基于耦合关系的石化行业清洁生产技术评价方法研究*

孙德林 张 芸 杨秋颖 侯昊晨 刘昱彤

(大连理工大学环境学院，工业生态与环境工程教育部重点实验室，辽宁 大连 116024)

石化行业是典型的高耗水、高耗能、高污染行业。据统计，中国石化行业水耗和能耗分别占全国工业总耗的13.5%、7.9%；SO2、NOx、烟尘、COD和氨氮的排放量分别占全国工业排放总量的14.7%、10.3%、9.0%、10.0%、10.0%[1]。中国在《“十三五”节能减排综合工作方案》和《石化和化学工业发展规划(2016—2020年)》中明确提出：到2020年末，石化行业万元GDP水耗、能耗下降23.0%、18.0%，SO2和NOx减排15.0%，COD和氨氮减排10.0%。实施清洁生产技术是石化行业节能减排的重要保证。

目前，石化企业在筛选清洁生产技术时，一般针对节水、节能、减污分别进行考虑，而事实上三者之间及各自内部存在着耦合关系。钢铁行业[2-3]已开始协同权衡水耗、能耗与大气污染物排放的耦合关系。王春艳等[4]在对电力行业水-能耦合关系的研究进展综述中更是提出了构建耦合关系量化分析方法向环境要素延伸的必要性。因此，石化行业水耗、能耗和污染物排放量之间的耦合关系也有一些学者进行了初步探索。CHAN等[5]指出，石化行业中的耗水环节也伴随着大量的能量消耗。张亚[6]利用灰色关联度分析了石化行业的能耗与污染物排放量之间的关系。可见，在评价石化行业清洁生产技术时量化分析节水、节能、减污间的耦合关系，评价其综合效益，从而指导石化企业精准筛选最优清洁生产技术，很有意义。以往在筛选最优清洁生产技术时，往往只考虑技术的直接节水、节能和减污，而忽视了其间接节水、节能和减污。

本研究以我国某石化企业为案例，先从国家推荐的相关工业节水、节能、减污技术中筛选出适用于石化行业的清洁生产技术，基于水耗、能耗、污染物排放量之间的耦合关系量化计算每种技术的直接和间接节水、节能和减污量，并通过环境效益和经济效益进行评价，筛选出企业的最优清洁生产技术，为石化企业筛选和实施清洁生产技术提供参考。

1 研究方法

1.1 石化行业耦合关系分析

石化行业最典型的生产过程包括常减压蒸馏、催化裂化、延迟焦化、加氢处理和重整，其中每个生产过程包含生产装置(常减压蒸馏装置、催化裂化装置、延迟焦化装置、加氢处理装置、重整装置)、辅助装置(脱硫、脱氮、除尘、烟气余热回收、污水处理和回用)和公用装置(供水、供冷、供热、供气、供电)。按照水耗、能耗和污染物排放量之间的耦合关系[7]识别出生产过程中水-水(表示水耗与水耗可能存在耦合关系，其他类推)、水-能、水-污、能-污、能-能、水-能-污6种可能存在耦合关系的物质/能量流，共识别出40条存在耦合关系的物质/能量流(见表1)。

表1 石化行业存在耦合关系的物质/能量流

1.2 物质/能量流分析量化耦合关系

基于质量守恒和能量守恒进行物质/能量流分析，能够对物质和能量进行量化[8-9]。下面利用物质/能量流分析量化石化行业中的水耗、能耗和污染物排放量，以及它们之间的耦合关系。

1.2.1 水 耗

水耗包括新鲜水、循环水、除氧水和除盐水的消耗。

1.2.2 能 耗

能耗包括燃料的消耗、蒸汽的消耗和电能的消耗，其中燃料有3种，包括燃料气、天然气、催化烧焦；蒸汽有两种，包括1.0 MPa(低压)蒸汽和3.5 MPa(高压)蒸汽，主要用于污水汽提装置和除氧水装置；能耗主要指电能的消耗，主要用于污水汽提装置/污水处理厂、烟气脱硫装置、水输送、能输送、循环水装置、除氧水装置。按照《石油化工设计能耗计算标准》(GB/T 50441—2016)折算能耗。

1.2.3 污染物排放量

污染物包括废气和废水，废气污染物又可细分为SO2、NOx、烟尘，废水污染物又可细分为COD和氨氮。

1.2.4 耦合关系

水耗、能耗、污染物排放量之间的耦合关系表现为它们的改变量之间存在线性关系，石化行业中主要的五大耦合关系见式(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为电耗改变量，kW·h/a；ΔW、ΔEs、ΔPg、ΔPw分别为水耗、蒸汽的消耗、废气排放量和废水排放量的改变量，t/a；ΔEf为燃料的消耗的改变量，kg/a；λe为水耗改变导致电耗变化的系数，kW·h/t；λs为水耗改变导致蒸汽的消耗变化的系数，t/t；λf为燃料的消耗改变导致水耗变化的系数，t/kg；λg为燃料的消耗改变导致废气排放量变化的系数，t/kg；λw为水耗改变导致废水排放量变化的系数，t/t。其中，燃料的消耗均以标准油当量计。

对于具体案例而言，首先将企业的生产和排污数据代入物质/能量流分析中，计算出企业实施清洁生产技术前的水耗、能耗和污染物排放量，再将这些量代入式(1)至式(5)中，计算得出λe、λs、λf、λg、λw。

1.3 清洁生产技术评价

1.3.1 石化行业清洁生产技术清单

根据《国家重点节能低碳技术推广目录》《石化行业节能减排先进适用技术指南》《国家重点行业清洁生产技术导向目录》等文件，由具有行业知识和现场经验的专家以访谈形式筛选出37项适用于石化行业的清洁生产技术，其中节水技术6项(T6、T13、T22～T23、T26～T27)，节能技术22项(T1～T5、T7～T12、T14～T21、T24～T25、T28)，减污技术9项(T29～T37)(见表2)。表2中的技术参数是参考文件中给出的节水、节能、减污参数，是未考虑耦合关系时的直接节水、节能、减污量。

1.3.2 基于耦合关系的清洁生产技术评价

企业实施清洁生产技术后的节水、节能、减污量由技术带来的直接节水、节能、减污量和由耦合关系带来的间接节水、节能、减污量两部分组成，前者通过表2的技术参数计算得出[10]，后者通过量化耦合关系计算得出。然后，通过环境效益和经济效益两个维度对清洁生产技术进行评价，为企业筛选出最优的清洁生产技术。

表2 石化行业清洁生产技术筛选清单

清洁生产技术的环境效益由节水量、节能量、废气减排量、废水减排量、SO2减排量、NOx减排量、烟尘减排量、COD减排量和氨氮减排量9个指标确定。首先，利用极值法[11]对9个指标进行无量纲化处理；然后，参考《清洁生产评价指标体系 石油炼制业》(DB11/T 1157—2015)确定指标权重，以上9个指标的权重依次为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。

清洁生产技术经济效益根据式(6)计算得到。

(6)

式中：Bec为某项清洁生产技术的经济效益(效益、成本比)，a-1；pw、pe分别为水和能的价格，元/t；WS、ES分别为企业应用某项清洁生产技术后的节水量和节能量，t/a；Co为某项清洁生产技术本身的操作费用，元/a；C为某项清洁生产技术的投资成本，元。

企业应用各项清洁生产技术的投资成本、操作费用参考《国家重点节能低碳技术推广目录》《石化行业节能减排先进适用技术指南》《国家重点行业清洁生产技术导向目录》中给出的示范项目，并根据本研究的企业涉及的装置数量、加工量等具体情况按比例折算，其中投资成本见表3。企业各类水和能的价格按企业所在地区的价格标准，列于表4中。

表3 企业应用清洁生产技术的投资成本

表4 水和能的价格

2 案例研究

2.1 耦合关系计算

以某综合实力在我国民营石化企业中排名前十强的石化企业为案例，其生产工艺和生产规模都具有行业典型性。企业水耗和能耗数据从企业年报中获取并通过现场调研确认；污染物排放数据中全厂的综合数据来自全国排污许可证信息管理平台(公开端)，具体数据来自企业环境自动检测控制系统。

利用物质/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。由此可见，企业实施清洁生产技术节约1 t水的同时能够间接节电0.672 9 kW·h，节约1.0 MPa(低压)蒸汽4.20×10-4t，合计节能0.179 9 kg，减少废水排放0.039 7 t；节约1 kg燃料的同时能够间接节水0.181 0 t，减少废气排放0.015 6 t。因此，耦合关系不应忽视。

2.2 节水、节能、减污量计算

37项清洁生产技术的节水、节能、减污量见图1。

图1 清洁生产技术的节水、节能、减污量Fig.1 Water saving,energy saving and pollutants reduction amount of the cleaner production technologies

(1) 部分节能技术能够通过耦合关系间接节水。T2～T5、T8～T10、T14～T17、T21和T28均没有直接节水效果，但具有间接节水效果。其中，T28最能说明通过耦合关系间接节水，因为该技术的直接效果会使循环水消耗增加20万t/a，但其最终仍可节水115万t/a，即间接节水135万t/a，扭亏为盈；T18和T19同时具有直接节水和间接节水效果。

(2) 部分节水技术也能通过耦合关系间接节能。T6、T13、T22、T23、T26、T27主要是有直接节水效果，间接节水效果不明显，但直接节水会间接减少相关设备的电能和蒸汽的消耗。如T26使污水汽提装置的除盐水、循环水和新鲜水的总消耗量降低18.94万t/a，而间接节水只有0.15万t/a，但通过耦合关系产生的间接能耗可降低2 092 t/a。

(3) 部分节能技术和节水技术还能通过耦合关系间接减污。废气减排效果最好的前5项节能减排技术依次为T21、T9、T2、T28、T17，废水减排效果最好的前5项节能减排技术依次为T21、T2、T14、T17、T10，由于水中污染物浓度基本是比较稳定的，因此COD和氨氮的减排效果排序与废水是相同的，不再具体分析。T3和T16虽然废水和废气的减排效果不突出，但具有较好的大气污染物减排效果。T3的SO2和NOx减排量甚至超过了3种末端脱硫技术(T35～T37)，而且3种末端脱硫技术还需要额外耗水、耗能和排放污水，因此T3优于T35～T37；同理可知，T16优于末端脱氮技术T31。3种末端除尘技术(T32～T34)的除尘效果相近，但T33的水耗、能耗和污水排放量均小于T32和T34，因此T33更优。

以上结果表明，清洁生产技术在石化行业中应用时的节水、节能和减污效果之间存在耦合关系，因此应充分考虑三者间的耦合关系，充分利用清洁生产技术的间接节水、节能、减污效果，筛选出石化企业的最优清洁生产技术。

2.3 基于耦合关系的清洁生产技术评价

图2计算出了37项清洁生产技术的环境效益和经济效益。为方便石化企业在不同投资成本情况下筛选清洁生产技术，结合实际将投资成本划分为7个区间：0～500万、>500万～1 000万、>1 000万～2 000万、>2 000万～3 000万、>3 000万～4 000万、>4 000万～5 000万、>5 000万元。总体而言，在图2中越位于右上角的清洁生产技术综合效益越高。投资成本的7个区间内各自筛选出的最优清洁生产技术方案见表5，在实际应用中可能还需要结合具体的实际问题进行综合考虑。

图2 清洁生产技术的环境效益和经济效益Fig.2 Environmental and economical benefits of cleaner production technologies

表5 最优清洁生产技术筛选结果

3 结 论

(1) 建立了基于水耗、能耗、污染物排放量之间耦合关系的石化行业清洁生产技术评价方法，能够更准确、全面地评价清洁生产技术的环境效益和经济效益，为企业精准筛选最优清洁生产技术提供了支持。

(2) 以某综合实力在我国民营石化企业中排名前十强的石化企业为案例发现，企业实施清洁生产技术节约1 t水的同时能够间接节能0.179 9 kg，减少废水排放0.039 7 t；节约1 kg燃料的同时能够间接节水0.181 0 t，减少废气排放0.015 6 t，说明节水、节能、减污之间的耦合关系不应忽视。为方便石化企业在不同投资成本情况下筛选清洁生产技术，结合实际将投资成本划分为7个区间：0～500万、>500万～1 000万、>1 000万～2 000万、>2 000万～3 000万、>3 000万～4 000万、>4 000万～5 000万、>5 000万元，并分别筛选出了最优清洁生产技术，当然在实际应用中还需要结合具体的实际问题进行综合考虑。