第36卷第4期化學(xué)工程v.36No.42008年4月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)水系統(tǒng)集成技術(shù)在甲醇廠的應(yīng)用王天華,馮霄(西安交通大學(xué)化學(xué)工程系,陜西西安710049)摘要:水系統(tǒng)集成技術(shù)是把整個工業(yè)用水系統(tǒng)作為一個整體來看待并考慮水質(zhì)、水量的分配從而使系統(tǒng)用水的重復(fù)利用率達到最大,同時廢水排放量最小。甲醇企業(yè)是用水和廢水排放的大戶將水系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用于甲醇工業(yè),具有重要意義。文中結(jié)合水系統(tǒng)集成技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀,總結(jié)了水系統(tǒng)集成技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用的般步驟,具體分為以下幾步:選定目標系統(tǒng),明確水源水阱,確定關(guān)鍵污染物組分和極限進出口濃度生成初始網(wǎng)絡(luò)和用水網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)。并以某甲醇廠簡化的用水系統(tǒng)為實例,采用文中所提出的一般應(yīng)用步驟對用水網(wǎng)絡(luò)進行了優(yōu)化,獲得了新鮮水節(jié)水率達34.5%的節(jié)水效果關(guān)鍵詞:水系統(tǒng)集成;甲醇廠;夾點技術(shù)中圖分類號:TQ021.8文獻標識碼:A文章編號:10059954(2008)040071Application of water system integration technique in a methanol plantWANG Tian-hua, FENG XiaoDepartment of Chemical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, Shaanxi Province, China)Abstract: Water system integration considers how to allocate water in a water system with the water utilizationprocesses in a plant treated as an organic whole, and thus increasing water reuse and decreasing wastewaterdischarge. Methanol industries consume a large amount of freshwater and discharge a large amount of wastewaterSo the application of water system integration in methanol plants is very important. Combined with the present statusof application of water system integration, the general steps about the application of water system integration inindustries were summarized. The major steps are as follows: selecting the system, specifying water sources andwater sinks, determining the key contaminants and the limiting inlet and outlet concentrations of contaminantsgenerating the initial network, and adjusting the water network. The application of water system integration in amethanol plant was discussed by using the steps proposed. At last, the optimal design of water utilization networkswas achieved by combination of water pinch analysis and mathematical programming, and a good result of saving34. 5% freshwater was obtainedKey words: water system integration; methanol plant; pinch technology隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,水資源匱乏及污染加劇水夾點技術(shù))與數(shù)學(xué)規(guī)劃法。已嚴重制約著經(jīng)濟的發(fā)展。與此同時,國內(nèi)許多工水夾點技術(shù)于20世紀90年代中期提出,主業(yè)企業(yè)的新鮮水單耗、廢水單排均比工業(yè)發(fā)達國家要適用于單雜質(zhì)用水系統(tǒng),是水系統(tǒng)集成技術(shù)中使大,節(jié)水減排已成為企業(yè)發(fā)展過程中不能回避的重用最為廣泛的方法之一。它是將用水單元操作簡化要問題之為一個從富雜質(zhì)過程流股到水流股之間的質(zhì)量傳遞水系統(tǒng)集成技術(shù)就是把整個用水網(wǎng)絡(luò)作為一個過程。水夾點可以給出用水系統(tǒng)的瓶頸。整體來對待,考慮如何分配各用水單元的水量和水數(shù)學(xué)規(guī)劃法2主要用于多雜質(zhì)復(fù)雜系統(tǒng)中質(zhì)使系統(tǒng)的重復(fù)利用率達到最大同時廢水排放量能有效地優(yōu)化用水網(wǎng)絡(luò),并且可以同時得到系統(tǒng)的達到最小。最優(yōu)中國煤化工的水網(wǎng)絡(luò)。水系統(tǒng)集成方法可分為兩大類,即圖示法(如CNMHG應(yīng)用于煉油廠的、基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(20436040)作者簡介:王天華(1984-),男,碩士研究生,研究方向為水系統(tǒng)集成電話:(029)82668980;馮霄通訊聯(lián)系人,E-mail:xeng@mail.xju化學(xué)工程2008年第36卷第4期氯堿廠、熱電廠中,節(jié)水率達20%-30%。英國通過分析對比簡化假設(shè)等手段來完善。Monsanto公司1995年對7套生產(chǎn)裝置進行了水夾1.5生成初始網(wǎng)絡(luò)點分析與應(yīng)用,取得了節(jié)水30%,減少污水處理量實際上,企業(yè)的水供應(yīng)及廢水排放管網(wǎng)要復(fù)雜75%,減少投資費用1150萬美元的效果得多,且系統(tǒng)一般為多雜質(zhì)的情況。為了生成水系甲醇是重要的大宗的化工原料,甲醇企業(yè)是用統(tǒng)的初始網(wǎng)絡(luò)需要專門的水系統(tǒng)集成建模與集成水和廢水排放的大戶,但水系統(tǒng)集成技術(shù)在甲醇工工具軟件來完成這項工作如美國 Aspen Tech開發(fā)業(yè)的應(yīng)用研究,至今還未見報道的 Aspen Water0和 Linnhoff March公司開發(fā)的本文首先總結(jié)了水系統(tǒng)集成技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中 Water Target就是這樣的工具軟件。應(yīng)用的一般步驟然后,采用水系統(tǒng)集成技術(shù)對某甲將用水單元的極限數(shù)據(jù)代入到水系統(tǒng)集成建模醇廠的水系統(tǒng)進行了優(yōu)化集成與集成工具軟件中,生成用水網(wǎng)絡(luò),即為初始網(wǎng)絡(luò),初始網(wǎng)絡(luò)通常需要調(diào)優(yōu)。1水系統(tǒng)集成工業(yè)應(yīng)用的一般步驟1.6用水網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)水系統(tǒng)集成在工業(yè)中的應(yīng)用大致分為如下6步為了使網(wǎng)絡(luò)簡潔、實用、可行,對初始網(wǎng)絡(luò)作適進行當?shù)恼{(diào)整很有必要。1.1選定目標系統(tǒng)調(diào)整原則通常如:①優(yōu)先考慮同一車間或裝置水系統(tǒng)集成的核心思想是整體性。在選定目標內(nèi)部用水匹配,目的是簡化水網(wǎng)絡(luò)減少企業(yè)實際架系統(tǒng)時毫無疑問,應(yīng)著眼于全廠用水系統(tǒng)。有時如設(shè)管路等費用;②盡量減少用水單元的供水水源數(shù),果一些用水單元不能參與系統(tǒng)集成,則這些單元在對水量相當?shù)乃磁c水阱優(yōu)先匹配,這一步也能有選擇目標系統(tǒng)的時候不予考慮,以簡化系統(tǒng)效降低網(wǎng)路的復(fù)雜性減少投資資本;③去除水量相1.2確定水源水阱對少的水流能有效降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,使設(shè)計切實水源水阱可被定義如下:每一個用水單元都有可行。可能使用新鮮水和從其他單元來的水,成為接受它們的來水的潛在的水阱;從某一個用水單元出來的2甲醇廠水系統(tǒng)集成水都可以進入其他單元去用,成為供給它們水的潛甲醇工業(yè)中水有兩大用途:一方面是作為工藝在的水源。對于嚴格限定水源水質(zhì)的水阱(如只能用水消耗,另一方面作為換熱或清洗用水。水的主使用新鮮水)或者無節(jié)水潛力的用水單元出水可不要類型可分為新鮮水、脫鹽水蒸汽冷凝液等,其中作考慮,以減少變量數(shù)。脫鹽水主要用來產(chǎn)生蒸汽。蒸汽的利用又可以分為1.3確定關(guān)鍵污染物組分二類:工藝蒸汽和換熱蒸汽,工藝蒸汽在甲醇生產(chǎn)過沒有準確的關(guān)鍵污染組分的判定,所謂的進出程中消耗換熱蒸汽在滿足熱量交換的前提下形成口濃度就失去了意義進而影響到后來的優(yōu)化結(jié)果。了冷凝液。此外排污也相當復(fù)雜,一般會含有工業(yè)水系統(tǒng)中,雜質(zhì)種類通常較多,并且不同的COD、BOD、懸浮物等。用水單元可能含有不同的雜質(zhì)。例如煉油廠循環(huán)水某甲醇廠以天然氣為化工原料生產(chǎn)甲醇,現(xiàn)行的控制指標就需考慮pH值、電導(dǎo)率、總N總Fe、用水系統(tǒng)如圖1所示。COD殘氯、細菌含量、濁度和懸浮物等。如果在水精餾塔釜液系統(tǒng)集成中,所有的因素都考慮,就會使集成問題變1.3得非常復(fù)雜。因此在水系統(tǒng)集成中有必要根據(jù)各用水單元對水質(zhì)的要求,選擇關(guān)鍵的雜質(zhì)組分。但鍋爐抽灰一些次要的雜質(zhì)也許會對過程的操作產(chǎn)生影響。因脫鹽水此,待初始網(wǎng)絡(luò)生成后,應(yīng)將其他雜質(zhì)作為約束,考察各用水單元所用的回用水中國煤化工1.4確定極限進出口濃度CNMHG關(guān)鍵污染物組分確定后,接著要確定各個單元24.2的進出口極限數(shù)據(jù)。通常這樣的數(shù)據(jù)是很難獲得圖1某天然氣甲醇廠水系統(tǒng)工藝簡圖(單位:vh)的,需要在對現(xiàn)有用水單元水質(zhì)水量了解的基礎(chǔ)上Fig. I Current water system of the methanol plant(unit: th)王天華等水系統(tǒng)集成技術(shù)在甲醇廠的應(yīng)用前的甲醇廠用水狀況如下:新鮮水消耗49.4表1主要水源列表h(不計循環(huán)系統(tǒng)的水損失),脫鹽水消耗68vh,“編用水工序用水質(zhì)流量/(h)Table 1 Major water sources此外還有蒸汽消耗13th氣包排污脫鹽水6.8在水系統(tǒng)分析過后可知,一些用水單元具有回冷卻裝置新鮮水16.5用潛力但卻直接排放。目前排污主要集中于兩大總計塊:一是有回用潛力的排污,如精餾塔釜液排污,有機物含量略高,可以滿足鍋爐抽灰用水,目前已經(jīng)回表2主要水阱列表Table 2 Major water sinks用到鍋爐抽灰工藝中;此外,轉(zhuǎn)化冷凝液,冷卻裝置排污和氣包排污水質(zhì)也相對較好,有回用潛力。另編號所屬裝置用水工序用水水質(zhì)流量(th2)鍋爐鍋爐抽灰廢水+新鮮水20.0塊是排污量大且無直接回用潛力的用水單元,如B2循環(huán)水站循環(huán)水補水新鮮水24.2循環(huán)水站排污和鍋爐抽灰排污,它的污染物含量相44.2對復(fù)雜?？v觀全廠用水系統(tǒng),經(jīng)過水源水阱的確定,鑒于極限數(shù)據(jù)的缺乏,通過充分利用現(xiàn)有信息,分析出有節(jié)水潛力的用水單元,主要水源水阱見表釆取分析對比試驗研究等方法獲得?，F(xiàn)列出全廠1-2。根據(jù)各用水單元對水質(zhì)的要求,確定制約水主要用水工序中關(guān)鍵污染物組分的進出口極限數(shù)回用的關(guān)鍵污染物組分為鈣離子。據(jù),見表3。表3全廠關(guān)鍵污染物組分(Ca2+)的進出口極限數(shù)據(jù)表Table 3 Limiting inlet and outlet mass concentration of the key component( Ca")in each unit水流量進口極限質(zhì)量濃度出口極限質(zhì)量濃度編號用水工序現(xiàn)用水質(zhì)/(mg·L-)/(mg·L")氣包排污脫鹽水冷卻裝置新鮮水+脫鹽水鍋爐抽灰廢水+新鮮水循環(huán)水補水新鮮水24.58對全廠4個用水單元進行直接回用分析,使用3所示。《用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化》軟件作出夾點圖,結(jié)果如圖新鮮水7622所示。排污脫鹽水683圖3直接回用情況下的初始網(wǎng)絡(luò)圖(單位:h)Fig 3 Initial reuse network( unit: t/h)為了使設(shè)計出的用水網(wǎng)絡(luò)簡潔實用、可行,有必要根據(jù)實際情況對理論網(wǎng)絡(luò)圖作適當?shù)恼{(diào)整。根5001000雜質(zhì)負荷(g·h)據(jù)廠里實際情況和水網(wǎng)絡(luò)調(diào)整原則,鍋爐裝置和循圖2直接回用情況下的水夾點圖環(huán)水V中國煤化工到鍋爐抽灰的匹Fig 2 Pinch of the direct reuse配其他」CNMHG染物沒有回用到而陽八鬥略中從精餾塔釜液生成結(jié)果如下:夾點質(zhì)量濃度為60.00mg/L,到循環(huán)水站的匹配也應(yīng)保留。最終形成了調(diào)整后的最低耗水量為310∽h然后生成初始網(wǎng)絡(luò),如圖網(wǎng)絡(luò),見圖474化學(xué)工程2008年第36卷第4期新鮮水770Eng Sci,l9,49(7):981-1006[2 Huang C H, Chang CT, Ling H C, et al. 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Chemical Engineering Communications, 1990, 963結(jié)論(1):205-228根據(jù)水系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀提出了水系(7] Zheng pingyou, Feng Xiao, Qian Feng, Water system in統(tǒng)集成技術(shù)在工業(yè)水系統(tǒng)中的一般應(yīng)用步驟,并將tegration of a chemical plant[ J]. Energy Conversion and該技術(shù)應(yīng)用于某甲醇廠的水系統(tǒng)集成優(yōu)化,有效地Management,2006,47(15-16):2470-2478減少了新鮮水消耗,同時也減少了排污。[8]aspenTechnologyIncAspenWater[Eb/oL].http//www.aspentech.com/,2003-10-24.參考文獻:[9]linnhoifMarchCorpWaterTarget[Eb/oL].http[1] Wang Y P, Smith R. 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