过程系统工程是在系统工程、化学工程、运筹学、过程控制及计算机技术等学科边缘上发展起来的一门新兴技术科学〔1〕。20世纪90年代后过程系统工程开始应用在工业节水工作中。我国的煤炭资源主要蕴藏在水资源短缺地区，因此水资源成为煤化工产业发展的重要制约因素。煤化工企业在用水方面正面临严峻考验，节水减排刻不容缓。要实现煤化工企业节水减排的目标，不仅需要最优化的水处理工艺和设施，还要采用先进的方法优化用水系统。采用过程系统工程优化煤化工企业用水网络，不仅可确保企业用水系统的先进性和科学性，同时对减少污染、提高效益、保护环境、实现可持续发展具有重要意义。
1 节水减排的过程系统工程方法
做好煤化工企业的节水减排工作，应从系统的角度考虑水的有效利用。将煤化工企业的全部用水部门当成一个整体水网络来优化，考虑如何分配各用水单元的水量和水质，使水的重复利用率达到最大，同时废水排放量达到最小。
煤化工节水减排的过程系统工程方法是：水平衡测试→水网络系统集成优化→外排污水深度处理回用。其中水平衡测试是基础，通过加强完善校对计量仪表，做好全厂水平衡测试，计算用水技术经济指标，对比自身企业用水水平与先进水平的差距，将最容易挖掘的节水潜力挖到手;水网络系统集成优化是关键，利用“水夹点”方法逐级利用水质，合理配置水源和水阱，降低新鲜水用量，从而使排水量也大幅度下降;外排污水深度处理回用是最后一步，经过前两步的处理污水排出量已大为减少，对于不得不从末端排出的污水，通过污水深度处理等手段进行处理，使其达到回用标准，再返回系统中使用。这一步的特点是设备投资大，投资回报周期长。
2 过程系统工程方法的应用
2.1 水平衡测试
选取西北某煤化工企业进行冬、夏两季水平衡测试。冬季新鲜水总用水量为1 795.55 t/h，单位产品取水量为24.38 t/t; 夏季新鲜水总用量为2 725.00 t/h，单位产品取水量为36.54 t/t。新鲜水用水过程包括循环水系统补水、除盐水制水、其他工艺用水过程、厂内生活用水、高压消防水、基建及绿化、仪表误差及损失。冬、夏两季的用水过程所占新鲜水比例如图 1、图 2所示。从图中可以看出，除盐水制水和循环水系统补水所占比例较大。
图 1 冬季新鲜水用水分布情况
图 2 夏季新鲜水用水分布情况
2.2 水网络系统集成优化
基于冬季水平衡测试数据，依据水夹点技术的基本分析步骤，分析该企业所有用排水过程，确定水源与水阱。根据水源的水质特点和水阱的设备及工艺要求，笔者选取硬度、COD、电导率作为关键分析指标。水源统计及水源水质分析数据见表 1。
水阱对关键杂质的进口质量浓度极限要求主要借鉴国内相似设备的数据，见表 2。
遵照高品质水用量最小的优化原则，对水源及水阱进行匹配优化，得到初始优化水网络匹配关系并进行调优，最终得出对该企业水系统优化具有实际指导意义的优化方案：(1)水源1、水源2冷却排放水及水源7汽提净化水回用于水阱1和水阱2的仪表冲洗、机泵密封等，降低水阱1和水阱2优化前所用除氧水的流量。(2)水源4、5、6的锅炉排污水可并入各装置的循环水回水线，回用至水阱5的循环水补水。(3)水源3和水源9的锅炉排污水优化前作为循环水补水，将这两股锅炉排污水回用至水阱4超滤装置。(4)将水源8超滤反洗水回用至水阱6净水场作为原水，取消水源8排向水阱7的污水。
2.3 外排污水深度处理回用
经过水网络的集成优化，工业水重复利用率提高，同时排向污水系统的污水减少216.35 t/h。在此基础上考虑外排污水深度处理制成中水或脱盐水回用，可降低污水深度处理装置的设计规模和投资成本。
3 节水减排“七环节”优化
对于煤化工企业来说，可将水系统分为7个环节，即：水汽输送环节、制水环节、工艺水环节、循环水环节、蒸汽冷凝水环节、生活水环节、污水回用水环节。根据各个环节的特点并结合集成优化结果进行详细分析，以达到企业水系统的先进性和科学性。
3.1 水汽输送环节
完善公司水管网计量仪表的安装，达到国标要求;测试期间该企业的高压消防水用量偏大，应加强公司用水的监督管理，杜绝挪用浪费现象。
3.2 制水环节
(1)制水工艺流程优化。采用超滤+反渗透+阴床+阳床+混床的制水工艺组合，其中反渗透为一级二段，整个工艺过程的排放水量大于双膜工艺和离子交换工艺，造成制水系数较高。为降低制水系数，将一级二段反渗透流程改造为一级三段，制水系数可由1.543优化至1.36。(2)锅炉排污水去制水原水。根据水网络集成优化分析结果，铺设管线将净化装置和动力装置的锅炉排污水作为制水装置的原水。锅炉排污水温度较高，作为循环水补水会增加冷却塔的冷却负荷，但作为制水装置的原水使用既可合理利用锅炉排放的高品质废水，又减少了加热生水所用的蒸汽量。(3)超滤反洗水去净水场原水。根据水网络集成优化分析结果，超滤反洗水可以用作净水场的原水，2套装置距离较近，管线敷设难度小，回用方便，同时还可减少排向污水处理场的污水。
3.3 工艺水环节
根据水网络集成优化分析结果，机泵密封水、仪表冲洗、絮凝剂槽补水等改用汽提净化水，可节省除氧水用量;水环真空泵补水、研磨水泵用水等改用事故氮压机冷却排水，以节省除盐水。
3.4 循环水环节
(1)循环水场蒸发水汽回收〔2〕。循环水场蒸发飞溅量占循环水补水量的80%以上，所占比例巨大。利用水汽冷凝回收设备进行回收〔3〕，水量可达到蒸发量的25%以上。该设备回收水水质优良，可用作补充锅炉水、循环水等各种用途，降低企业新鲜水用量。(2)循环水场排污水适度处理回用。将循环水场排放污水单独回收，采用污水适度处理回用技术，产水回用于循环水场，浓水排放于污水处理场，可减轻污水处理场的运行负荷，同时最大程度地实现循环水场的独立运行，提高了安全性和稳定性。(3)循环水场补水改造。循环水补水优化的前提是保证循环水水质不变。根据全厂水夹点分析结果作如下调整：将装置2、9的锅炉排污水回用至装置6;装置3和5的锅炉排污水水量较小，就近回收至本装置的循环水回水线;循环水场排污水适度处理回用于循环水补水。通过对循环水场补水进行盐平衡计算，在保证补水水质基本不变的情况下，可节省新鲜水用量。
3.5 蒸汽及冷凝水环节
(1)夏季乏汽回收优化改造。夏季该企业存在低压蒸汽过剩现象，放空量很大。建议企业选用高速透平发电机组回收利用这部分富余蒸汽发电。(2)除氧器乏汽回收优化改造。高压锅炉除氧器采用热力除氧，除氧器上方大量含氧蒸汽放空。对除氧器放空乏汽进行回收既能实现节能节水，又有利于安全生产。在除氧封头乏汽排空处安装一个封头，利用除盐水对乏汽进行冷却，冷却后的水回用至锅炉除氧器，使产生的乏汽量最小时，再通过上述乏汽回收装置，从而减少乏汽的排放量。(3)凝结水放空罐乏汽回收优化改造。对于凝结水放空罐的乏汽，可以利用乏汽与凝结水闭式回收技术进行回收，减少乏汽的排放量。(4)水槽盘管伴热蒸汽凝结水回收优化改造。冬季该企业水槽盘管伴热后的10 t/h蒸汽凝结水水质较好，可铺设管线去工艺凝结水回收管网。
3.6 生活水环节
该企业厂区内设置了倒班宿舍、食堂和浴室，由厂内生活水管网统一供水，但只安装了1块水表作为计量手段。建议企业完善生活水计量仪表安装，同时制定生活用水考核制度，减少生活水的浪费。
3.7 污水回用环节
对制水环节、工艺水环节、循环水环节等用水进行优化后，排向污水回用装置的污水量大大减少。此时对厂区外排的浓盐水采用浓缩结晶技术处理达标后回用，可实现95%污水回收率，污水可实现“近零排放”。
3.8 小结
全厂水网络系统优化后的技改措施建议全部实施后，该企业每年可节省新鲜水1 257.38万t，节水率为63%。冬季单位产品取水量可降至7.01 t/t，夏季单位产品取水量可降至11.18 t/t。各项节水措施所对应的指标变化情况如图 3所示。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。
注：1—测试值；2—管网输送系统优化；3—制水工艺流程优化；4—锅炉排污水去制水原水；5—超滤反洗水去净水场原水；6—工艺水系统改造；7—循环水场蒸发水汽回收；8—循环水场污适度处理回用；9—循环水场补水改造；10—夏季乏汽回收优化改造；11—除氧器乏汽回收优化改造；12—凝结水放空罐乏汽回收优化改造；13—水槽盘管伴热蒸汽凝结水回收优化改造；14—污水回用优化改造。
图 3 各项节水措施依次实施后对应的指标变化
4 结论
在煤化工示范项目建设中，企业普遍忽视了水系统的优化设计与运行。从过程系统工程方法对煤化工用水网络整体优化的方案效果可以看出，煤化工产业的节水空间很大，过程系统工程方法对于促进煤化工企业节水减排具有重要意义。