孫德林 張 蕓 楊秋穎 侯昊晨 劉昱彤

(大連理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院，工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024)

石化行業(yè)是典型的高耗水、高耗能、高污染行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，中國石化行業(yè)水耗和能耗分別占全國工業(yè)總耗的13.5%、7.9%；SO2、NOx、煙塵、COD和氨氮的排放量分別占全國工業(yè)排放總量的14.7%、10.3%、9.0%、10.0%、10.0%[1]。中國在《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》和《石化和化學(xué)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》中明確提出：到2020年末，石化行業(yè)萬元GDP水耗、能耗下降23.0%、18.0%，SO2和NOx減排15.0%，COD和氨氮減排10.0%。實施清潔生產(chǎn)技術(shù)是石化行業(yè)節(jié)能減排的重要保證。

目前，石化企業(yè)在篩選清潔生產(chǎn)技術(shù)時，一般針對節(jié)水、節(jié)能、減污分別進行考慮，而事實上三者之間及各自內(nèi)部存在著耦合關(guān)系。鋼鐵行業(yè)[2-3]已開始協(xié)同權(quán)衡水耗、能耗與大氣污染物排放的耦合關(guān)系。王春艷等[4]在對電力行業(yè)水-能耦合關(guān)系的研究進展綜述中更是提出了構(gòu)建耦合關(guān)系量化分析方法向環(huán)境要素延伸的必要性。因此，石化行業(yè)水耗、能耗和污染物排放量之間的耦合關(guān)系也有一些學(xué)者進行了初步探索。CHAN等[5]指出，石化行業(yè)中的耗水環(huán)節(jié)也伴隨著大量的能量消耗。張亞[6]利用灰色關(guān)聯(lián)度分析了石化行業(yè)的能耗與污染物排放量之間的關(guān)系?？梢?，在評價石化行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)時量化分析節(jié)水、節(jié)能、減污間的耦合關(guān)系，評價其綜合效益，從而指導(dǎo)石化企業(yè)精準(zhǔn)篩選最優(yōu)清潔生產(chǎn)技術(shù)，很有意義。以往在篩選最優(yōu)清潔生產(chǎn)技術(shù)時，往往只考慮技術(shù)的直接節(jié)水、節(jié)能和減污，而忽視了其間接節(jié)水、節(jié)能和減污。

本研究以我國某石化企業(yè)為案例，先從國家推薦的相關(guān)工業(yè)節(jié)水、節(jié)能、減污技術(shù)中篩選出適用于石化行業(yè)的清潔生產(chǎn)技術(shù)，基于水耗、能耗、污染物排放量之間的耦合關(guān)系量化計算每種技術(shù)的直接和間接節(jié)水、節(jié)能和減污量，并通過環(huán)境效益和經(jīng)濟效益進行評價，篩選出企業(yè)的最優(yōu)清潔生產(chǎn)技術(shù)，為石化企業(yè)篩選和實施清潔生產(chǎn)技術(shù)提供參考。

1 研究方法

1.1 石化行業(yè)耦合關(guān)系分析

石化行業(yè)最典型的生產(chǎn)過程包括常減壓蒸餾、催化裂化、延遲焦化、加氫處理和重整，其中每個生產(chǎn)過程包含生產(chǎn)裝置(常減壓蒸餾裝置、催化裂化裝置、延遲焦化裝置、加氫處理裝置、重整裝置)、輔助裝置(脫硫、脫氮、除塵、煙氣余熱回收、污水處理和回用)和公用裝置(供水、供冷、供熱、供氣、供電)。按照水耗、能耗和污染物排放量之間的耦合關(guān)系[7]識別出生產(chǎn)過程中水-水(表示水耗與水耗可能存在耦合關(guān)系，其他類推)、水-能、水-污、能-污、能-能、水-能-污6種可能存在耦合關(guān)系的物質(zhì)/能量流，共識別出40條存在耦合關(guān)系的物質(zhì)/能量流(見表1)。

表1 石化行業(yè)存在耦合關(guān)系的物質(zhì)/能量流

1.2 物質(zhì)/能量流分析量化耦合關(guān)系

基于質(zhì)量守恒和能量守恒進行物質(zhì)/能量流分析，能夠?qū)ξ镔|(zhì)和能量進行量化[8-9]。下面利用物質(zhì)/能量流分析量化石化行業(yè)中的水耗、能耗和污染物排放量，以及它們之間的耦合關(guān)系。

1.2.1 水 耗

水耗包括新鮮水、循環(huán)水、除氧水和除鹽水的消耗。

1.2.2 能 耗

能耗包括燃料的消耗、蒸汽的消耗和電能的消耗，其中燃料有3種，包括燃料氣、天然氣、催化燒焦；蒸汽有兩種，包括1.0 MPa(低壓)蒸汽和3.5 MPa(高壓)蒸汽，主要用于污水汽提裝置和除氧水裝置；能耗主要指電能的消耗，主要用于污水汽提裝置/污水處理廠、煙氣脫硫裝置、水輸送、能輸送、循環(huán)水裝置、除氧水裝置。按照《石油化工設(shè)計能耗計算標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50441—2016)折算能耗。

1.2.3 污染物排放量

污染物包括廢氣和廢水，廢氣污染物又可細分為SO2、NOx、煙塵，廢水污染物又可細分為COD和氨氮。

1.2.4 耦合關(guān)系

水耗、能耗、污染物排放量之間的耦合關(guān)系表現(xiàn)為它們的改變量之間存在線性關(guān)系，石化行業(yè)中主要的五大耦合關(guān)系見式(1)至式(5)。

ΔEe=λe×ΔW

(1)

ΔEs=λs×ΔW

(2)

ΔW=λf×ΔEf

(3)

ΔPg=λg×ΔEf

(4)

ΔPw=λw×ΔW

(5)

式中：ΔEe為電耗改變量，kW·h/a；ΔW、ΔEs、ΔPg、ΔPw分別為水耗、蒸汽的消耗、廢氣排放量和廢水排放量的改變量，t/a；ΔEf為燃料的消耗的改變量，kg/a；λe為水耗改變導(dǎo)致電耗變化的系數(shù)，kW·h/t；λs為水耗改變導(dǎo)致蒸汽的消耗變化的系數(shù)，t/t；λf為燃料的消耗改變導(dǎo)致水耗變化的系數(shù)，t/kg；λg為燃料的消耗改變導(dǎo)致廢氣排放量變化的系數(shù)，t/kg；λw為水耗改變導(dǎo)致廢水排放量變化的系數(shù)，t/t。其中，燃料的消耗均以標(biāo)準(zhǔn)油當(dāng)量計。

對于具體案例而言，首先將企業(yè)的生產(chǎn)和排污數(shù)據(jù)代入物質(zhì)/能量流分析中，計算出企業(yè)實施清潔生產(chǎn)技術(shù)前的水耗、能耗和污染物排放量，再將這些量代入式(1)至式(5)中，計算得出λe、λs、λf、λg、λw。

1.3 清潔生產(chǎn)技術(shù)評價

1.3.1 石化行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)清單

根據(jù)《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》《石化行業(yè)節(jié)能減排先進適用技術(shù)指南》《國家重點行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)導(dǎo)向目錄》等文件，由具有行業(yè)知識和現(xiàn)場經(jīng)驗的專家以訪談形式篩選出37項適用于石化行業(yè)的清潔生產(chǎn)技術(shù)，其中節(jié)水技術(shù)6項(T6、T13、T22～T23、T26～T27)，節(jié)能技術(shù)22項(T1～T5、T7～T12、T14～T21、T24～T25、T28)，減污技術(shù)9項(T29～T37)(見表2)。表2中的技術(shù)參數(shù)是參考文件中給出的節(jié)水、節(jié)能、減污參數(shù)，是未考慮耦合關(guān)系時的直接節(jié)水、節(jié)能、減污量。

1.3.2 基于耦合關(guān)系的清潔生產(chǎn)技術(shù)評價

企業(yè)實施清潔生產(chǎn)技術(shù)后的節(jié)水、節(jié)能、減污量由技術(shù)帶來的直接節(jié)水、節(jié)能、減污量和由耦合關(guān)系帶來的間接節(jié)水、節(jié)能、減污量兩部分組成，前者通過表2的技術(shù)參數(shù)計算得出[10]，后者通過量化耦合關(guān)系計算得出。然后，通過環(huán)境效益和經(jīng)濟效益兩個維度對清潔生產(chǎn)技術(shù)進行評價，為企業(yè)篩選出最優(yōu)的清潔生產(chǎn)技術(shù)。

表2 石化行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)篩選清單

清潔生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)境效益由節(jié)水量、節(jié)能量、廢氣減排量、廢水減排量、SO2減排量、NOx減排量、煙塵減排量、COD減排量和氨氮減排量9個指標(biāo)確定。首先，利用極值法[11]對9個指標(biāo)進行無量綱化處理；然后，參考《清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)體系 石油煉制業(yè)》(DB11/T 1157—2015)確定指標(biāo)權(quán)重，以上9個指標(biāo)的權(quán)重依次為0.100 0、0.200 0、0.145 5、0.145 5、0.081 8、0.081 8、0.081 8、0.081 8、0.081 8。

清潔生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟效益根據(jù)式(6)計算得到。

(6)

式中：Bec為某項清潔生產(chǎn)技術(shù)的經(jīng)濟效益(效益、成本比)，a-1；pw、pe分別為水和能的價格，元/t；WS、ES分別為企業(yè)應(yīng)用某項清潔生產(chǎn)技術(shù)后的節(jié)水量和節(jié)能量，t/a；Co為某項清潔生產(chǎn)技術(shù)本身的操作費用，元/a；C為某項清潔生產(chǎn)技術(shù)的投資成本，元。

企業(yè)應(yīng)用各項清潔生產(chǎn)技術(shù)的投資成本、操作費用參考《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》《石化行業(yè)節(jié)能減排先進適用技術(shù)指南》《國家重點行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)導(dǎo)向目錄》中給出的示范項目，并根據(jù)本研究的企業(yè)涉及的裝置數(shù)量、加工量等具體情況按比例折算，其中投資成本見表3。企業(yè)各類水和能的價格按企業(yè)所在地區(qū)的價格標(biāo)準(zhǔn)，列于表4中。

表3 企業(yè)應(yīng)用清潔生產(chǎn)技術(shù)的投資成本

表4 水和能的價格

2 案例研究

2.1 耦合關(guān)系計算

以某綜合實力在我國民營石化企業(yè)中排名前十強的石化企業(yè)為案例，其生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)規(guī)模都具有行業(yè)典型性。企業(yè)水耗和能耗數(shù)據(jù)從企業(yè)年報中獲取并通過現(xiàn)場調(diào)研確認(rèn)；污染物排放數(shù)據(jù)中全廠的綜合數(shù)據(jù)來自全國排污許可證信息管理平臺(公開端)，具體數(shù)據(jù)來自企業(yè)環(huán)境自動檢測控制系統(tǒng)。

利用物質(zhì)/能量流分析量化得出λe=0.672 9 kW·h/t，λs=4.20×10-4t/t，λf=0.181 0 t/kg，λg=0.015 6 t/kg，λw=0.039 7 t/t。由此可見，企業(yè)實施清潔生產(chǎn)技術(shù)節(jié)約1 t水的同時能夠間接節(jié)電0.672 9 kW·h，節(jié)約1.0 MPa(低壓)蒸汽4.20×10-4t，合計節(jié)能0.179 9 kg，減少廢水排放0.039 7 t；節(jié)約1 kg燃料的同時能夠間接節(jié)水0.181 0 t，減少廢氣排放0.015 6 t。因此，耦合關(guān)系不應(yīng)忽視。

2.2 節(jié)水、節(jié)能、減污量計算

37項清潔生產(chǎn)技術(shù)的節(jié)水、節(jié)能、減污量見圖1。

圖1 清潔生產(chǎn)技術(shù)的節(jié)水、節(jié)能、減污量Fig.1 Water saving,energy saving and pollutants reduction amount of the cleaner production technologies

(1) 部分節(jié)能技術(shù)能夠通過耦合關(guān)系間接節(jié)水。T2～T5、T8～T10、T14～T17、T21和T28均沒有直接節(jié)水效果，但具有間接節(jié)水效果。其中，T28最能說明通過耦合關(guān)系間接節(jié)水，因為該技術(shù)的直接效果會使循環(huán)水消耗增加20萬t/a，但其最終仍可節(jié)水115萬t/a，即間接節(jié)水135萬t/a，扭虧為盈；T18和T19同時具有直接節(jié)水和間接節(jié)水效果。

(2) 部分節(jié)水技術(shù)也能通過耦合關(guān)系間接節(jié)能。T6、T13、T22、T23、T26、T27主要是有直接節(jié)水效果，間接節(jié)水效果不明顯，但直接節(jié)水會間接減少相關(guān)設(shè)備的電能和蒸汽的消耗。如T26使污水汽提裝置的除鹽水、循環(huán)水和新鮮水的總消耗量降低18.94萬t/a，而間接節(jié)水只有0.15萬t/a，但通過耦合關(guān)系產(chǎn)生的間接能耗可降低2 092 t/a。

(3) 部分節(jié)能技術(shù)和節(jié)水技術(shù)還能通過耦合關(guān)系間接減污。廢氣減排效果最好的前5項節(jié)能減排技術(shù)依次為T21、T9、T2、T28、T17，廢水減排效果最好的前5項節(jié)能減排技術(shù)依次為T21、T2、T14、T17、T10，由于水中污染物濃度基本是比較穩(wěn)定的，因此COD和氨氮的減排效果排序與廢水是相同的，不再具體分析。T3和T16雖然廢水和廢氣的減排效果不突出，但具有較好的大氣污染物減排效果。T3的SO2和NOx減排量甚至超過了3種末端脫硫技術(shù)(T35～T37)，而且3種末端脫硫技術(shù)還需要額外耗水、耗能和排放污水，因此T3優(yōu)于T35～T37；同理可知，T16優(yōu)于末端脫氮技術(shù)T31。3種末端除塵技術(shù)(T32～T34)的除塵效果相近，但T33的水耗、能耗和污水排放量均小于T32和T34，因此T33更優(yōu)。

以上結(jié)果表明，清潔生產(chǎn)技術(shù)在石化行業(yè)中應(yīng)用時的節(jié)水、節(jié)能和減污效果之間存在耦合關(guān)系，因此應(yīng)充分考慮三者間的耦合關(guān)系，充分利用清潔生產(chǎn)技術(shù)的間接節(jié)水、節(jié)能、減污效果，篩選出石化企業(yè)的最優(yōu)清潔生產(chǎn)技術(shù)。

2.3 基于耦合關(guān)系的清潔生產(chǎn)技術(shù)評價

圖2計算出了37項清潔生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。為方便石化企業(yè)在不同投資成本情況下篩選清潔生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合實際將投資成本劃分為7個區(qū)間：0～500萬、>500萬～1 000萬、>1 000萬～2 000萬、>2 000萬～3 000萬、>3 000萬～4 000萬、>4 000萬～5 000萬、>5 000萬元?？傮w而言，在圖2中越位于右上角的清潔生產(chǎn)技術(shù)綜合效益越高。投資成本的7個區(qū)間內(nèi)各自篩選出的最優(yōu)清潔生產(chǎn)技術(shù)方案見表5，在實際應(yīng)用中可能還需要結(jié)合具體的實際問題進行綜合考慮。

圖2 清潔生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益Fig.2 Environmental and economical benefits of cleaner production technologies

表5 最優(yōu)清潔生產(chǎn)技術(shù)篩選結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 建立了基于水耗、能耗、污染物排放量之間耦合關(guān)系的石化行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)評價方法，能夠更準(zhǔn)確、全面地評價清潔生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，為企業(yè)精準(zhǔn)篩選最優(yōu)清潔生產(chǎn)技術(shù)提供了支持。

(2) 以某綜合實力在我國民營石化企業(yè)中排名前十強的石化企業(yè)為案例發(fā)現(xiàn)，企業(yè)實施清潔生產(chǎn)技術(shù)節(jié)約1 t水的同時能夠間接節(jié)能0.179 9 kg，減少廢水排放0.039 7 t；節(jié)約1 kg燃料的同時能夠間接節(jié)水0.181 0 t，減少廢氣排放0.015 6 t，說明節(jié)水、節(jié)能、減污之間的耦合關(guān)系不應(yīng)忽視。為方便石化企業(yè)在不同投資成本情況下篩選清潔生產(chǎn)技術(shù)，結(jié)合實際將投資成本劃分為7個區(qū)間：0～500萬、>500萬～1 000萬、>1 000萬～2 000萬、>2 000萬～3 000萬、>3 000萬～4 000萬、>4 000萬～5 000萬、>5 000萬元，并分別篩選出了最優(yōu)清潔生產(chǎn)技術(shù)，當(dāng)然在實際應(yīng)用中還需要結(jié)合具體的實際問題進行綜合考慮。