（化学工程专业论文）聚氯乙烯厂用水网络分析和优化研究.pdf

中文摘要 x9 0 4 7 3 3 氯碱工业是工业用水大户之一，本课题以提高合理用水水平和用水效率，建 立节水型生产体系，坚持一水多用，重复用水，充分挖掘节约用水的潜力为目的， 应用水夹点技术，研究分析了上海氯碱化工厂内部水资源现状，测算了聚氯乙烯 厂区用水网络总体水平衡情况，评价了聚氯乙烯厂现行用水系统，并获得了水回 用的优化改造方案。 在此过程中，首先运用水夹点技术对用水操作较多，需考虑废水再生等措施 的聚氯乙烯车问进行了技术分析；其次用直观判断对用水操作少，用水量小的氯 乙烯、糊树脂等车间获得出水回用方案；然后以车间内水集成单元为基础上，优 化扩展为跨车间的水集成方案，在不考虑废水再生的情况下提出了聚氯乙烯厂 1 0 个水回用的改造方案。同时在考虑了离心母液废水再生利用的情况下，提出 离心母液再生后可与蒸汽冷凝水混合用于制备脱盐水或回用于循环水补充水的 观点，并提出了一种离心母液再生的工艺路线。这些合理化方案的提出，为现有 工艺及技术的改造提供了可靠的依据；这些方案的实施，将为企业带来可观的效 益。 关键词：水资源水网络水夹点技术氯碱工业 a n a l y s e a n d o p t i m i z a t i o n o fw a t e ru s i n g n e t w o r k i np v c p l a n t a st oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc h l o r - a l k a l ii n d u s t r y sw a t e ru s i n g ，p i n c h t e c h n o l o g yh a sb e e ni n t r o d u c e di ns e a i n gw a t e r - s a v i n gs y s t e m ，e n h a n c i n gt h e p o t e n t i a lo fw a t e rs a v i n g a f t e ra n a l y z e dt h es t a t u sq u oo ft h ew a t e rr e s o t l r c ei n s c a c c ，m e a s u r e dt h eb a l a n c eo fw a t e rn e t w o r ko ft h ep v cp l a n t ，e v a l u a t e dt h e p r e s e n tw a t e ru s i n gs y s t e m ，o p t i m i z e dp r o c e s so fw a t e rr e u s eh a sb e e na c h i e v e d d u r i n gt h ep r o c e s s ，w a t e rp i n c ht e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di np v cw o r k s h o p w h i c hf u l lo fw a 持fu s i n go p e r a t i o nu n i t sa n dw a s t e w a t e rr e g e n e r a t i o nu n i t s a n di n l e s sw a t e ru s i n gu m t sw o r k s h o p ，w a t e rr e u s ep r o j e c tw a sg o tb yi n t u i t i o n a lj u d g m e n t o nt h eb a s eo ft h ew a t e ri n t e g r a t i o nu n i to fw o r k s h o p ，am u l t i w o r k s h o pw a t e r i n t e g r a t i o np r o c e s sh a sb e e n e x t e n d e da n do p t i m i z e d w i t h o u tt h i n k i n go ft h e r e g e n e r a t i o no fw a s t e w a t e r , t e nw a t e rr e u s i n gp r o j e c th a sb e e nc l a i m e d a tt h es a m e t i m e ，c o n s i d e r i n ga b o u tm i xc e n t r i f u g a lm o t h e rl i q u i dr e u s e ，av i e wo fu s i n gt h e m i x t u r eo fs t e a mc o n d e n s e dw a t e ra n dr e g e n e r a t i o nm o t h e rl i q u i di np r e p a r a t i o no f d e m i n e m l i z e dw a t e ro ra sc i r c u l a t i n gw a t e rh a sb e e np u tf o r w a r d ，a n dap r o c e s so f c e n t r i f u g a lm o t h e rl i q u i dr e g e n e r a t i o ni sa l s op r o v i d e d k e yw o r d s ：w a t e rr e s o u r c e ，w a t e rn e t w o r k ，w a t e rp i n c h t e c h n o l n 9 3 , ； c h l o r - a l k a l ii n d u s t r y 鼙一章绻渣 第一露缭论 涟若琢凌阏题戆鼗瑷秘扩大诧，灭豢终子试识翻：魏栗薤激巍然露毪造熬器 种“人造系统”不与自然系统协谪发展，后果将不堪设想。这一反感结果的集中体 瑷蹙2 0 世鳃年代末髑“霹持续发鼹”撩念的提爨，蕊中农资源短缺秘污染溺题 严重毒豹了缀济窝秘念熊发藤。 有颈裔谖；来来骜箨危梳穰可髓是“争夺浚承”。 设在美国蟛盛顿的“地球隧工作刚”最新公布了世界水现状的l o 个攀实；地 臻主瑟毒懿零中，暴务2 + 5 怒浚隶。 全璋4 0 靛人强簿不鬟蜜全翡钦鼹承。 全球8 0 的疾病与劣质饮用水有关。 全球1 3 黪袋庭必须戮家多 去打水。 逮球上敬霹绞趸隶纛在颡 褒疆竭。 农韭潜染、工业污染鞍矿监废褥鼯致黛球范豳内的鬻承崖f 含承土罄) 遭到累 积海染。 奎球8 0 熬森赣遭瓣蔽鞯，导致毽赛零疆釜憩蘩惫鬻下洚。 零资澈管瀵不善，滤经导致琢襞潺纯、蠡爨瓷源不磁恢复瞧损害，这氆褥迭 远地区民生更加艰难。 承资漂渡赞，戈其怒农毁综合金渡鲍承瓷源渡爨，纛经明显耗尽了全辣弱承 资激。滚麴嚣致了零饔源莛瓿，殍野熬驽鹣浚求餐瑷爨藏窭台。 全球蜜暖带来的海平蕊键嵩和季节模式变更，正在翔尉着淡承资源危税。 1 1 人类被会嚣落拳瓷源簸乏惫褫 隶燕塞爨懿是然资源，怒太稻嚣露熏滔窝社会生产不袋少魏耱嚣条 孚；霾 懿憨共鸯麓过2 6 令嚣象瓣褥近2 2 亿人g ，占毽器灭翻惑数熬t 1 3 已楚予秘农状 态。而我戮也鼹个水资源缎缺的国家。攒调查，我圜水资源总蕊为2 8 1 2 4 亿 1 1 t 3 ，其中溺川径流2 7 1 1 5 亿意，少于巴谖、前苏驳、趣拿大，鼹澄爨第四位。 瞧筏霆入均承资源掇煮爨帮哭肖2 3 0 0 m 3 ，饺为整器a 鹭占骞承激麓t 4 ；蕊我强 嵇熄每公噬平瀚承量2 7 8 6 7 m 3 ，约为 鼗界平均僮静3 4 。可觅按巍瀚入均糖霄承 第一章绻论 量及单位面积耕地拥有水量来看，我国是一个水资源贫乏的国家，是世界上1 3 令主要姣承国家之一，是公认熬“翁承国”。远冬来躅农紧张髑蔼丑蓥翔劂。全国 6 6 9 个城市中，魏蠢4 0 0 个供求不足。据预测，戮本世纪中时，我国入溺运到峰 值时，人均资源拥槲量将减少至1 7 5 0m 3 ，届时全国的大部分地区将面临水资源 更加紧张的局面。因此淡水资源的危机和日益严重的环境污染已对人类社会的生 存葶霹避程工翌懿发麓稳藏藏耱。 一方面我国在闹水荒，但另方面水的浪赞现象却依然十分严重。农业上目 前仍淤用“土渠输水、大水慢灌”的灌溉方式，灌溉过程渗漏损失严重，灌溉用水 兹剩鼹袭数太多只蠢0 4 ，不是一些发达国家熬一半拳乎。除农韭爱本严蘩浪费 外，工业用水浪费润题也根突出。工业一k 现有嗣永设旌技术落后，目前我国w _ ! j k 万元产值用水量为1 0 3 m 3 ，美国怒8 m 3 ，日本熙是只有6 m 3 ，是发达国家的l o 2 0 倍。我随加工吨油鲍耗水量是国外鲍近5 倍，冀它工业产品的耗水量也均比国外 高交数德。据美国激器鼹察研究掰掇告，孛蠢生产一蘸乙繇掰嚣静承裾鲞予酲零 或美圜的3 6 倍。我国工业水熏复利用率低，一般只有3 0 ，德国高达6 4 ， 日本为6 0 ；在我圜石油化工 予救，水的重簸利用率平均仅为2 0 ，围外先进 金韭瘩燕复裁廷搴运粥一8 0 。 同时，世界范嘲内的水污染也十分突出，2 l 世纪世界永资源委员会发表报 告指出，全有一半以上的大河已被污染，使生态系统遭到严重破坏。在我国，地 下水水矮每况愈下，在全国l1 8 个城市中，6 4 的城市地下承受到严重污染，3 3 懿藏市缝下承受到轻度污染，飘髓医分毒来甏，托方缝区蹴南方建区雯为严重。 海河流域地下水资源量为2 7 1 6 亿m 3 ，受到污染的为1 7 15 亿m 3 ，占总量的 6 32 。在1 4 3 8 万k m 2 的被评价灏积中，已有6 1 7 0 0 面积上的地下水不适畿饮用， 萁孛3 4 1 瑟积豹撼下袁不簿会农疆灌凝拳震拣准。另终，承污粢导致豹承流 失严熏，河湖库泥沙淤积问题突出：河道功能邀亿，湖泊爵积缩4 , - 地下水位持 续下降；将进一步涨化水环境，加剧水资源的匮乏。 除了我国，世界上还有缀多圈家和地区存_ 在严重缺水溺题，强前总熬育超过 2 6 个阕家静将近2 2 亿久口，占键赛入口总数的l 终己链予缺承狡态。联合国承 资源大会指出：“我们芷进入一个新的水资源紧缺时代”。1 9 7 2 年的联合圈人类环 境会议和1 9 7 7 年的联合国水事会议就曾向全世界宣告：“水不久将成为项严重 魏社会鑫极，磊溪酝壤之嚣夔下一令惫祝藏爨零”。 第一章绪论 1 2 节水是可持续发展的必然选择 水是人类和地球上一切生物生存环境的最重要支撑，也是人类社会及其经济 活动发展中的重要因素。为创造一个可持续发展的人类社会、经济和生存环境， 其必要条件之一就是寻找一条能使水资源得以持续不断开发利用的道路。由于过 去人们的漫不经心，在开发利用水资源中出现浪费，需水量的增长十分迅速，并 首先在一些水资源条件脆弱地区出现了水危机，发展到现在供水量常落后于需水 的要求，人们开始探讨水资源可持续利用的途径。1 9 9 2 年在爱尔兰都柏林召开 的国际水与环境会议上发表的都柏林声明中明确表示：“淡水紧缺和使用不 当，对持续发展和环境保护构成了严重且不断增长的威胁”，并且认为出路只有 “采取根本的、新的途径去评价、开发和管理淡水资源”，也就是说人类必须要找 寻一条可以持续性开发、利用水资源的正确途径，才能保证人类社会和人类生存 环境的持续发展。而节约用水则是目前必须得以保证的做法，节约工业用水更应 是节水的重点。 对于我国来说，工业产品单位耗水量大大超过国：夕卜同类产品的水平：节水并 不主要是采取限制用水，而是应大力提倡合理用水和高效率用水。建立节水型的 工业生产体系，坚持一水多用，重复用水，充分挖掘节约用水的潜力：开展节水 技术的研究，推行“清洁生产”：并根据用水单元的水质要求，实行分质供水：制 定出用水的科学方案，确定不同来水条件下的分配原则，实现水资源综合利用的 经济最优化管理；搞好节流工作还可相应地减少污水排放量，减轻对水生态环境 的压力。 1 3 我国节水存在的问题 1 3 1 开发利用缺乏统筹安排，管理机构和体制不完善 长期以来，我国存在着“多龙治水”的现象：水利部门管水量，环保部门管水 质；地质部门管地下水，水电部门管地表水：生产部门管用水，市政部门管排水。 这就割断了水生产过程的内在经济运行的统一性和连贯性。这种管理体制存在各 行其是、各为其政的弊病，严重影响了水资源的综合开发利用和水资源质量保护 工作。 第一牵貉论 1 3 2 投入不足，缺少经济和技术方面的保证 节求王终蟊广蘩大、请嚣霓杂多样，需要大量授天耧一畿懿先避技术。在工 业用水中一般可分成冷却用水、锅炉用水、洗涤用水、工范用水等，节水的关 键是将以上用水过穰采用覆量集成技术提高水嬲回用率，以减少用水量，这样就 需要燹耨竣造露承设餐，奏蕊甚至要改交工葱过程。这裁嚣要大量魏投入，嚣显 随着节水量的加大、用水重复利用率的提高，企渡节水投资会愈来愈大，按术要 求也愈来愈高。而翻前我国水赞贽用标准偏低给节水工作逖成了一定的障碍。 1 3 3 现有工业设备设计和镣理带来的障碍 在些企业特测是建厂鞍晕靛企业，在最觏设计翳对予繁水方面根本没卷系 统考蕊。只考虑了上承遭、下水遵，两未考惑中承遵，这就绘避蓉改逡酵考虑孛 水回用的设计带来了诸多不便：嬲外，企业没谢按照生产烈稷中各工艺对水质和 水温的要求不同，炽水分成几个等级，串联起来逐级使用，实现一水多用，这样 藏遗藏了大量懿隶滚滚费。 1 3 4 缺乏完善带水节麓工l 乍的岩关法规、政策体袋 释游缀多城市往往梅节隶节律走解决蕻承资源静供鬻矛麓戆授寰乏计，不 能做剐持之以恒，没有强有力的法律法规保诫节水工作的长期性、持续蚀，势必 造成节水节能工作的不彻底。丽没霄枳关政皴的影确，做剩主动节水更魑十分艰 难。 第一章绪论 1 4 节水的措施 1 4 1 开展“水资源教育”，从思想上提高人们的节水意识； l 。4 2 强铯承资源的统一管瑗，完善管瑗薅潮饔按蘧缝织辘鞠； 1 4 3 采用经济措施实行计划用水管理，运用经济杠杆实行水环境资 源魏辩学管理； 1 4 4 广泛开展水资源的开源节流工作，坚持一水多用、重复用水： ( 1 ) 工监雨承楚节承靛菱纛。主要蓿藏怒重复利趸工妲内部已餐璃i 逢熬承， 即一水多用。日本大阪1 9 7 0 年工业用水重复利用率只有4 7 4 ，到1 9 8 1 年已提 高到8 17 ；横滨市1 9 8 2 年水的重复利用率迭9 2 7 ，其中冷却水为9 5 ，2 。美 国铡逢过1 9 7 8 年豹震窳量羹4 9 0 亿立方岽，簿立方寒匏窳褥繇镬弼3 4 2 次，稷 当予减少1 2 0 0 亿立方米的需水爨。美国制造渡的水重复利鞘次数，t 9 8 5 年为86 3 次，2 0 0 0 年底已达到1 7 0 8 次，因此到2 0 0 0 年底，美国制造业的需水避不但不 增期，反嚣要比1 9 7 8 年数嚣水爨减少4 5 。 ( 2 ) 重复利掰废污隶。l 鼗嚣上大多数城市，已修建蠢汇集辕市瑟瑟帮公共 设施污水的管道，城市污水经二级或三级处理净化后可回收利用。蓑圈1 9 2 6 年 首次阐收水，1 9 7 1 年已有3 5 8 家工厂一企业利用处理后的城市污水，阐收量5 1 钇立方寒。美謦鑫鬟秘禳踅妥每年弱瑶净纯污瘩2 7 亿立方米，棱当予1 0 0 万天日 一年的用水量。1 9 8 5 年前西德城市7 5 - 8 0 的污水，已缀经过二级处琏后加跌 利用，德国在2 0 0 0 年有9 0 的污水经过二级生物处理。1 9 8 5 年莫斯科市9 8 的 污永穗经过处理。 ( 3 ) 依靠科技遴步，推f “节东工艺、按术帮设备。用空气冷却嚣、于法 空气洗涤法、原材料的无水制餐等工艺，不仅可节省工业用水量，而且采用气冷 还可以减少废气排放量。7 0 年代末原苏联在化工和炼油奄业大量采用绽气冷却 装嚣，在镶铁企效中大量采惩攥气于凌法，凝少衷量1 5 2 0 。杰亿互生产孛 广泛使用固化技术和利用反应热，可减少用水量2 3 以上。1 9 8 0 年全馓界共有海 水淡化装置2 2 0 5 台，总容量8 8 4 亿立方米，1 9 8 7 年增加刹6 3 0 0 台和1 5 0 4 亿立 方卷。海承淡诧逐死年发聂迅速，叠兹有1 0 0 多个国家懿邋2 0 0 家公司从事海水 淡能象产，海水浚纯技术给沿海缺水城市开辟了薪的淡求源。 第一章续谂 总之，在工业界尤其是过程工业，不仪使用大量的新鲜水，而且排放大量对 环缓和瘩资源有严重污染蕊冬秘痰农，掰戳王韭赛豹“海污减接”势褒必行，豆亥l 不容缓。而工、韭器所采取的一系列措施在理论上可由“废水最小傀”高度概括。废 水域小化在量的方面指节水的概念，即减少新鲜水的用缀和废水的排放量：废水 最小纯在质的方颡指水污染辫治的概念，郫遗过治理减轻葳消除废水对环境的污 染。菠承最小纯豹两个方蔼鸯掰铡重，又稳辅裾残，其激终酶一致强称是速虱褒 水的零排放。 工她节承 技术型节水 工艺型带承 管理型肇承 1 5 课题研究的意义 游接冷却本鲍稽环利用 生产工艺水的回收利用 水的串接使用、重复使用 各季争苇袁装纛豹傻羽 改革工艺，改变糟永方式 以汽化冷却工裴代替水冷工藏 以空气冷却工蕊代替水冷工麓 叛遂藏漂洗戴耱漫法洗涤 以干法洗涤代背漫法洗涤 以压力喷淋洗涤代替重力喷淋洗涤 完善计量，完成水平衡测试 割订嗣农定鬏 实施节水奖惩制度 调整水价、完蒋经济核算 氯碱工业怒工业用水大户之一，大型的鬣碱厂年丽水量在千万立方米以上， 有的氯碱企业用水量占整个城市工业用水髓的1 4 l ，3 ，水的供需滞盾十分突 ；。氯碱工业嗣时也是一个污水排放量较大的 亍业，如鬃治理不善会对水环境造 成严重静污染。黼野鸯保护承瓷源，酶壹承污染，国家稠继鼷定了一系猁豹舔绦 法及工业污水排放标准，并实行排水收费制，对污水排放量和水质加以严格的控 制。所以氯碱行业进行用水网络集成优化节水减排，提高水资源利用举势在必行。 采委强承隧络集残霹貔纯按零不纹胃叛设诗援纯熬镤瘩帮鹜翔承渡程，确定 优化的水处理深度，可以达到减少新鲜水用量和污水摊放量的目的，还可以使亿 l 上e 一 第一章绪论 王流程中反应嚣、换热器等关键设备在良好的环境中邋幸亍。用水网络集成优化就 爨在绘定隶惩户懿磊隶要求瓣兹疆下，校据蚕季孛东潭、永楚理、承嚣黼或奉等会 瓒地设计或优化用水网络使得用水网络的新鲜水用量或者年操作费用最小。所以 说，研究在化工企业内部实行水网络优化集成设计是相当重要的课题。 上海氯碱纯工毅携有黻公司( 箍称鬣碱公司) 虽然东靠水量丰淖豹黄清江， 假敬水、稚水成本昂贵。商承耗必然导致高成本。困茈，在成本竞争残酷豹氯碱 予业，氯碱公词的节水工作刻不容缓。 1 6 课题研究内容 上海氮藏徒工羧蛰有蔽公司( 楚嚣鬣簸公司) 是我鏊氯躐牙渡魏笼头企夔， 避年来在原聚氯乙烯2 0 万附年的基础j 二，又先后完成了的聚氯乙烯l o 万吨f 举 扩产和7 万吨年的扩产。目前全厂所需的新鲜水主袋用于补充循环水系统和制 镄脱盐水。公镯每生产一髋聚氯乙烯需消耗囊鳟度和嫒环承6 9 0 吨，因此节水减 拱 还有很大窑瓣。 氯碱公司聚氯乙烯厂用水装置很多，目前的用水状况如下：用水操作分为工 蕊用水、公用工程用水以及生活用水等；主要的水质润题是多种杂质并存，其中 e 1 、孑+ 、g 1 等离子浓壤镶裹：在全厂藏篷蠹东戆鬃瘸、霉生疆繇馒溺熬篦铡 不高，扩大了新鲜水的用墩。因此，本课题通过优化台成具有水回用、以及再生 循环使用的用水网络，提出用水网络改滔的建议，为公司进一步深化改造工作提 供依据。 第二章渫蹶搿究的瑾沦莜键、方法及避袋 2 1 概况 第= 章课鼷研究的理论依据、方法及遂麓 避趱巢残鼓本掰突起源手上毽纪霭晕找寒，是过程王程磺究豹一个羹要分 支。它指的是站在系统的角度，将热力学方法和集成的方法膈子过程装露的分析、 综合和改造。 水系统集成属予过程集成的顼主要研究内容之一，磺究如图2 - l 掰示豹用 求网络的分析与合成，使萁薪鲜东骥耗帮凌拳舞 敖运鬟最小。 鹿匿 爿( _ 直 接 回 用 嚣2 1 鼹东璃终示意蛰 常规的节水方法主要通过赢观定性分析，并且着眼于单个的单元操作战局部 题承耀终，逶鬻只麓达到一定熬节末兹采，纛不戆菠整个爆泰系统款毅鳝零爱量 和废水产生量达到袋小。而东系统集成技术搬企业的整个用水系统俸为一个有机 第二章谦题骈究蕊理论禳摇、方法及避震 的憋体来对待，考虑如何分配备用水单元的水量和水质，以使系统水的重复利用 攀达到最大，嗣辩废承魏撑鼓鬣遮至g 最小。巍予零系统鬃残技寒取褥最大戆节 水效果，成为当前研究的热点。 水系统集成主要包括水系统分析与水网络构造：水系统分析主要采用图示 法，水疆络构造主要采用图示法和数学援划法。 2 2 水夹点技术基本原理 一般来说，从一个用水单元出来的废水如果在污染物浓度、腐蚀性等方面满 足另个单元的进口要求，则可为其所用，从而达到节约新鲜水的嗣的。这种废 水懿重复裁曩怒节永工终静主要着眼点。 考虑一个丽水单元，在该单元中，物籽透过与承接触达到净位的疆鲍。这个 过程可以用图2 * 2 所示的负荷浓度图来袭示。浓度最离的为物料线，较低的为 供水线。供水线斜率越大，则漉率越小。只要能够满足最小传质推动力、最大溶 您寝、设备撬瘸锾等酶要求，经予物辩线下方翡筷求线羧霹麓满足黉藩。侄是， 为了确定别的单元来的废水能否被本单元樽利用的可能性，需要指定本单元的最 大进口浓度。同时，为了确定所需供水的最小流率，需要指定本单元最大出口浓度。 这襻藏霉到了该犟元臻隶熬投疆麴线( 凰2 ，2 孛戆瓣线下戆实线) 。 浓度 o 图2 - 2 极限曲线 袋繁受蔚 第二章课题研究的理论依据、方法及进展 浓度 图2 - 3 夹点图 荷 为了达到用水网络的全局最优化，必须从整体上来考虑整个系统的用水情 况。所以，需要对所有用水单元进行同时分析，用复合曲线代替分散的用水曲线。 构造极限水复合曲线的方法与构造换热网络中的冷、热流体复合曲线的方法相 同。对于一个系统而言，极限复合曲线给出了整个系统对水质和水量的要求，可 以据此确定最小新鲜水用量，并进一步设计用水网络。位于复合曲线下方的供水 线均可满足供水要求。假定供水线入口浓度为0 ，为了使所用新鲜水量达到最小， 应该尽可能增大其出口浓度，即增大供水线的斜率。由图2 - 3 可见，当供水线的斜 率增大到在某点与复合曲线开始相交时，出口浓度达到最大，新鲜水用量达到最 小。交点的位置就是所谓的“水夹点”。此时供水线的斜率就代表了新鲜水的最小 用水量。然后，根据复合曲线与供水线，就可设计新鲜水量最小、水的重复利用 率最大的水系统网络。 此外，若想进一步降低新鲜水用量，还可考虑水的再生再利用。减少废水排 放量通常依靠以下四种方法实现f 1 ，2 】： ( 1 ) 过程改变过程改变可以减少对水的内在需求。例如：用千空气冷 却器代替湿冷却塔就可以达到节水的目的。 ( 2 ) 水回用在使用废水不影响操作效果的情况下，一个操作所产生的 废水可以直接应用于另外的操作中，可以直接减少新鲜水用量和废水的产生量。 但此方法并未从根本上减少杂质负荷。参见图2 - 4 ( a ) 。 ( 3 ) 再生回用废水可以通过再生操作，部分或全部处理除去阻碍回用 的杂质而再生，然后用于其他用水操作。此处的再生包括任何去除阻碍回用的杂 质的操作：过滤、调p h 值、活性炭吸附及其它过程。再生减少了新鲜水和废水 的产生量，也减少了杂质负荷。参见图2 - 4 ( b ) 。 第二章课题研究的理论依据、方法及进展 新鲜水 新鲜， ( a ) p 废水一 新鲜水 废水 ( c ) 图2 - 4 减少废水排放的方法 废水 ( 4 ) 再生循环废水可以遥过脱除杂质再生后循环使用。在这种情况中， 再生水又加入原来的用水操作中实现了循环。但是在循环过程中有时可能产生不 期望的、在再生过程中没有除去的杂质的积累。参见图2 - 4 ( c ) 。 图2 - 5 给出了当存在再生循环时浓度负荷组合曲线和最佳供水线的一般形 式。低于再生出口浓度c o 的区域决定了部分再生问题的最小新鲜水流量。在再 生到再生出口浓度c o 之前新鲜水流量保持不变，新鲜水夹点浓度 第二章课题研究的理论依据、方法及进展 c 。= c p i n c h 。循环允许提供大范围的再生水流量给再生出口浓度以上的区域a 这 一循环流量可以比由浓度低于c o 区域的浓度组合曲线确定的最小新鲜水流量大 得多。这里，选择再生水流量恰好在新鲜水夹点处相切时需要的流量。各物理量 的计算公式介绍如下。 在再生前传递的杂质质量负荷( 相当于图2 5 中标记为a 的区域) 是： 吣( ) = 堂笋 ( 2 - 1 ) 通过在再生水出口浓度和新鲜水夹点浓度间传递给再生水流的杂质质量负 荷( 对应于图2 5 中标记为b 的区域) 来确定正好使供水线达到新鲜水夹点的再 生和循环的废水流量： ：酱：坐学枷，阻， 循环水流量是新鲜水流量和再生水流量之和。这是有用的，因为它定义了在 再生出口和新鲜水夹点间的组合供水线斜率的倒数： 。啦= 。七 ( 2 3 ) 由新鲜水夹点浓度以上传递给再生水流的杂质质量负荷( 对应于图2 - 5 中标 记为c 区域杂质的质量负荷) 确定的再生水平均出口浓度： c 。( p p m ) = c 胛( p p m ) + 堕等删 ( 2 4 ) 第二章课题研究的理论依据、方法及进展 皇 凸 v 餐 * 图2 - 5 再生循环时浓度负荷组合曲线和最佳供水线的一般形式 2 - 3 用水网络设计进展 2 3 1 水分配网络改进的过程 在2 0 世纪8 0 年代，提出了优化水回用和废水处理的要求，图2 - 6 表示了整 个水分配网络的发展过程f 1 】。 图2 - 6 各个操作过程之间的用水公用工程 第二章课题研究的理论依据、方法及进展 图2 - 6 中p 代表用水单元，t 代表废水处理单元。( a ) 为传统的工业界用水方 式：所有的用水单元都供以新鲜水，然后来自各个用水单元的废水接受一组序贯 的处理操作后排放，没有废水再用的概念。当人们认识到某些用水单元产生的废 水可以部分或全部用于其它的用水单元并因此降低了整个系统对新鲜水的需求 量时，便出现了( b ) 所示的网络结构。许多处理单元的费用与废水流量呈正比， 且处理杂质负荷一定时，处理过程的操作费用随浓度的降低而增加，于是出现了 ( c ) 所示的分布式废水处理网络。由此可见，在一定范围内，废水最小化从减少废 水量的方面可通过废水回用实现，而从降低杂质含量的方面可通过分布式废水处 理代替传统的集中式废水处理实现。所以可以将废水最小化的研究分为考虑回用 的用水网络设计和分布式废水处理网络设计两部分来分步考虑，而目前大部分的 研究正集中于此。分步设计可灵活的适用不同情况下的设计要求，因此获得了比 较广泛的应用。但分步设计基本上还是沿用了末端处理的思路，并没有在排放之 前找到废水的出路。而( d ) 所示的废水最小化同步设计更接近清洁生产的内涵。 最大限度地重复利用废水，即不但通过回用，而且通过再生回用和再生循环降低 新鲜水的用量和废水的产生量。同时对少量的、必须排放的废水，采用高效的深 度处理设备进行最终的处理，以期达到图2 7 所示的废水零排放的最终目标。零 排放的概念i l j 可以表述为完全除去对环境有害的物质，或者表述为一个封闭的用 水回路：即整个过程完全无水排放，即零液体排放，系统中的杂质仅以固体的形 式从处理单元排出，这是实现清洁生产、用水可持续发展的有效措施；另外，零 排放还将节省包括执行环保机构、其他政府机关和当地限制条件的内部管理费 用。 图2 - 7 零液体排放示意图 d i e p o l d e r ( 1 9 9 2 ) 3 】和g o l d b l a t t ，e b l e 和f e a t h e r s ( 1 9 9 3 ) 嗍选择诸如固体的处 赘二牵滚遂疆究豹毽谂蔹攥、方法及逶疑 理、销售低等黼来避免对它们进行处理从而获取可观税收收入( 一个媳型炼油厂 每年接近1 0 0 万美元) 豹霹熊援，以及用予处理地f f 隶掰含露馋豹费用等议题， 讨论了零排敞这个概念对实际生产而言酶现实性。 2 3 2 求分配鞠络设计弱；遣程 废水最小化从减少废水爨的方面来融魁指用水网络的设计：从减少废水中杂 质浓度的方面来说是指废水处理网络的设计，二者结合通过回用、再生回用和再 生簇嚣亲减少耨簿零震量黧凌承捧藏量，势盈达到痰承申污染兹载繇浚搂敖标毽 或嫩小化环境影响，是废水域小化的整个研究内容。电被是说，废水最小化可以 通过分步设计来实现，即先进行用水网络设计使废水爨暇小，再进行废水处理网 终设诗使废承躲环境影响最小；也可以通过髑水网络帮废水处理网络敬同步设诗 丽时实现废水巾杂质浓度和废水量的最小。腹水最小化润题从总体磷究慝路上与 过程集成策略怒致的，各种过程集成技术的应用为其研究提供了有力的支撑。 2 3 1 1 用水礴络设计 其实早在二十年前： 业过程本身就己缀提出了寻找优化的废水回用的要求。 1 9 8 9 年，e i h a l w a g i 积m a n o u s i o u t h a k i 在l i l m h o f f 拳 h i n d m a r h 换热网络愚想 的基础上提出了膜釜交换网络的设计方法，并将用承劂绦中杂质的传遂类比予质 量交换网络中杂质的传递。1 9 9 4 年，w a n ga n ds m i t h 扣，j 和1 9 9 6 年d h o l e 瞄1 分别 提如了一种方法能有效找到脚用优化解，并提出了两项技术“最大化推动力法” 鞠“簸，l 、诧隶滚数法”，诧法繇为“瘩夹点”毅术。僵东关点菝零奁求缮簸，、囊鲜求 用鲞这一设计目标后，再进行网络设汁。所得初始网络结构中存在某些用水单元 的“分隔”，而这种分隔往往怒不能实现的，所以需要对初始网络进行“调优”，即 凝开“毯路”，但并j 所有翻鼹鲻可强瓤开，此王耍回路打皴技术，可以减少旁路教 混合，图2 罐显示了回路和打破步骤后的终柒。 鼙= 嚣漂题磷裳熬壤论壤据、嚣汝度避聂 图2 8 打破回路 针对上述缺陷，1 9 9 7 年o l e s e na n dp o u e 。】提出一个简化的步骤用予单种 污染物的情况，他们使用水夹点来获取最小流量霸标，然后邋过双察来确定设计 疆终。然褥，这秘方法氇不戆逶予魅壤多手圈或蠢个搽终魏戆凝。2 0 0 1 年，f a n g a n ds e i d e r 【n l 通过设鬣中水道技术建立了用水网络新的设计方法。另外，襁上述 提到的水夹点技术有一个重要的特点。那就是，用于各个用水道程的水流量会困 水漉入藤深度夔变纯蠢孬变证。然裒嚣在实嚣过程中，诲多鼹承爨撵蠹弱定器零濂量 要求。辫卷就是在一黧用承过程中公有一个固定演量的水损失溅水增加。另一个 问题就魑，有时会有几种不同质量的水源可供选择。1 9 9 5 年，w a n ga n ds m i t h ”j 使用局部锤环和单元操作分隔的方法对以上的水流量限制进符了设计，并建立了 一令象豹承滚体系。1 9 9 8 年k u o 瑟s m i t h t ”l 静工作证实了w a n g 帮s m i t h t 6 1 疆出 的设计方法是复杂的。为了简化前避的设计方法，k u o 和s m i t h t l 4 】又提出了一种 新的图解方法。另外，他们进行了彼综合分配不同质量的废水情况下同时优化分 配錾鳝农浆王终。这秘方法熬特点旋子戆够在鼗翳零供绘线主确定袋线，；渗在不 同袋线的位置上剖建中水道。该方法存在过程单元被中水道分铜的可能，并霈要 合并被分割的用水过糕，因此这种方法也是有局限的。1 9 9 4 年，w a n g 和s m i t h l 6 j 也努力从枣多杂质系绫的网络设计，健他们的工馋在实际应用中被证实是j 常复 杂豹，稽曩需要精心涮律专瘸静浓旋受蓠框图瓠及迸行流般豹浓度转移。 除此之外，w a n ga n ds m i t h t 6 。7 j 【i i 的方法是綦于质量传递采建立过程单元模 型的，由于传质过程的复杂性，一热过程单元( 反应器、再沸器和冷却器) 不易用 费矮过稷寒疆速。并黧在工厂中，鬻蠢咒毅进墨浓度苓弱鹤扬滚流入嚣一蠲农单 元，随詹又以不同的出口浓度流出此单元，w a n ga n ds m i t h t 7 1 1 1 的方法对这种 过程单元建模存在一定的困难。1 9 9 6 年，p a u lt f i p a t h i 【l 卸对w a n ga n ds m i t h 6 卅 第二章课题研究的理论依据、方法及进展 采用的夹点设计法进行改进，提出了以水的最大重复利用率为目标的新型水夹点 技术如图2 - 9 所示。新型水夹点技术是以水的最大重复利用率为目标设计用水网 络，建立一个以杂质浓度为纵轴、流量为横轴的图，简称c f 图 ( c o n c e n t r a t i o n - f o w m t eg r a p h ) ，由此得到的组合曲线呈阶梯状。图2 - 9 中每条阶 梯线代表相应用水过程中水的进出口状态。由用水过程入口处水流的杂质浓度及 流量可画出一水平线段，各用水过程入口水流所作的阶梯线称为用水组合曲线， 同理由出口处水流状态所组成的阶梯线称之为水源组合曲线。图2 - 9 中两组阶梯 线重叠的部分，代表水可在此范围内得到再利用，没有重叠的那部分消耗用水组 合曲线与新鲜水相匹配，没有重叠的那部分水源组合曲线作为废水排放掉，两组 阶梯线相交位置即为水夹点，一该点限制了水的进一步重复利用，因此该点就是 系统的用水瓶颈。在用水网络中水夹点上方不能当作废水排出系统，夹点下方不 能引入新鲜水。 1 9 9 8 年，p o h e y gt a n d p o l l e y h l 1 6 1 指出部分改变用水过程的设计将会大大 提高水的重复利用率，如图2 一l o ，过程a 与b 混合后可使水源线上移同时水夹 点左移，这样一来水的重复利用率增加，即解“瓶颈”。提出了使用此方法时的一 个重要准则：当用水过程中杂质携带量达到最大时，新鲜水消耗最小。 0 5 0 坤3 屺l 瑚 d l 1 5 0硼 2 5 0 质量漶量f 图2 - 9 新型水夹点技术 墨哪)u留链译寄 第二章课韪研究的理论依据、方法及进展 01 0 01 l o2 ( 1 02 覆t 掘鼍f w ” 图2 1 0 流股混合后解瓶颈 w a n ga n ds m i t h t 6 j 和k u oa n ds m i t h 1 3 1 利用夹点技术对包含再生过程的用水 网络进行设计。但夹点设计法在解决多杂质问题上有一定局限性，虽然w a n ga n d s m i t h 提出了“浓度转移”的方法。这种方法仅能处理小规模问题，而且不能给出 具体的回用匹配方案。 1 9 9 9 年l i u 等【1 7 j 提出几个有意义的启发式结果，尽管其中存在一些错误， 但其求解过程非常简单且能提供好的局部最优( 有时为全局最优) 解。2 0 0 2 年， h a l l a l e 等提出了一种新的新鲜水和废水最小化为目标的图解方法。该方法基 于水组合曲线新的表示方法和水剩余率的概念，并构造了与热夹点分析的梯度组 合曲线相类似的水剩余框图。y a n gl o ua n dh u a n g i ”l 利用数学规划法解 w w r n ( w a w t e r w a t e r r u s e n e t w o r k ) 网络，首先建立含有n 个用水单元的用水网 络超结构，然后对每个用水单元过程建模求解。但所形成的n l p 问题规模庞大、 求解困难，胡仰栋等人 2 0 , 2 1 1 采用逐步线性规划法求解废水最小化及用水网络最小 化问题。因数学规划法对设计人员来讲相当于一个黑箱模型，为了加深对用水过 程的理解，减小超结构规模，s a v e l s k ia n db a g a j e w i c z 提出了单杂质和多杂质系 统最优设计的必要条件，并提出了最优设计算法。首先给出了用水网络最优性设 计的定义：给定一用水过程集合，要求设计出用水流股与这些过程的连接关系， 在满足用水过程要求的前提下，使整个系统总的新鲜水用量或费用最小。2 0 0 3 年，t h e v e n d i r a r a j 等【2 2 l 采用水夹点技术解决了橙汁厂的用水网络改造问题，提出 了4 种求解方案并从中选出最优者。 o 蛐 啪 娜 l 毫 长量u龌嶝s袋棼 第二章深嚣锈襄魏瑾论袋攒、方法及送袋 2 3 2 2 废水处理网络设计 瓣藏，过程_ i 馥孛豹废拳大多蘧集中式处理，聱来爨不阉遥翟海褒承全蘩 收集在间一废水池中，然后依次疑过物理、化学、以及生物处理后排放。许多人 认识剿分布式废水处理可能比集中式处理有鼹大的优势。m c l a u g h l i ne ta l 2 3 1 证 实大多数废物处理操终静基建费与流经废农熬流量呈正比魅处理静搡髂赞弱建 给定矮鲞负荷污染锈浓度豹降低蕊增加。分布式废水处理藏掰有更广闷豹空闻。 z i n k u se ta l 【2 4 j 给出如何正确的选择处理技术。 废水处理系统的综合研究已经有二十多年了，但大多数研究集中在一个固定 结秘懿特定荸元或一，l 、部分擎元瓣饶豫。嗣辩京只含一秘污絷穆费疲承懿遴瓣络 综合比较成熟的条件下，w a n ga n ds m i t h i 提出用夹点法综合多杂质分布式废水 处理网络，而处理单元使用顺序依其价格而寇。 g a l a na n dg r o s s 瓣a n i 2 6 l 建立了多杂覆分毒式疫承处理瞬络熬超结构，共遐菲 线健黼划阔题来描述_ l 鞋：超结梅，溺一种或多种污染物可瓯嘲不同处理单元去除时 形成混合整数非线性规划问题，阑所形成的问题是非凸非线性规划，并储助分支 定界规则罔g a m s 求解一系列l p 问题和n l pi 、硪题，得到了满意的结果。 2 3 3 废水最小化的同步设计 1 9 8 。年t a k a m a 等人1 2 7 1 绥宫篱隶分蠢翊簇解决了最德建凌零系统鹣浚诗， 他们逡用超结构模溅表述了石油炼厂中水分配阿络综合问蹶，并且通过去掉一些 不相关的和不经济的连接简化系统结构用“复合型方法”来实现优化。d o l y ea n d s m i t hi 2 8 i 和k u oa n ds m i t h l 2 9 , s 0 3 邋避协调考虑璃水薅终积废农处理网络之闯的租 互俸掰来进行废求簸小仡设诗，缆它依赖予夹点设计法，瘸承丽络和废水处理霹 络仍需单独处理。h u a n ge ta 1 指出夹点设计法有以下缺陷：虽然对于简单的理 想化系统，运用夹点分析能计算嫩小水消耗，但对更实际的系统，它很雅确认最 小瑟鳝承麓量或疲窳楚理毵力，茏英是包含多令滚器隈疆及琚包含承经溺攀元窝 处理单元有水损失的情况。2 1 由于必须手工建造总组合曲线和网络结构，如果不 是非常必要的应用遗方法于多个溶解物系统将是费时费力的，更进一步来说， 最终设诗的覆量缀大程度土蒎簸”使弱者的经验嚣扰缀可熊不一致。3 ) 摄然隶镬 焉、秘生和流出物鲶理阿络的掴曩作用能在一个循环程序中处理，这些子系统仍 是单个建立，结果谯个组合结构框架中集成不同类型水使用处理单元的机会 可能被忽略。h u a n g 提出了在化工厂中w u t n ( w a t e r u s a g e a n d t r e a l r n e n t n e t w o r k ) 懿数学溪翅穰鳌，袋瑟瓯蓑枣薪黪零矮量或懿壤凌承量最小舞特征透孬俊徒，与 第二章瀑褥磷究的蓬论袄嚣、方法及遴鬟 以前的技术相比，所提的方法更w 靠、更精确、并且在合成w u t n 上更快。2 0 0 1 年，l 弧ia n de 羲鑫蘸鼙【3 2 】采震速耱舞法怼上述瓣题迸嚣求解， 鑫簧算法对秘戆薅没 有要求且可以解决愆大规模的问题。a l v a a r g a e z p 3 j 指出设计一个工业水系统， 如果不考虑基本的过程改变，掘满用水效率只能通过水回用、再生回用和荐生循 环，援她提出了一种设计工鲎求系统豹集成纯方法，与此嗣黠，该方法熊缀好的 设诗爱杂静网络缭擒篮考虑许多实际约束。 2 ，3 4 零排放 零排放也可以表述为三种：第一种指消除来自工厂的废水中的重点污染物或 有毒缀分。重点污染物包括在食物链中累积的禁止污染物或对接受水体中的水生 生甥露毒熬重金震竣英它污絷锈。第二耪撂过程工厂没有滚体滚羧援 效。掇有熬 废水经过二级或三缀处理再通过蒸发过程转变成固体废物，铡如盐通过锸晶或干 燥浓缩，固体废物然后被掩埋。也就是说废物可能以固体彤式分散在接受水体中， 也可能因为所有波体废物的消除影响气体排放。第三种定义建前两群的掰中。零 羁 赦惑睬着废承羲 敬藿荠不最小，篷相霹安全。霄溶释莺侮域釜密瑷，黧对接受 水体无害。m i g u e lb a g a j e w i c z t l 】的零排放的概念可以表述为完全除去对环境有害 的物质，或者表述为一个封闭的用水回路：完全无水排放，即零液体排放。而封 闭霞黪瓣褒点更鸯毅萼 力，嚣梵管弼寒羲瓣褥生过程不努褥迸孬全部玻零夔处 理，废水可以在更黼污染程度下继续使用。这璺所指的零排放即为零液体排放。 g o l d b l a t t ，e b l ea n df e a t h e r s t 3 4 j 指出c p i ( c h e r o i c a lp r o c e s si n d u s t r y ) 窝现零排 敖豹搬动力有：减小新鲜水用量、蠛少瘦求撵放、潸除法律优先禁止的浮染物、 经济魏移界蠹友好策略。v i s v a n a t h a na n dh u f e m i a t 3 霉通避生物处理实瑗了软饮精 包装厂废水的零排艘。l e e ，c h e na n d y u e f ”】通过化学和生物处理过程的黛成提出 了丝绸生产厂一个w 能的零排放流程。l e oa n dh e i n s e 3 7 】实现了纸浆厂在线生物处 理零羲 敖。 2 4 綦嚣究震望 1 , 3 8 , 3 9