石化“大禹” 智慧“治水”

  水是生命之源、生产之要、生态之基。今年3月22日是第33届“世界水日”，3月22日至28日是第38届“中国水周”，世界水日由联合国确立，中国水周由水利部配合世界水日确立，旨在动员全社会一起关心水、爱惜水、保护水。

  石化行业是国民经济的重要支柱，也是工业领域的用水排水大户，约占中国工业用水量的8.6%。多年来，中国石化全力做好“水文章”、做强“水经济”、擦亮“水名片”，将科学技术创新作为平衡产业高质量发展和环境保护的重要手段，促进水资源的有效、清洁、循环利用，打造更加节水、减污、生态、循环的石化企业，探索出“科技强、产业优、生态美”的石化产业高质量发展新路径。本版专题为您介绍中国石化自主研发的先进水务技术及应用实践。

  本版文图除署名外由本报记者 陈子佩 潘亚男 通讯员 高 嵩 安一鸣 孟凡丽 李佳珍 王 辉 陈长顺 解玉峰 刘庆洁 方 雪 刘文彬 刘凤洋 郭 巍 刘 娟 谢文周 孙 杰 提供

  循环水系统的用水量占企业总用水量的50%~90%，为提升节水效率，石化企业持续提高循环水系统的污水回用比和浓缩倍数，导致循环水系统的腐蚀、结垢问题日渐严峻。

  含磷水处理剂是优异的缓蚀阻垢剂，能够在一定程度上帮助企业有效解决循环冷却水系统管道的结垢和腐蚀问题。但磷是水资源的“敌人”，水中的磷含量过大时会引起水体富营养化，造成藻类及其他浮游生物迅速繁殖，导致水质恶化，进而引发鱼类及其他生物大量死亡。

  面对循环水系统运行安全和水资源保护两大难题，石科院成功研发出系列高效低/无磷阻垢缓蚀剂及处理技术，不仅克服了常规无磷/低磷阻垢缓蚀剂抗冲击能力差、耐受污水回用比低的缺点，还能够根据企业不同新鲜水和污水水质进行“量体裁衣”，同时还可结合高效微生物处理技术及运行管理技术对循环水系统进行综合治理，在保证循环水系统长周期稳定运行的同时实现高比例污水回用。石科院还瞄准企业痛点，研发出药剂浓度高精度检测的新方法及配套的智能化监控设备，可以准确监测循环水中阻垢缓蚀剂的浓度，再根据实时数据对投加剂量进行精准控制和调整，实现“监测-反馈-加药”一体化智能闭环控制。

  目前，低/无磷阻垢缓蚀技术已入选工信部、水利部《国家鼓励的工业节水工艺、技术和装备目录（2023年）》、中国石油和化学工业联合会《石化绿色低碳工艺名录（2024年版）》，在20余套循环水系统开展应用及工业试验。

  沧州炼化在4套循环水系统中应用了低/无磷阻垢缓蚀技术，并在第一循环水场投用首套在线监控加药装备。该技术应用后，各套循环水系统的腐蚀速率和黏附速率长期保持在较低水平，处理效果非常明显，装置运行平稳高效。第一循环水场设备测定结果与总磷法相比变化趋势一致，表明药剂投放控制准确、效果优异。此外，沧州炼化吨水处理药剂费用较技术应用前降低约50%，循环水平均总磷质量浓度较技术应用前降低70%以上，每年减少排污水中总磷量约1.6吨，有实际效果的减少了污水场的磷负荷。

  随着污水排放标准，尤其是总氮排放标准日趋严格，石化企业污水处理系统普遍面临提标增效和深度脱氮的迫切需求。硝态氮浓度较高是污水处理设施总氮超标的原因，传统异养反硝化工艺流程长、占地大、运行成本高，深度、高效、低成本去除硝态氮是重点攻关方向。

  北化院开发的自稳定硫自养反硝化技术，具有pH值稳定、不曝气脱除COD（化学需氧量）、深度脱氮的特点，不需要添加碳源、酸碱等药剂，COD去除率在10%~70%，处理后总氮可达IV类水体要求。

  该技术具有工艺启动快、抗冲击、脱氮深度好、污泥产量少、二氧化碳减排等优势。与传统异养反硝化技术相比，该技术污泥产量降低90%，占地与运行成本均节约70%，以10 年全生命周期测算，总费用合计节约50%以上。

  江苏省区域标准要求外排水总氮低于15毫克/升（特别排放限值10毫克/升），金陵石化在建650立方米/小时高盐污水系统采用北化院自稳定硫自养反硝化技术深度脱氮，水力停滞时间不足1.5小时，出水低于15毫克/升，吨水运行成本不到传统异养反硝化工艺的1/3，以10年全生命周期测算，合计节约费用千万元以上。

  循环冷却水系统是保障石化装置在高温、高压、高腐蚀性环境下长周期稳定运行的关键之一，水冷器就像石化装置的“退热贴”，其运作时的状态直接决定了装置换热效率、能耗水平与生产安全。

  结垢、腐蚀、微生物滋生是水冷器的“三害”：水冷器结垢每增加1毫米，换热效率下降10%~15%，企业能耗成本每年增加超千万元。金属腐蚀若未被及时控制将可能引发穿孔泄漏，由此导致的非计划停车单次损失高达数百万元。微生物滋生会加剧垢层沉积和金属腐蚀，“三害叠加”导致恶性循环。

  石科院热情参加集团公司循环水相关企业标准编制，构建水冷器全生命周期管理技术体系，通过“评估-监控-优化”三步走实现全流程精准管控。开工前评估，基于装置工艺参数与水质特性评估水处理方案，规避药剂不适用风险；运行中监控，采集循环水指标、换热温差等数据，分析生成月度健康报告，诊断有一定的问题及潜在风险，反馈运行建议；周期后优化，通过对打开水冷器的状态识别与垢样垢型分析形成“一企一策”优化方案，从补充水比例、循环水水质边界控制、药剂缓蚀阻垢性能优化等方面入手，保障下一周期安全稳定运行。

  同时，石科院首创“腐蚀-结垢-微生物”三维分级评级模型，能结合pH值、浊度等水质大数据动态量化水冷器健康指数，使管理更精准及时。

  中科炼化循环水系统年供水量超17亿立方米，由于外购自来水受海水倒灌影响电导率和氯化物浓度高，该公司循环水系统存在较高的腐蚀风险。2021年起，中科炼化在石科院技术专家的帮助下对循环水系统进行“调理诊断”，近400台水冷器在4年长周期运行中得到保护。

  目前，中科炼化已连续3年被广东省工信厅评为“广东省石化行业能效领跑者”，被湛江市生态环境局评为“湛江市环保信用绿牌企业”。

  随着污水排放标准逐步的提升，传统技术大多通过增加构筑物单元、加长流程进行提标改造，带来占地、投资与运行的成本高等问题，部分石化企业面临再次提标改造无地可用的困境。若遭遇上游水质变化和工艺调整，将给石化企业污水处理带来更大挑战。

  北化院依据炼化废水污染物组成特点，研发出专性培养基和营养剂，确保生化处理系统中优势菌群浓度高、活性高，并开发相应的加入、循环工艺，实现对废水中“未被有效去除特征污染物”的高效降解。该技术占地、投资较传统技术均可大幅节约，用传统技术10%的成本可去除系统50%左右的原有出水COD；系统受到冲击时，该技术可低成本、快速实现恢复；设计吨水运行的成本仅为传统技术的20%。

  湖南石化600立方米/小时废污水处理系统应用此技术后，装置出水COD较应用前下降50%；优化了系统整体的微生物菌群，有机物去除效率高；实际运行吨水处理成本较传统提标改造技术降低90%以上，提标改造后废水净化处理运行成本不升反降；设备简便且易操作，投资与占地约为传统技术的10%。

  物料泄漏是石化企业循环水系统的大敌，加工原料一旦泄漏进入循环水系统，不仅会导致生产损失，而且会出现循环水水质恶化、设备腐蚀、微生物爆发、非计划停车等一系列连锁问题，必须早发现、早解决。如何在数百台水冷器中准确找到泄漏点？石化企业往往不得不依赖“人海战术”，耗费数十小时甚至数日开展地毯式人工搜索排查。

  石科院团队自主研发出智慧循环水有机物料泄漏快速溯源技术，为企业培养出可靠的“指纹神探”。通过首创的高灵敏度微量有机物料在线分析方法，“指纹神探”可识别出水中百万分之一级的有机物料，快速开启“抓捕”行动。这项技术内置了烃指纹数据库，几乎涵盖了我国所有种类原油及所炼制的油品。通过比对泄漏油品和烃指纹数据库中的特征烃指纹峰，“神探”可以立刻知道泄漏的油品种类，再配合能够迅速精准识别的溯源模型和全厂水冷器的相关性模型，快速锁定企业内加工这些油品的生产装置，进而精准定位泄漏的水冷器，实现从“大海捞针”到“精准狙击”的跨越。

  在天津石化、燕山石化、中天合创等企业应用的根据结果得出，这项技术能够明显降低企业排查耗时，降低水质污染、能耗激增及设备损坏风险，大幅度减少因物料泄漏导致的大量置换循环水及非计划停车损失。

  作为京津冀地区的特大型炼化一体化企业，天津石化加工产品品种类型繁多、追踪溯源难度大。2022年起，天津石化将80%以上的水冷器接入智慧循环水有机物料泄漏溯源系统，通过溯源分析算法、在线仪表、离线检验测试的数据相结合的方式实现泄漏点及时预警和快速定位。

  在“神探”的帮助下，天津石化已形成“监测-溯源-调控”闭环管理模式，重点节水指标处于行业领先水平，入选国家智能制造试点示范工厂揭榜单位、中国石油和化学工业联合会水效领跑者标杆企业，为我国石化行业打造沿海城市型炼厂样板。

  炼化企业含盐污水传统处理工艺包含12~14个单元，投资大、占地面积大、运行的成本高，且不能较好实现污染物处理深度，急需流程短、占地少、投资和运行的成本低，同时满足当前严格外排标准的炼化污水处理技术。

  北化院研究团队突破传统工艺处理单元功能单一等局限，创新性地开发应用一系列多污染物协同处理反应器技术。对含盐/高含盐炼化污水，应用短流程技术仅通过4~5个单元，就可以实现处理后外排水水质达地表水类IV类水平，较现存技术，占地、投资、运行的成本可分别节约60%、30%、50%以上，恶臭气体和剩余活性污泥产生量分别可降低30%和50%以上。

  该技术在湖南石化、茂名石化等单位实现多套技术成功转化落地。与传统工艺流程相比，该技术合计节约占地面积万余平方米、投资近4亿元、运行的成本近5000万元。

  湖南石化采用北化院炼化污水高效短流程处理技术完成长岭片区炼油含盐污水处理系统提标改造，成功打造中国石化首套短流程、首套IV类深度提标工艺。自系统改造运行以来，该公司出水水质始终远优于设计值，COD浓度低于15毫克/升、氨氮浓度低于0.02毫克/升、总磷浓度低于0.1毫克/升、悬浮物浓度低于20毫克/升。相比在原系统基础上新建深度达标系统的方案，节约投资超5000万元。

  石化污水成分复杂、处理系统流程长、进水水质水量受生产波动影响显著，污水处理系统必须随时进行参数调整优化，以应对水量、水质的一直在变化，实现平稳运行。但污水处理系统运营及参数调整优化主要依赖人工经验，进而导致调整周期较长、应急响应滞后、药剂与能源利用效率低下。

  2000年起，石科院深耕污水处理技术领域，成功开发出多项关键污水处理技术，并与石化盈科合作推动污水处理从“经验驱动”向“数据驱动”转型，开发出石化废水全流程智慧污水系统。

  研发团队针对一级处理（气浮）、二级处理（如厌氧/好氧生化、曝气生物滤池）和深度处理（如臭氧氧化）等废水净化处理全流程的各级单元构建对应的水质预测机理模型，能够实时监测、测算进水水质和运行参数，全流程模拟各单元出水水质，还能更加进一步预测未来水质的变化趋势，向生产企业预警潜在的超标风险，并在超标后快速生成应急处置方案，确保水质稳定达标。同时，该系统还能够最终靠模型计算，结合水务运行历史数据辅助生产企业确定最佳工艺参数，降低污水处理的能耗、物耗，实现全流程智能优化、精准预测预警、低碳高效运行。目前，该系统已在扬子石化、天津石化等多家企业上线运行。

  坐落于长江经济带核心区域的扬子石化，其污水处理系统在满足自身需求的情况下服务周边17家企业。

  扬子石化率先投用智慧污水系统，通过实时采集和分析工艺参数，精准预测出水水质，确保水务设施的高效运行，实现从“经验治水”到“智慧治水”的产业升级。依托该系统的未来水质超标预警和应急方案生成功能，扬子石化实现了从“被动响应”向“主动防控”的转变，解决了沿江化工企业“达标排放易、稳定控污难”的问题。

  我国煤化工企业大多分布在分布在陕西、内蒙古、宁夏等煤炭资源丰富的地区，受地质条件影响，水中往往钙、镁离子含量较高，水质硬度大，叠加煤化工生产的全部过程中导致的高盐度、高悬浮物，废水除硬难度大，煤化工企业因此普遍面临污水处理能耗高、药剂用量大的难题。

  石科院通过水质解析及除硬机理探究，有明确的目的性地开发出氧化破络预处理增效除硬工艺、氧化破络剂/耦合破络工艺、基于碰撞反应机制的除硬增效技术等一系列先进的技术，消除了煤化工企业化学除硬效率低的瓶颈，形成了适用于煤化工高盐水回用的提质降本工艺。

  2022年6月，在中国煤炭工业协会科技成果鉴定会上，专家组一致认定，石科院煤化工废水除硬增效技术解决了典型煤化工企业高盐水零排放处理系统化学法除硬效率偏低的核心问题，实现了低药耗、低成本、高效运行。

  内蒙古鄂尔多斯市地处毛乌素沙地边缘，水资源匮乏，生态环境脆弱。针对企业高盐废水碱硬度高、处理难度大的难题，中天合创与石科院联合研发煤化工废水除硬增效技术，成功实现废水硬度和碱度高效去除。通过工艺流程优化和药剂研制创新，中天合创在增强除硬效果的同时大幅度降低了药剂使用量和处理成本，吨水处理成本降低1.5元，年节约药剂费用超1600万元。

  目前，中天合创年工业水重复利用率保持在98%以上，4次获评中国石油和化学工业联合会煤制烯烃生产企业能效、水效领跑者标杆企业。

  催化裂化催化剂是石油炼制过程中的核心催化剂之一，生产的全部过程中会产生一定量的高浓度含氟含磷废水。钙盐沉淀法是含氟废水的传统解决的方法，但是对催化裂化催化剂生产废水束手无策，因为这种废水中含有高浓度硫酸盐，会与处理药剂中钙离子反应生成硫酸钙沉淀，极度影响脱氟除磷效果。

  石科院突破传统钙盐同步脱氟除磷方法的局限，成功研制出新型脱氟除磷剂，创新性开发“一级同步脱氟除磷+二级深度脱氟”成套技术，利用废水中其他污染物作为反应原料“以废治废”，有效解决了催化剂生产废水中氟和磷的处理难题，获得7件授权专利。2024年5月，在中国石化科技部组织召开的技术鉴定会上，专家组一致认定该技术达到国际先进水平。

  目前，石科院已依托该技术建成了数套废水脱氟除磷工业装置，企业外排水中氟和磷含量均稳定达到国家排放标准，自投入到正常的使用中以来，累计创造经济效益超千万元。

  近年来，催化剂长岭分公司针对催化剂生产废水中氟离子、磷酸根离子和硫酸根离子含量高的特点，应用石科院高含氟含磷废水深度脱氟除磷技术开展专项治理，每套装置解决能力达16万吨/年，处理后废水氟含量稳定低于10毫克/升、磷含量低于0.5毫克/升，达到或优于国家排放限值。

  循环水系统是炼化装置的“血液系统”，但水冷器存放腐蚀、清洗预膜效果差、环保风险高等问题长期困扰着企业。传统清洗预膜技术操作耗时长且步骤烦琐。

  北化院科研团队遵循“问题导向-机理突破-工艺创新-标准引领”的闭环研发逻辑，从三个维度突破技术壁垒。

  在材料创新方面，科研团队开发快速预膜剂解决水冷器存放腐蚀难题，填补国内检修后快速预膜技术空白。在工艺升级方面，科研团队优化不停车清洗技术，编制覆盖设备全生命周期的防腐蚀技术规范，实现从“被动维修”到“主动防护”的转变。在标准引领方面，科研团队将绿色清洗预膜技术写入中国石化企业标准，推动行业技术升级。

  2023年，循环水绿色清洗预膜技术通过中国石化科技部鉴定，达到国际领先水平。2024年，该技术获中国石化科学技术进步三等奖。目前，该技术已纳入《中国石化循环水处理效果监控方法》标准体系，下一步将推动快速预膜技术全面标准化。其推广预计每年可为石化行业节约运维成本超亿元、减少磷排放数吨。

  针对大检修中循环水系统水冷器易腐蚀、易产生高含磷废水的问题，燕山石化采用北化院自主研发的循环水绿色清洗预膜技术，有效减缓了循环水系统初期腐蚀，延长了设备寿命，满足了生产及环保要求。2005年至今，该技术累计在大检修中应用4次，减少含磷污水48万立方米，节约新鲜水48万立方米，综合节省开支1056万元。

  2024年，燕山石化先后获得北京市重点用水企业节水标杆、北京市重点用水企业水效领跑者称号，水资源重复利用率在行业内处于领先水平。

  秦 冰：一是标准趋严与达标压力。随着长江、黄河大保护战略的深入实施及工信部《工业水效提升行动计划》等节水减污政策密集出台，石化行业节水减排及污水排放的有关标准一直在升级，如北京、天津、江苏等地的地方排放标准已执行准IV类地表水浓度限值，所属地区的中国石化企业需执行COD30毫克/升、总氮15毫克/升的区域标准，部分排放标准中增加了全盐量、硫酸盐、氯化物、生物毒性等管控指标，对企业依法合规排放提出了严峻挑战。

  二是直接及间接经济成本压力。我国水资源的天然分布禀赋导致区域水资源矛盾较为突出，华北、西北等内陆地区的石化企业面临较高的用水成本和严格的用水配额。污水处理作为用能大户，能耗约占水系统总能耗的15%~25%，也为公司能够带来了较高的碳排放成本。环保税（如COD当量税1.4~14元/污染当量）与碳排放交易配额叠加，大型石化企业年环保成本高达数亿元。

  三是污水的复杂性与处理难度。石化行业废水中往往含高浓度COD、氨氮、重金属（如铬、铅）、油类及高盐分，特别是含有大量的以烃类及其衍生物为主要成分的有机污染物，这些污染物常会对生化处理单元等废水净化处理的重要环节产生抑制作用，传统的污水处理方法往往收效甚微。同时，石油化学工业生产涉及数千种原料、产品及中间产品，导致水中污染物的种类、数量时常发生巨大变化。加之石化行业普遍生产的基本工艺复杂，有些工艺过程的废水是连续排放，有些则是间歇排放，再加上装置开工、检修造成的影响，使得石化废水水量经常在极短的时间内产生巨大的波动，传统技术方法难以应对。

  郦和生：中国石化作为中央企业，大力推进先进水处理技术的研发与应用，实现石油化学工业水处理“绿色低碳、智能管控”，将污水治理转变为水生态保护、水环境治理和水资源利用，是履行好政治责任与社会责任的应有之义，也是贯彻落实国家“十四五”规划中关于深入打好污染防治攻坚战及国务院国资委中央企业能源节约与生态环境保护工作要求、践行绿色低碳发展的策略、推动绿色企业创建的必由之路。

  对企业而言，低碳高效先进水处理技术的研发与应用，可以在一定程度上完成水资源的高效利用、降低碳排放，推动石油化学工业污水处理厂向未来水厂模式转型，为企业赢得生存空间、发展空间，助力行业实现“双碳”目标，满足人民日渐增长的优美生态环境需要，推动实现更高质量、更有效率、更可持续、更为安全的发展。

  秦 冰：首先是搭建创新平台，汇集全产业链力量。早在1989年，石科院就成立石油化工水处理技术服务中心，在水处理领域形成了较完善的科学技术创新及推广应用体系。2024年，集团公司化工事业部基于对未来水务工作的发展布局，成立以石科院为牵头单位的“中石化水质技术服务中心”，旨在工艺研发、专业服务、技术交流等领域发挥智库作用。

  其次是开展技术攻关。中国石化以“环保先于一切、高于一切、重于一切”为核心理念，在集团公司科技部的统筹布局下，围绕“水资源高效利用-污染精准防控-价值再生”闭环，构建系统性管理框架，开展分级管控与全流程的优化。通过工艺节水改造、“废水分类-梯级处理-定向回用”分质处理体系、除硬脱盐近零排放等技术实现污水废水源头减量，降低新鲜水耗；以影响外排水质提升的关键单元（生化、高级氧化）为切入点，通过装置化、低碳化污水处理技术升级，保证外排污水稳定达标。推进智能协同与低碳运行，基于预测模型的构建和大数据分析，协助企业预警水质风险，实现运行管理的决策智能化。推动水务管理从“成本消耗”向“资源增值”转型，通过技术融合与智能决策，助力企业水效领跑。

  秦 冰：一是科学技术创新领航绿色智能升级。在集团公司科技部、事业部等部门的统筹领导下，依托中石化水质技术服务中心等创新平台，构建自主可控的绿色水处理材料研发体系，研发高效低耗的污水处理工艺、基于AI算法的废污水处理动态优化系统等绿色技术及智能水质监测传感器等绿色产品，搭建智慧水务“感知-决策-控制”一体化平台，持续布局环境智能感知、数字孪生等高端智能水处理装备，实现水系统全生命周期精准管控。

  二是技术服务赋能企业提质增效。为石化公司可以提供个性化的水质集约化管理服务，及时诊断和解决企业水系统的疑难问题，为企业组织针对性专业方面技术服务，挖掘节能节水、绿色降碳的潜力，推动水务管理从成本中心向价值中心转型，提升企业水资源利用水平，最终形成“一企一策”定制化解决方案。

  三是人才梯队筑基水务创新发展。围绕水务技术升级与行业转型需求，建立行业专家库，为水务专业化管理和发展决策提供智库支持。组织召开中国石化水处理技术研讨会，搭建高层次的“产学研用”学术交流平台，助力石化企业水务人才教育培训，不断的提高中国石化在水处理行业的影响力。

  郦和生：一是强化污水“分类收集、分质处理”，以特征污染物、生物毒性等指标为指导，实现污水分类分质精细化，有明确的目的性地开发高级氧化、微生物解毒等高效预处理技术。

  二是提升单元技术效能、多功能反应器开发，并在此基础上实现废水净化处理短流程、装置化，实现废水净化处理占地、投资、运行成本、能耗及二次污染的最小化，如北京化工研究院含盐/高盐污水短流程处理技术（4或5个处理单元）已实现工业化应用，预计近3年将实现装置化并再减少一个处理单元，适用于新建水处理系统和现有水处理设施改造，是当前能快速实现低碳高效水处理的最优路径。

  三是转变观念，构建绿色低碳高效污水处理体系。将石化水处理的目标由“去除”转为“回收”，以“再生水资源+营养物+能源回收”为理念，以“源头减量、过程回用、资源循环、能源回收”为原则，支持包括节能技术、资源能源高效循环利用技术等一系列低碳高效技术的开发与落实，从污染物中获得能源、资源，实现石化行业水处理的低碳高效绿色发展。

  四是以“产学研用”模式加强技术创新，形成以石化企业为主体，集聚多领域、多专业领军人才，支持技术合作开发、开展示范项目，集中攻克关键核心技术，为构建装置化、能源化、循环化、数智化污水厂提供有力技术支撑。

  五是建设数字和智能管控体系，改进传统的污水处理模式，引入“智慧”理念和AI技术，用智能先进的手段“知水、治水、智水”，逐步实现全面智慧管理，形成更完善的环保智能管控平台。