 725.00 t/h，單位產品取水量為36.54 t/t。新鮮水用水過程包括循環水系統補水、除鹽水制水、其他工藝用水過程、廠內生活用水、高壓消防水、基建及綠化、儀表誤差及損失。冬、夏兩季的用水過程所占新鮮水比例如圖 1、圖 2所示。從圖中可以看出，除鹽水制水和循環水系統補水所占比例較大。
圖 1 冬季新鮮水用水分布情況
?
圖 2 夏季新鮮水用水分布情況
2.2 水網絡系統集成優化
基于冬季水平衡測試數據，依據水夾點技術的基本分析步驟，分析該企業所有用排水過程，確定水源與水阱。根據水源的水質特點和水阱的設備及工藝要求，筆者選取硬度、COD、電導率作為關鍵分析指標。水源統計及水源水質分析數據見表 1。
? 水阱對關鍵雜質的進口質量濃度極限要求主要借鑒國內相似設備的數據，見表 2。
遵照高品質水用量最小的優化原則，對水源及水阱進行匹配優化，得到初始優化水網絡匹配關系并進行調優，最終得出對該企業水系統優化具有實際指導意義的優化方案：(1)水源1、水源2冷卻排放水及水源7汽提凈化水回用于水阱1和水阱2的儀表沖洗、機泵密封等，降低水阱1和水阱2優化前所用除氧水的流量。(2)水源4、5、6的鍋爐排污水可并入各裝置的循環水回水線，回用至水阱5的循環水補水。(3)水源3和水源9的鍋爐排污水優化前作為循環水補水，將這兩股鍋爐排污水回用至水阱4超濾裝置。(4)將水源8超濾反洗水回用至水阱6凈水場作為原水，取消水源8排向水阱7的污水。
2.3 外排污水深度處理回用
經過水網絡的集成優化，工業水重復利用率提高，同時排向污水系統的污水減少216.35 t/h。在此基礎上考慮外排污水深度處理制成中水或脫鹽水回用，可降低污水深度處理裝置的設計規模和投資成本。
3 節水減排“七環節”優化
對于煤化工企業來說，可將水系統分為7個環節，即：水汽輸送環節、制水環節、工藝水環節、循環水環節、蒸汽冷凝水環節、生活水環節、污水回用水環節。根據各個環節的特點并結合集成優化結果進行詳細分析，以達到企業水系統的先進性和科學性。
3.1 水汽輸送環節
完善公司水管網計量儀表的安裝，達到國標要求;測試期間該企業的高壓消防水用量偏大，應加強公司用水的監督管理，杜絕挪用浪費現象。
3.2 制水環節
(1)制水工藝流程優化。采用超濾+反滲透+陰床+陽床+混床的制水工藝組合，其中反滲透為一級二段，整個工藝過程的排放水量大于雙膜工藝和離子交換工藝，造成制水系數較高。為降低制水系數，將一級二段反滲透流程改造為一級三段，制水系數可由1.543優化至1.36。(2)鍋爐排污水去制水原水。根據水網絡集成優化分析結果，鋪設管線將凈化裝置和動力裝置的鍋爐排污水作為制水裝置的原水。鍋爐排污水溫度較高，作為循環水補水會增加冷卻塔的冷卻負荷，但作為制水裝置的原水使用既可合理利用鍋爐排放的高品質廢水，又減少了加熱生水所用的蒸汽量。(3)超濾反洗水去凈水場原水。根據水網絡集成優化分析結果，超濾反洗水可以用作凈水場的原水，2套裝置距離較近，管線敷設難度小，回用方便，同時還可減少排向污水處理場的污水。
3.3 工藝水環節
根據水網絡集成優化分析結果，機泵密封水、儀表沖洗、絮凝劑槽補水等改用汽提凈化水，可節省除氧水用量;水環真空泵補水、研磨水泵用水等改用事故氮壓機冷卻排水，以節省除鹽水。
3.4 循環水環節
(1)循環水場蒸發水汽回收〔2〕。循環水場蒸發飛濺量占循環水補水量的80%以上，所占比例巨大。利用水汽冷凝回收設備進行回收〔3〕，水量可達到蒸發量的25%以上。該設備回收水水質優良，可用作補充鍋爐水、循環水等各種用途，降低企業新鮮水用量。(2)循環水場排污水適度處理回用。將循環水場排放污水單獨回收，采用污水適度處理回用技術，產水回用于循環水場，濃水排放于污水處理場，可減輕污水處理場的運行負荷，同時最大程度地實現循環水場的獨立運行，提高了安全性和穩定性。(3)循環水場補水改造。循環水補水優化的前提是保證循環水水質不變。根據全廠水夾點分析結果作如下調整：將裝置2、9的鍋爐排污水回用至裝置6;裝置3和5的鍋爐排污水水量較小，就近回收至本裝置的循環水回水線;循環水場排污水適度處理回用于循環水補水。通過對循環水場補水進行鹽平衡計算，在保證補水水質基本不變的情況下，可節省新鮮水用量。
3.5 蒸汽及冷凝水環節
(1)夏季乏汽回收優化改造。夏季該企業存在低壓蒸汽過剩現象，放空量很大。建議企業選用高速透平發電機組回收利用這部分富余蒸汽發電。(2)除氧器乏汽回收優化改造。高壓鍋爐除氧器采用熱力除氧，除氧器上方大量含氧蒸汽放空。對除氧器放空乏汽進行回收既能實現節能節水，又有利于安全生產。在除氧封頭乏汽排空處安裝一個封頭，利用除鹽水對乏汽進行冷卻，冷卻后的水回用至鍋爐除氧器，使產生的乏汽量最小時，再通過上述乏汽回收裝置，從而減少乏汽的排放量。(3)凝結水放空罐乏汽回收優化改造。對于凝結水放空罐的乏汽，可以利用乏汽與凝結水閉式回收技術進行回收，減少乏汽的排放量。(4)水槽盤管伴熱蒸汽凝結水回收優化改造。冬季該企業水槽盤管伴熱后的10 t/h蒸汽凝結水水質較好，可鋪設管線去工藝凝結水回收管網。
3.6 生活水環節
該企業廠區內設置了倒班宿舍、食堂和浴室，由廠內生活水管網統一供水，但只安裝了1塊水表作為計量手段。建議企業完善生活水計量儀表安裝，同時制定生活用水考核制度，減少生活水的浪費。
3.7 污水回用環節
對制水環節、工藝水環節、循環水環節等用水進行優化后，排向污水回用裝置的污水量大大減少。此時對廠區外排的濃鹽水采用濃縮結晶技術處理達標后回用，可實現95%污水回收率，污水可實現“近零排放”。
3.8 小結
全廠水網絡系統優化后的技改措施建議全部實施后，該企業每年可節省新鮮水1 257.38萬t，節水率為63%。冬季單位產品取水量可降至7.01 t/t，夏季單位產品取水量可降至11.18 t/t。各項節水措施所對應的指標變化情況如圖 3所示。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
?注：1—測試值；2—管網輸送系統優化；3—制水工藝流程優化；4—鍋爐排污水去制水原水；5—超濾反洗水去凈水場原水；6—工藝水系統改造；7—循環水場蒸發水汽回收；8—循環水場污適度處理回用；9—循環水場補水改造；10—夏季乏汽回收優化改造；11—除氧器乏汽回收優化改造；12—凝結水放空罐乏汽回收優化改造；13—水槽盤管伴熱蒸汽凝結水回收優化改造；14—污水回用優化改造。
圖 3 各項節水措施依次實施后對應的指標變化
4 結論
在煤化工示范項目建設中，企業普遍忽視了水系統的優化設計與運行。從過程系統工程方法對煤化工用水網絡整體優化的方案效果可以看出，煤化工產業的節水空間很大，過程系統工程方法對于促進煤化工企業節水減排具有重要意義。
