（化学工程专业论文）环境友好化工过程综合中环境因素的量化方法研究.pdf

晰江工皇土学嘎士学位语文 环境友好化工过程综合中环境因素的量化方法研究 摘要 化工行业是高污染、高能耗的基础产业，其环境影响问题已成为 制约行业可持续发展的关键因素之一。在工艺设计阶段避免和减少污 染产生是从源头控制污染产生的有效方法，将环境影响最小化运用到 化工过程设计中，是近年来快速发展的一项研究。将环境影响最小化 集成到化工过程综合中，不仅对于环境保护，而且对于过程技术本身 都是目前紧迫的任务。过程优化综合为环境友好的过程设计提供了重 要的途径和方法。本文从过程系统的观点对环境影响最小化的化工过 程综合进行了综述，着重介绍了过程综合中的环境影响评价体系，并 以环境友好过程系统为着眼点，为工业可持续发展提供技术支持。 论文从过程系统设计的基本原理出发，对姚克俭等提出的化工过 程环境影响量化评价指数一一绿色指数( c g i ) 做了改进，提出了具 体的实施步骤，使得这一评价流程更加系统化。并建立了从确定化工 过程系统边界到环境影响分类、环境影响结果的特征化、标准化、加 权评价，最后利用层次分析法( - 蝴) 综合评价得出过程的环境友好 指标一一绿色指数的评价步骤。并将其用于过程系统的设计与优化中 衡量工艺流程的环境影响，提供在工艺设计阶段的环境分析工具。因 为环境信息数据分析和估计的不全面性和不确定性，评价过程只能以 浙仁工 土学硕士学位静文 定性和定量相结合的方法进行。绿色指数评价方法中引入了多属性决 策方法中的层次分析法确定各种环境影响的权重因子，使得评价结果 更加客观、科学，减少了主观性，使之能够应用于过程设计当中。 精馏是分离过程中典型的单元操作，本文通过对某生化有限公司 燃料酒精蒸馏系统的设计方案的研究应用，确定了改造后的工艺流 程，能较好地达到在工艺设计阶段避免和减少污染产生的要求和从源 头控制污染并尽可能减少对环境影响的目的。 关键词：过程综合，环境潜在影响，绿色指数，酒精精馏 i i 新恤工业上学曛士学位静文 q u a n t i t a t i v em e t h o df o r e n v i r o n m e n t a l i m p a c tf a c t o r si ne n v i r o n n t a lb e n l g n c h e m i c a lp r o c e s si n t e g r a t i o n a b s t r a c t a tp r e s e n t ，o n ev i t a lt a s ko fc h e m i c a lp r o c e s s d e s i g nw i t h s u s t a i n a b i l i t yc o n s i d e r a t i o n si st om a i n t a i nt h ec r i t i c a lb a l a n c eb e t w e e na h e a l t h ye c o n o m i cg r o w t ha n dah e a l t h ye n v i r o n m e n t c h e m i c a li n d u s t r i e s p l a yak e yr o l e o fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e ma s s o c i a t i n gw i t he n e r g y c o n s u m p t i o n ，n a t u r a lr e s o u r c e sd e p l e t i o n ，a n de n v i r o n m e n t a lp o t e n t i a l i m p a c t sw i t ht h er e l e a s e s i th a sb e c o m eav i r t u a lo b s t a c l et o i n d u s t r i a l s u s t a i n a b i l i t y n o w a d a y s ，i ti sw i d e l yr e c o g n i z e dt h a tp r o c e s sd e s i g n r e f l e c t i n ga ni n t e g r a t e dp e r s p e c t i v ea c r o s sa l lt h ee n v i r o n m e n t a lc o n c e r n s w i l ll e a dt os i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a li m p r o v e m e n t e n v i r o n m e n t a li m p a c tm i n i m i z a t i o nt h r o u g hp r o c e s sd e s i g ni sa d e v e l o p i n gr e s e a r c hi nc h e m i c a li n d u s t r y n o to n l yf o re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，b u ta l s of o rp r o c e s st e c h n o l o g yi ni t s e l f , i ti s a nu r g e n tt a s kt o i n t e g r a t ee n v i r o n m e n t a li m p a c tm i n i m i z a t i o n i n t oc h e m i c a lp r o c e s s i n t e g r a t i o n i nt h i sp a p e r , w et r i e dt os u m m a r i z et h ed e v e l o p m e n t so ft h i s i i i 晰恤工_ 蠢土学嘎士掌隹静文 a r e ai nr e c e n ty e a r s e n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n ta n dp r o c e s s i n t e g r a t i o nf i r eh i g h l i g h t e df o re n v i r o n m e n t a li m p a c tm i n i m i z a t i o n t h e r e i ss t i l la l o n gw a yt og of o r t h ed e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t a l p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa n di n d i c e s i no r d e rt oc a r r yo u tt h ea s s e s s m e n te a s i l y , ap r o c e d u r es h o u l db e e s t a b l i s h e d t h i sp a p e rp r o v i d e dap r o c e d u r ew h i c hi n c l u d e ss i xs t e p s i d e n t i f ys y s t e mb o u n d a r y ，c l a s s i f i c a t i o n o fe n v i r o n m e n t a l i m p a c t c a t e g o r y ，c h a r a c t e r i z a t i o n ，n o r m a l i z a t i o n ，c a l c u l a t i o no f w e i g h t ，a n dt o t a l a s s e s s m e n t e n v i r o n m e n t a li m p a c tf a c t o r sc o n s i s to ft e ns u b c r i t e r i ai n c l u d i n g e n e r g yc o n s u m p t i o n ，g l o b a lw a r m i n g ，o z o n ed e p l e t i o n ，a c i d i f i c a t i o n ， s m o gf o r m a t i o n ，h u m a nt o x i c i t y , a q u a t i ct o x i c i t y , t e r r e s t r i a lt o x i c i t y , n u t r i e n te n r i c h m e n ta n dd u s t d u et ot h el a c ka n du n c e r t a i n t yo f e n v i r o n m e n t a li n f o r m a t i o n ，b o t hq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ea s p e c t sh a v e t ob ec o n s i d e r e ds i m u l t a n e o u s l y i nt h i sp a p e r , ah i e r a r c h i c a lf r a m e w o r k w a su s e dt oh e l pc o n s i d e rt h ee n v i r o n m e n t a lp e r f o r m a n c eo fp r o c e s s a n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s sw a sh e l p f u lt od e t e r m i n et h er e l e v a n t i m p o r t a n c eo fd i f f e r e n tc r i t e r i ao ra t t r i b u t e s ac h e m i c a lp r o c e s sa s s e s s m e n to fe n v i r o n m e n t a li m p a c ti n d e x ， c h e m i c a lg r e e ni n d e x ，w a sp r o p o s e d i ti sam e t h o df o rd e t e r m i n i n gt h e p o t e n t i a le n v i r o n m e n t a li m p a c to fap r o c e s s t h em e t h o dd e f i n e st e n e n v i r o n m e n t a li m p a c tf a c t o r st oc h a r a c t e r i z et h eg e n e r a t i o no fp o t e n t i a l i v 街讧工鼻土学最士学位格文 i m p a c ti nap r o c e s sa n dt h eo u t p u to fp o t e n t i a li m p a c tf r o mt h ep r o c e s s a p r o c e s se n v i r o n m e n t a la n a l y s i sw a si l l u s t r a t e dw i t hac a s eo fe t h a n o l r e f i n e r yp r o c e s s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec h e m i c a lg r e e ni n d e xc o u l d r e f l e c te n v i r o n m e n t a lb e n i g no ft h ep r o c e s sa n dc o u l db ec o m b i n e dw i t h t h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no f t h ep r o c e s s k e yw o r d s ：p r o c e s si n t e g r a t i o n ，e n v i r o n m e n t a li m p a c t , c h e m i c a l g r e e ni n d e x ，e t h a n o lr e f i n e r y v 杆弘工土 曩碱士学位格文 符号说明 a p ：酸化或酸雨潜力 ( a c i d i f i c a t i o np o t e n t i a l ) 曩；每个排废组分对环境的有害 系数 q ：效应系数1 g ：效应系数2 ：挥发物释放自女过程单元的 流量，k g h 如：系统排废中i 组分的物理和 化学拥 聊：系统向环境排放炯 e p ：富营养化潜力( n u t r i e n t e n r i c h m e n tp o t e n t i a l ) f a e t p ：水体生态毒性潜力( f r e s h w a t e r a q u a t i ce e o t o x i c i t yp o t e n t i a l ) c g i ：绿色指数( c h e m i c a lc r r c e n i n d e x ) g e l ：环境影响( g l o b a le n v i r o n - - m e n t a li m p a c t ) o w p ；全球变暖潜力( g l o b a l w a r m i n gp o t e n t i a l ) h t p ：人体摄取毒性潜力( h u m a n t o x i c i t yp o t e a t m l ) ，：化合物的环境影响 l ，。；进入过程单元 的流股的j 的流量，k g h 抑：系统的媚不可逆损失 m ：化合物的质量，k g 册：i 组分的平均分子量 q 。：流出过程单元女的流股的 流量，k g h o d p ：臭氧层破坏潜力( o z o n e d e p l e t i o np o t e n t i a l ) p ：单位时间内产品的产量，k g h p c o p ：光化学氧化或烟雾潜力 ( p h o t o c h e m i c a lo z o n ec r e a t i o n p o t e n t i a l ) ：墙1 分废料的生成速率，k g h r ( j ) ；第年的标准基准 t ：产品服务期，a t e t p * 陆地生态毒性潜力 ( t e r r e s t r i a le c o t o x i c i t yp o t e n t i a l ) k ：第女步单元过程设备的容 积，订 矿：归一化的第i 种废物环境影响 投重系数 请恤善 太辱嘎士学位格文 矿( 力：，种环境影响的权重因子 等级 x ：化合物的质量分率 ：，流股中i 废料组分的浓 度，k g m 3 。：k 过程单元中i 废料组分的浓 度，k g m s 重 a t ：废物，产生，型影响的相对权 耗 乃：污染物，的污染因子 丸：废物，对环境的影响 虻，：废物，对环境产生的，型影响 p ：化合物的影响潜值 ：各种环境影响潜值或资源消 簖：标准化后的单位质量t 物质 见：密度，k g m 3 在环境影响类型f 中的影响潜值 f ：系统的煳效率 ，：流股，中组分，对环境影响的 下标： g e n ：生成 i ：物质组分 胁：进料 - ，：物质组分 t o t a l ：总的 k ：过程单元或物质组分 f ：物质组分或影响类型 o u t ：出料 s y s t ：系统 浙江工业大学 学位论文原创性声明 y7 4 9 7 5 5 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材判。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：嚅娥日期：为年5 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吐 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：噎娥 翮签名舷 日期：澎年岁月阳e j 日期：粥年占月如日 晰恤工业太学硬士学位静文 刖舀 全球性生态环境的恶化是2 0 世纪人类发展过程中出现的重大问题，也是人类 2 1 世纪生存和发展所面临的重大危机，己成为国际社会普遍关注的焦点之一。自 工业化以来，“高生产、高消耗、高污染”的传统发展模式，实现了国民生产总 值的迅速增长，但是，现代化工业生产过程在为人类提供消费产品的同时，也带 来了对地球环境的污染和破坏，各种有毒、有害废气、废水和固体废弃物直接排 放到环境中，造成一系列生态环境问题，如温室效应、臭氧层损耗、光化学烟雾、 酸雨等。面化学工业又是造成环境污染的主要行业。在我国，化工行业每年排放 工业废水5 0 亿吨，工业废气8 5 0 0 亿立方米，工业废渣4 6 0 0 万吨，分别占全国工业 三废排放量的2 2 、8 、7 。在工业部门中，化工排放废水量居第一位、废气 居第二位、废渣居第四位。 在此背景下，化工过程的绿色化设计概念的出现和发展成为一种必然。绿色 设计的基本思想是在设计阶段就考虑环境因素和预防污染的措施，将环境性能作 为设计目标和出发点，运用化学原理和工程技术来减少或消除环境污染，力求使 整个生产过程或工艺对环境的影响最小。换而言之，绿色设计要求在源头阻止或 减少环境污染的产生。在化工过程设计时将化工系统的经济效益和环境性能作为 设计目标，务必使设计符合经济效益最大而环境影响最小。经济效益最大的目标 很容易量化，相对来说，环境影响的量化就十分抽象和复杂。因此，对于一个化 工过程，如何度量和表征其对环境产生的影响，达到环境影响最小化的目标是一 个十分复杂的问题。如何评价一个化工过程对环境产生的影响大小或程度，达到 系统优化和流程方案择优的目的，是一个急待解决的问题。本论文将在综合国内 外现有的各种化工过程综合中的环境影响量化评价指标的基础上，对姚克俭等提 出的绿色指数法做进一步改进，并结合工程实例对化工过程环境影响进行量化， 达到根据环境友好程度进行流程方案择优的目的。 晰肆工 土学嘎士学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 进入二十世纪以来，特别是二十世纪中叶，科学技术的迅猛发展，在给人类 带来便利的同时，也给人类带来一系列生态环境恶化的问题，使人类的发展承受 着巨大的压力。当代全球十大环境问题包括：太气污染、臭氧层破坏、全球变暖、 海洋污染、淡水污染和资源紧缺、生物多样性减少、环境公害、有毒化学品和危 险废弃物、土地退化和沙漠化、森林锐减。其中前八项都直接和化工生产、化学 物质污染有关，后两项也间接有关。经济发展、科技进步和人类生活水平的提高 离不开化学制品，但是化学制品的生产、加工、贮存、运输、使用和废弃处理等 各环节都可能产生有害物质危害生态环境和人类健康，从而造成影响深远的全球 环境问题。 而另一方面，环境问题的解决在很大程度上依靠化学和化工技术提供替代产 品、处理技术以及环境友好技术。能否将过程设计在最优状态下运行，以便将资 源进行最充分利用，使能源消耗达到最小，以及对环境的污染降到最小，从而实 现过程系统与人类社会以及整个生态协调并存发展是解决上述问题的重大课题。 过程系统工程学科的产生及进一步发展为研究上述课题提供了强有力的科学技 术保证。过程系统工程是化学工程高层次的理论研究，其着眼点在于系统的整体 性能。以系统的最优设计、最优控制、最优操作与最优管理为目标。其中，过程 的最优设计是实现原料利用率高、能量消耗少以及对环境污染小等目标的关键步 骤，优化综合是过程设计中的重要部分。同时考虑环境因素和经济因素的环境友 好过程优化综合为解决环境污染、能源问题和资源耗竭提供了重要的途径和方 法。虽然综合考虑环境因素和经济目标的过程系统工程研究工作己经取得了长足 的迸展，但是大多数还停留在理论研究阶段，没有规范化的应用方法，所以还需 进一步研究”。为此，有必要进一步展开环境友好过程优化综合的研究工作。本 论文以环境友好过程系统的持续改善为着眼点，以为可持续发展提供技术支持为 惭讧工主土学两士学隹倍文 最终目标，研究过程综合中环境影响量化设计方法，从而促进化工过程的资源、 能源、环境污染和经济效益协调统一。 1 2 考虑环境因素的化工过程优化综合研究进展 化工过程综合中的环境问题是随着全球对环境问题的关心而发展起来的。它 始于2 0 世纪8 0 年代，从废物最小化到建立环境影响指数，从单一的人体毒性影 响到多种环境影响类型( 如臭氧层损耗、酸雨效应等) ，从车间阈值到浓度的积 累效应，环境影响的范围向深度和广度两方面发展。 1 2 1 化工过程系统中各阶段环境影响的分析 一个化工过程的生命周期包括科研开发、过程概念设计( 过程综合) 、初步 设计、施工图设计( 详细工程设计) 、建设施工、开车运行、改造维修、关闭， 拆除等多个阶段。在过程生命周期的各阶段环境影响最小化的机会是大不相同 的，早期阶段过程变化的自由度大，废物削减的机会也就多，所引起的投资也少。 一旦到工厂建成开车，即使有机会减少污染，改造投资的费用也大得多。这种情 形如图1 1 所示。结论是：避免污染或环境影响最小化的关键步骤在于概念设计 或过程综合阶段，这一阶段机会多而成本低。近十年来，虽然在环境影响最小化 的过程综合方面做了不少研究工作，但多数停留在学术研究阶段，只有个别工业 企业实际采用。 图i - i 工艺过程生命周期各阶段的污染防止机会 晰恤工宴太学硬士学俄静文 在过程设计中考虑工艺流程的环境目标需要解决两个问题：第一，如何衡量 工艺流程的环境指标。我们通常考虑以工业过程排出的废料量来衡量一个流程的 环境指标，然而工业过程排出的废料并非都是有害于环境的，因而并不能完全代 表工艺流程的环境指标，据统计美国每年生成的1 2 0 亿吨工业废料中9 0 以上 是非毒性的无害原料【2 】。因此需以对人类健康、生态环境和后代发展造成危害为 基准的潜在环境影响来衡量过程的环境指标，达到过程的环境影响最小。第二， 如何量化潜在环境影响指标，并在过程设计中达到环境影响最小，也是一个需要 解决的问题。本文着重在这一方面做了研究工作，首先从过程综合中环境目标的 考虑着手进行分析。 1 2 2 过程综合中环境目标考虑的发展趋势 环境因素的考虑已经引起了过程设计多方面的变化，如设计系统边界的扩 大、内在的多目标性以及不断增加的不确定性和复杂性等。就过程综合方面而言， 可以总结出以下对环境影响考虑的几点趋势。 ( 1 ) 系统分析的边界在不断扩大。最简化的层次是将废物的回收、再循环和 再利用纳入过程综合范围之中；其次，把不同工艺过程之间的能量及物质集成统 一起来考虑，也就是全厂集成；最高层次是要考虑产品生命周期中的经济和环境 效应。这种产品生命周期分析方法在2 0 世纪8 0 年代还仅仅是学术研究，但在 9 0 年代已有些工业部门采用，如c h i b a 专用化学品公司。 ( 2 ) 在评价及控制指标方面，由限制管端排放浓度向强调环境影响最小化转 变。这和防止污染已由末端治理转向源头削减的大趋势是一致的。 ( 3 ) 在过程生命周期中，对环境的考虑愈来愈提前。2 0 世纪6 0 年代往往工厂 建成之后才考虑如何治理污染；8 0 年代虽然建厂之前就考虑三废处理设施，但 并未放到工艺设计之内；到2 0 0 0 年代则在研究开发阶段就要考虑环境影响，而 绿色化学则要求从产品到原料力争“绿色化”。 “) 多目标性愈来愈突出。传统设计方法中环境影响常常在工艺方案确定后 才考虑三废处理问题，后来演化到在工艺流程集成优化时将环境作为约束条件来 处理，但最新的进展是认为环境目标与经济目标具有同等重要的地位，环境考虑 由约束条件转变成目标函数，只有同时追求经济和环境多目标优化的过程设计才 晰扛工鼻土学碱士席住静文 是成功的设计。 ( 5 ) 环境影响的考虑使不确定性增加。环境影响评价本身就是一个涉及多层 次多目标的复杂决策问题，因此环境因素豹考虑使过程综合的不确定性增加。 1 2 3 绿色过程系统的模拟与分析 过程综合是过程设计的核心，它是开发概念流程的一种系统方法，用于过程 单元及其相互连接的选择和最佳操作条件的确定，通常要求以最大利润从可利用 的原材料中以安全的、环境可按受的方式生产出所需产品，同时要求设计出的过 程具有良好的操作弹性和可控性【3 1 。过程综合决定了概念流程的初始拓扑结构和 全局变量，与过程综合相关的另一个概念是过程集成，最初的过程集成是指从能 量流的角度研究过程系统的设计优化，目前已经泛指从系统的角度进行设计优 化。 过程系统工程的设计是以处理物料一能量一信息流为研究对象，研究这类系 统的资源配置、计划、管理、设计和操作控制优化的规律，目的是在总体上达到 技术、结构上的优化。已经形成了模拟分析、过程综合、过程预测和评价、集成 规则及优化方法、人工智能和模糊数学方法等一系列研究方法和手段。近年来兴 起的绿色过程系统工程则是以研究资源配置、计划、管理、设计和操作控制使环 境影响最小的规律为目的，在总体上使系统达到可持续发展。研究方法和手段涉 及化学化工、环境科学与工程、生态学等相邻学科的研究方法和成果 4 1 。 绿色过程系统从宏观层次系统的模拟与分析可以分为三大方向：基于流程模 拟的方法，基于夹点分析的方法以及基于热力学分析的方法。下面分别给予简要 介绍。 1 2 3 1 基于流程模拟的方法 这方面最有代表性的方法当推美国环保署e p a 的国家风险管理研究所 n r m r l 开发的w a r ( w a s t er e d u c t i o n ) 方法嘲。这种方法的基本概念介绍如下。 首先，从一个过程系统的通用污染平衡方程出发： 街江工业土学嘎士学俄格文 墨量孙j _ 。枷 。薯，+ 圪 f 彤- z y z o j 。薯。，- z z e , x , ，。 式中，。进入过程单元t 的流股的的流量( 质量时间) ； q ，。流出过程单元女的流股，的流量( 质量时间) 薯，流股中f 废料组分的浓度( f 质量总质量) ； 再。女过程单元中f 废料组分的浓度( f 质量总质量) e 挥发物释放自过程单元的流量( 质量时间) ； k 第k 步单元过程设备的容积( 容量) ； 见平均密度( 质量体积) ； 均1 分废料的生成速率( f 摩尔体积时间) ； 枷：f 组分的平均分子量( 质量摩尔) 。 所谓“废料”定义为：在一个过程自身或在任何后续过程中均没有用上的非 产品。 虽然以上方程给出了计算一个过程所带来的污染的基本方程，但在此方程中 并未考虑化学组分i 的毒性大小及其对环境造成影响的程度。为了反映不同化学 组分f 对环境影响的程度就必须在每个i 组分的质量流量前引入一个权重函数 f ，其中f 可以是流股j 也可以是过程单元。函数是表示对环境影响的等级， 其单位为“影响”f 质量。它表示在流殷，或单元t 中的化学组分i 对环境影响程 度。引入函数- f ，上述方程就转化成对环境影响的平衡方程，如式1 2 所示。 妄( 摹军k 凤。 = ( 式1 - 2 ) 。再，+ k i 埘彤，。一q 。而，。一且_ t 。 i i ili i i 如果一个过程是处于稳态操作之下，则上述污染平衡方程中的时间积累微分 项为零，于是环境影响方程简化为式1 3 。 z z y , 。j j + i m 彤坼。= z z z o ， _ j ”，j + 乓耳。， ( 式1 - 3 ) 晰恤工土土学霸出学位静文 通常，进入一个过程的原料已是前面过程的产品，已经伴随着生成过废料 彤。所以，在考虑一个过程的总废料生成计算时应当将这部分废料生成也考虑 进去。对进料流股，具有流量0 。流入过程单元| | 中产生。废料f 组分为浓度耳， 质量的废料，可以在方程( 1 - 3 ) 的两端各加上一项，。彤。，于是得 到最终环境影响平衡方程，如式卜4 所示。 对于一个化工过程有若干个共生产品最( 丑= 1 ，2 , - - ) 。则对整个过程定义一 个污染指数m ，来评价某一过程方案对环境的影响。 至k至l至i竺!：!：至。至1至1竺璺：竺：至k至tcd= 竺：竺：( 式。) 1 邴一( 式1 。5 ) 由此可见，根据流程模拟中物料衡算完全可以把一个流程方案的污染指数中 计算出来。 但是对于流程过程模拟的方法，考虑环境影响有三大困难 6 1 ： 缺乏一些生成毒性化学过程的知识，没有现成的预测模型i 一般过程模拟对物流的描述只限于组分，缺乏环境特征的参数； 环境要求对污染物含量都是浓度极低的痕量级，这就要求数学模型的准确 性须达到很高的水平。 1 2 3 2 基于夹点分析方法 夹点分析方法是在能源危机的背景下，由英国l i n n h o f f 教授为代表从2 0 世 纪7 0 年代末发展起来的。最初用于换热网络设计，到8 0 年代后期，其应用领域 从换热网络扩展到精馏、热泵、热机、加热炉、污水和c 0 2 等的排放上。其重 点越来越放在“目标的设定”上而不是“设计”上，因此，其名称也就从最初的 “夹点技术”变为被广泛认可的“夹点分析”了，夹点分析方法成为工艺流程设 计和模拟之上游的过程概念设计的通用方法。 夹点分析法用图示的方法进行分析，因而直观、易懂、有着非常清晰的物理 7 式 批 讥p 厶巧 弘弛 十、， 肌。 一翠 。，。 嫉 十 店 肌 彤 屯q f厶，f厶， p厶，p厶， f厶。f厶。 晰讧工土土学两士学位格文 概念，从中所得结论对过程系统的设计、改造均有着明确的指导意义，且与使用 它的工程技术人员有良好的交互作用。因此，夹点技术问世后，很快在全世界范 围内的工业界引起极大反响，得到广泛应用，并取得了极为明显的节能和经济效 益。夹点分析法也成为了全球的研究热点。到9 0 年代夹点分析的方法逐步由换 热网络推广到质量交换网络上来。 早在2 0 世纪8 0 年代末e 1 - - h a l w a g i 掣7 】就提出：本来用于降低能耗，改进 换热网络的热夹点分析技术可以移植到“质量交换网络”中来。进行节水减排的 网络分析。到9 0 年代王亚平和l 王s m i t h 发表了系统的“废水最小化”著名论文。 夹点分析的减少排废方法开始工业推广应用喁】。例如，英国的咨询公司l i n n h o f f m a r c h 声称：根据他们做过的3 0 多个水夹点项目的经验，用这种方法，对炼油 厂可以有1 0 3 0 的节水潜力，在食品工业有3 0 4 0 ，对精细化工业可 以高达6 0 【9 】。 然而，这种方法也具有其局限性：首先，换热网络只涉及能量一个变量，因 而在温度一热焓的二维图上分析很容易处理，而质量交换网络可以有多组分污染 杂质的传递，这时这种夹点就成了对不同组分有不同夹点的复杂情况；其次，在 多组分情况下，极限流也难以确定；第三，有一些单元过程在模型化时会碰到困 难，如吸收塔可以当成是以恒定的速率吸收排放出污染杂质的模块，但化学反应 器就难以用传统模型来描述。 随着研究的深入，已经考虑到各过程需要不同的最小传质驱动力的情形。采 用污液处理后再使用或再循环的手段以进一步降低鲜水量和废液排放量，也已进 入了较深的研究。但对多组分污染物的研究，可以说才刚刚起步。但目前，即使 是对两组分污染物，用比较简单的关系式关联两种污染物之间的关系，问题的处 理也是非常复杂的。 1 2 3 3 基于热力学分析的方法 基于生态炯分析的改进潜力法。这是墨西哥石油学院r i v e r o ( 1 9 9 7 ) 1 川 提出的，他在“改进潜力p o t ”的基础上结合环境生态影响做了进一步研究。 尸d r = 7 ( 1 一占) + 局叮( 式1 - 6 ) 式1 - 6 中，所为系统的炯不可逆损失：s 为系统的炯效率，即净生成煳与供 8 晰汪工土土学嘎士季隹格文 应炯的比值：点矽为向环境排放炯。由此可见，改进潜力由三个部分组成：绝对 潜力加，相对潜力脚e 及环境潜力点矽。可是舸以度量排放的热效应，也可以 度量排放的机械效应，甚至可以评估排放物的化学效应，但却无法估计对生物毒 性的作用。因此，必须引入一个反映毒性影响的污染指数- 。于是“生态拥分析” 的改进潜力凡乞就变成如式1 7 所示的形式。 峨= p o t + 奶乃( 式1 7 ) 式中，为污染物料，的总炯，乃为污染物，的污染因子。 在实际计算时，乓矽又可分为两部分：与排放物料相关的废物烟j 孵和非物质 排放炯矾。 p o t 。c = 加( 1 - s ) + 砚+ 砚( 式1 - 8 ) 于是，炯生态改进潜力的计算公式就变成式1 - 9 。 p o t * * = 脚( 1 一s ) + 现+ e e f l j ( i + 五j ) ( 式1 9 ) 这种方法要求对各种类型工厂的所有排放物料的污染因子一都做出确切定 量，而目前尚没有对一种工业提出定量结果。 环境负效应法 这是西安交通大学冯霄等提出的方法】。这个方法是期望在分析一个系统的 优劣时，同时考虑其造成的：嘲员失大小和对环境产生的负效应大小。 系统的环境负效应e n e 可用每个排废i 组分对环境的有害系数置来评估。 e n e = 4 如( 式i - l o ) 式中，如是系统排废中f 组分的物理和化学媚；而整个系统的负效应册为 系统总的焖损失z x k 与环境负效应e n e 之和。但为了估计这两种影响轻重的不 同，用q 和g 两个效应系数来给出权重。 s n e = c i e x i 。o ，+ c j e ( 式1 1 1 ) 9 晰讧工 太学_ 璜士学隹论文 s n e = c i e x l , , , , + c 2 e n e ( 式1 - 1 1 ) 当然，要真正使用这种方法必须要做大量工作确定各种化合物的口值和系统 参数c l 和g ，但是这些目前尚不具备。 1 3 化工过程综合中环境影响的评价指标体系 任何对象的评价都应该限制在一个具体的范围之内，不可能脱离一定的范围 进行。对于一个化工过程系统，首先应选定环境影响评价的对象，再进行化工过 程环境影响的评价，即确定相互比较的对象。一般地，评价指标体系包含评价目 的、评价指标和评价方法三个方面的内容。 对于一个过程系统，评价的一般步骤如下： 1 对过程进行模拟，得到物料和能量衡算结果。 2 设置各种环境影响类别的权重因子。 3 进行物流、单元或过程环境影响评价。 4 对环境影响评价结果进行分析，并提出改善方法。 综上几点，评价实施的一般程序是：首先选定一个化工流程，然后由通用流 程模拟软件( 如a s p e np l u s 、p r o i i 等) 进行物料的衡算，再利用模拟的结果和 相应化合物固有环境影响潜值( 比如全球变暖潜力、臭氧层损耗潜力等) ，求得 化合物的环境影响指数，最后计算流程的环境影响指数。典型的方法有w a r 算 法r w 缸t cr e d u c t i o n a l g o r i t h m s ) 1 2 1 、l c a 方法( l i f ec y d e a n n y n s ) 、a l e x a n d e r 开发的过程综合优化工具【1 4 1 和密歇根技术大学的e f r a t t s 等。这些方法存在一 定的缺陷。因为流程模拟软件只能够进行质能平衡计算，描述部分废弃物排放源， 而忽略了很多实际存在的污染源，比如设备逸散因子( f u g i t i v ef a c t o r 或e m i s s i o n f a c t o r ) 1 q 的考虑，公用工程用能带来的环境影响1 刀等。这就要求重新辨识过程 的污染源。再者由于化工过程处理物料的多样性，导致废弃物种类也是多样性。 其中数以万计的有毒有害化合物不可能都有权威数据在流程模拟软件数据库中 出现，这就限制了模拟软件的应用。所以需要附加一些化合物物理化学性质的估 算算法。 晰扛工 土学磺士学位静文 1 3 1 环境影响评价的目的 化工过程的环境影响评价是指对不同过程方案的环境影响进行定量的评价。 可以为过程优化中过程方案的环境影响提供定量化的依据，是选择环境友好的过 程方案的基础。环境影响评价所需的数据来自于过程方案计算所得的质量和能量 平衡，经过过程数据分析，从中选出与环境影响相关的数据，用于环境影响潜值的 计算；而过程方案的选择由过程的环境数据确定。整个过程如图1 2 所示。 图1 - 2过程环境目标分析流程图 1 3 2 环境影响评价指标 过程综合需要进行大量的替代方案筛选和评价，替代方案的环境影响评价可 看作一个两级多目标决策任务。在流程级别上要开发，选择合适的筛选指数；在 化学物种层次上要开发选择合适的环境性能指标。 环境影响的指标具有相当多的自由度。由于考虑角度和范围不同，目前常见 的指标方案有四大类。 第一类是基于过程废弃物生成量和排放量的指标“8 删，是最直观的指标。当 过程排放单一或化学物种类别很少的废弃物时，这类方法对废弃物最小方案的选 择有一定的作用。然而过程产生的排放物往往是很复杂的，加上目前的过程设计 中环境目标的考虑一般是针对过程对环境影响最小化，使该类方法的使用受到很 大限制。 第二类是基于热力学分析的指标 2 0 l ，是最近提出的指标。华南理工大学杨少 华博士提出考虑环境影响的三环节：i 腔济模型。以废物娴为环境污染的量度，结 合环境经济目标，对过程系统环境性能优化进行了探讨。r i v e r o 1 0 提出的熘生态 分析法用煳生态改进潜力( e x e r g o e c o l o g i ci m p r o v e m e n tp o t e n t i a l ) 来评价过程的 总体性能。在焖分析中，堋损失和媚效率分别是过程系统性能的定量和定性指标， 所恤工土太孽硬士蠢t 静文 将两者结合起来就可以得到过程改进潜力。华北电力大学王家璇在美国麻省理工 学院的t f i b u s 提出的热经济学的基础上，设立了“考虑生态平衡的热经济研究”， 试图将生态系统和生态平衡与热经济学联系起来。c a l i f o r m i a 大学的绿色设计和 制造协会( c g d m ) c o n n e l l y 博士等人也进行着类似的研究，他们从工业生态学 的角度做了大量的工作。然而由于煳分析中废弃物焖基准化和计价、环境问题和 炯概念的关联的问题，使得研究受到很大限制，还处在理论研究阶段。 第三类是基于生态毒理学和生态危险度评估的指标脚2 7 】，是目前研究较多的 指标。该类指标以过程生成和排放的废弃物对生态和人体健康的( 潜在) 影响最 小为目标。如d a v i s 化学品毒性评价概念、生态因子( e e o - f a c t o r9 5 e c o - f a c t o r9 9 ) 和国际环境毒理与化学学会( s e t a c ) 方案口8 】等。由于环境化学、环境毒理学 以及相关学科的飞速发展，环境危害确定方法的种类和数量以惊人的速度增加， 而真正用于生态受体的危害评价才刚起步，没有规范化，难以完整全面的描述环 境影响特征。所以在指标选取上增加了不确定性，有待于在评价方法模型上进行 弥补。 第四类是基于全球或区域的环境效应的指标p 1 ，是复杂的一类。因为考察的 尺度过大，增加了评价的复杂性。只有环境建模技术和表征自然及受影响环境的 水平有所提高，该类指标才有望得到有效的应用。文献中也有类似的报道，数据 库资料有限以及适用性不一，使应用受到很大的局限性。 目前还有一类评价方法是基于可持续发展的指标。澳大利亚的k r o t s c h e c k 等人用可持续过程指数( s p i ) 来衡量一个过程对生态圈产生的潜在影响”。s p i 的基本单位是面积数。总面积指过程与环境进行物质和能量交换的任何行为所需 要的面积，它包含原料加工用面积、功能面积、过程设备安装、产品仓库和其他 废弃物接纳场所面积等。所需的面积越小，说明过程对环境的影响越小。 化工优化评价中应根据生产过程产生废物的特点，选择合理的评价方法。下 面介绍几种过程筛选用的评价指标。 ( 1 ) 指数评价法( 评价因子法) 指数评价法是借鉴环境质量指数评价法而提出的一种评价方法，主要包括单 因子和多因子指数。其计算式列于表卜1 【3 。 式中，t 是第i 种废物的环境影响指数，c ：是第_ ，种废物的排放浓度，墨是 黹仁工鼻土学硕士学位论文 因子和多因子指数。其计算式列于表卜1 t 3 1 1 。 式中，是第f 种废物的环境影响指数，e 是第门呻废物的排放浓度，s 是 第i 种废物的排放标准，拧是参与计算的废物种类，m a x , 与a v e , 分别是单因子 指数中最大值和平均值，彬是归一化的第f 种废物环境影响权熏系数。从表卜1 可知，多因子指数是建立在单因子指数的基础上的，均值型多因子指数的出发点 是各种