（化学工程专业论文）过程工业用水系统流结构模型与分析.pdf

摘要 摘要 随着世界人口的不断增长和工业的持续发展，水将成为短缺资源，工业用水 节约与废水减排己成为人类持续发展的重要前提之一。特别在我国，社会经济的 发展带来了缺水、水源污染的副作用。过程工业( 包括化工、石油化工、炼油、 制药、造纸、冶金、电力等) 为用水大户，承担着不可推卸的责任。对此现状， 面向未来，除了提高节水意识、国民素质及加强法制外，更需要诉诸于可行的工 业用水节约与废水减排的方法与技术。 常规的节水措施、节水工艺通常着眼于单个的单元操作或局部用水系统，未 能从全系统范围统筹考虑，以此只能达到有限的节水目的。要深入做好节水减排 工作，应从系统全局的角度考虑水的有效利用。本论文通过对用水过程和废水处 理过程的内在特性和相互关系的分析，追随不同水流在系统中的演变过程，将用 水系统分为转化、利用和回收与再生三个子系统。从系统工程的角度，在借鉴能 量利用系统三环节模型的基础上，建立了描述用水系统的水三环节模型。该模型 从系统的角度考虑水的转换、利用和废水的再生回用过程，把整个用水系统作为 一个有机的整体进行集成考虑。论文提出了各子系统用水优化的目标函数以及用 水系统全局综合优化的分解协调策略方法，为系统全局的节水减排工作提供指导。 考虑到石化工业不仅是工业用水的大户，更是废水排放的大户，论文选取过 程工业中有代表性的炼油企业，对其用水系统进行分析、概括和适当简化，给出 了炼油企业给排水系统三环节模型。针对我国石化工业用水系统综合考虑不够， 水重复利用水平普遍较低，污水回用率不高，加工每吨原油排放污水远高于国际 水平的现状，基于系统全局考虑，挖掘石化工业节约用水、减少废水排放的潜力 具有重要的理论与实际价值。本论文将石化炼油企业主要用水设备单元按其在用 水过程中的功能分别归入三个环节中，并且依据三环节的划分，分别对石化炼油 企业各子系统的各项水流的细项及其处理、利用、回收进行简要的分析说明，综 合分析、归纳和探讨了各个环节( 子系统) 成熟可行的节水技术和节水方法。通 过合理利用相关的节水技术、方法对用水系统进行优化设计或改进，实现用水系 统整体优化。 最后，以某炼油企业循环水系统和某石化公司化工厂为例，通过对其用水现 状的系统分析，指出目前存在的主要问题，对其循环水利用、凝结水回收等方面 提出了优化改造建议。 关键词过程工业；用水系统；水三环节模型；水系统优化；节水减排 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n dt h ei n c r e a s eo fp o p u l a t i o n ，w a t e ri s b e c o m i n gas c a r c er e s o u r c e w a t e r s a v i n ga n dw a s t e w a t e rm i n i m i z a t i o ni ni n d u s t r y b e c a m eo n eo ft h ei m p o r t a n tp r e c o n d i t i o n s ，w h i c ha f f e c t st h eh u m a nd e v e l o p m e n t e s p e c i a l l yi nc h i n a ，t h es i d e - e f f e c t sa sw a t e rs h o r t a g ea n dp o l l u t i o no fw a t e rs o u r c e a r ec a u s e db yd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y t h ep r o c e s si n d u s t r y ，i n c l u d i n g c h e m i c a l ，p e t r o c h e m i c a l ，o i lr e f i n i n g ，p h a r m a c y ，p a p e rm a k i n g ，m e t a l l u r g y ，e t c ，i sa h u g e w a t e rc o n s u m e rw h i c hi s r e s p o n s i b l e t o p o l l u t i o n s i t u a t i o n s ，t of a c et h i s a c t u a l i t ya n da d a p tt h ef u t u r e ，w en e e dt o f i n dab e t t e rm e t h o df o rw a t e rs a v i n ga n d d r a i n a g e r e d u c t i o n ，b e s i d e si m p r o v i n g o u rc o n s c i o u s n e s so n w a t e r - s a v i n g a n d s t r e n g t h e n i n gt h ew a t e r s a v i n gr e g u l a t i o n s t h er o u t i n em e a s u r e sa n dt e c h n o l o g i e so nw a t e r s a v i n gu s u a l l ya i ma tu n i t o p e r a t i o n s o r p a r t i a l w a t e ru t i l i z a t i o n s u b s y s t e m si n d i v i d u a l l y ap e r f e c t w a t e r u t i l i z a t i o ni sh a r dt ob ea c h i e v e dw i t h o u ts y s t e m i c a lc o n s i d e r a t i o n t od ob e t t e r ，w e n e e dc o n s i d e rs y s t e m i c a l l yt h ew a t e ru t i l i z a t i o nw i t h i nt h ew h o l es y s t e m i nt h i sp a p e r ， t h r o u g ha n a l y s i s o nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r r e l a t i o no fw a t e ru t i l i z a t i o na n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，w ed i v i d et h ew a t e ru t i l i z a t i o ns y s t e mi n t ot h r e es u b s y s t e m s n a m e da sc o n v e r s i o ns u b s y s t e m ，u t i l i z a t i o ns u b s y s t e m ，r e c l a m a t i o na n dr e g e n e r a t i o n s u b s y s t e mb yf o l l o w i n gt h ec h a n g eo fw a t e rf l o w s f r o mt h ev i e w p o i n to fs y s t e m s e n g i n e e r i n ga n d i nr e f e r e n c et ot h et h r e e l i n ke n e r g ym o d e l ，at h r e e l i n kw a t e rm o d e l i s b r o u g h t f o r w a r d i nt h i sm o d e l ，w a t e rc o n v e r s i o n ，u t i l i z a t i o na n dw a s t e w a t e r r e c l a m a t i o na n d r e g e n e r a t i o n h a v eb e e nc o n s i d e r e d s y s t e m a t i c a l l y t h r o u g h q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n de v a l u a t i o no ft h ew a t e ru t i l i z a t i o np r o c e s s ，t h ed i r e c t i o no f i n t e g r a t e do p t i m i z a t i o n a n d i m p r o v e m e n t f o rw a t e ru s ei s p o i n t e d o u t t h e o p t i m i z a t i o no b j e c t i v e sa n dc o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o ns r a t e g i e sa r ep r o p o s e d ，w h i c h c a np r o v i d eg u i d a n c ef o r w a t e r s a v i n ga n dd r a i n a g e r e d u c t i o n t h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yi sah u g ew a t e rc o n s u m e ra n dd r a i n a g es o u r c e ，a n d t h er e f i n e r yi ss e l e c t e da st h er e p r e s e n t a t i o no ft h ep r o c e s si n d u s t r yi nt h i s p a p e r w a t e ru t i l i z a t i o ns y s t e mo fr e f i n e r yi s a n a l y s e d ，g e n e r a l i z e da n ds i m p l i f i e df i r s t l y ， a n dt h et h r e e l i n km o d e lo ft h ef e e d w a t e ra n dd r a i ns y s t e mi s p r o p o s e dt h e n i th a sa l o wr a t eo fw a t e rr e u s ea n dw a s t e w a t e rr e g e n e r a t i o ni nd o m e s t i cr e f i n e r i e s ，a n dt h e u n i tw a s t e w a t e r d i s c h a r g ei sa l s om u c hh i g h e rt h a nt h a ti nt h ew o r l d i ti so b v i o u st h a t a b s t f t a c t t h et a s ko fw a t e r s a v i n ga n dd r a i n a g e r e d u c t i o ni sa r d u o u s ，a n dt h e r ee x i s t s ag r e a t p o t e n t i a lf o ri m p r o v e m e n t f a c i l i t i e s a n du n i t si nr e f i n e r i e sa r ed i v i d e di n t ot h r e e l i n k sb a s e do nt h e i rf u n c t i o n i nw a t e ru t i l i z a t i o n ，t r e a t m e n t ，u t i l i z a t i o n a n d r e c l a m a t i o nf o rw a t e rf l o w si ne a c hs u b s y s t e ma r ea n a l y s e da n di n t r o d u c e d s o m e f e a s i b l e t e c h n o l o g i e s o nw a t e r s a v i n ga r ed i s c u s s e d ，w h i c hi s h e l p f u l t o o p t i m i z e w a t e ru t i l i z a t i o ns y s t e m sa saw h o l e i nt h ee n d ，ac i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e ma n daw a t e ru t i l i z a t i o ns y s t e mi nar e f i n e r y a n dac h e m i c a lp l a n ta r et a k e na st h es t u d yb a c k g r o u n d s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so n w a t e ru t i l i z a t i o n ，t h em a i np r o b l e m sa r ep o i n t e do u t ，a n dap r o p o s a lo nw a t e rs y s t e m o p t i m i z a t i o ni n c l u d i n ge f f i c i e n tu t i l i z a t i o no fc i r c u l a t i n gw a t e r ，a n dr e c l a m a t i o no f c o n d e n s i n gw a t e r ，e t c i sb r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d s ：p r o c e s si n d u s t r y ；w a t e ru t i l i z a t i o ns y s t e m ；t h r e e - l i n kw a t e rm o d e l ；w a t e r s y s t e mo p t i m i z a t i o n ；w a t e r - s a v i n ga n dd r a i n a g e - r e d u c t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 纸她 e t 期：毋，年月刁目 j 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。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 殇勃 ( 吲化 日期：冽年乡月衫日 e t 期：，2 矿孵6 月2 日 1 第一章绪论 第一章绪论 4 月2 2 日是地球日，2 0 0 3 年地球日的主题是“生命之水，未来之水”。 6 月5 同是世界环境日，2 0 0 3 年环境日的主题是“水一一2 0 亿人生命之所系”， 提醒人类关注全球有近2 0 亿人面临缺水的严峻现实。 1 9 7 2 年的联合国人类环境会议和1 9 7 7 年的联合国水事会议就曾向全世界警 告：“水不久将成为一项严重的社会危机，石油危机之后的下一个危机就是水”。 有预言说：未来世界危机很可能是争夺淡水。 1 1 我国水资源状况 水是地球上一切生命赖以生存、人类生活和生产必不可少的基本物质，是宝 贵的自然资源。地球表层5 k m 地壳的5 0 以上是水，地球表面7 0 8 的面积被水所覆 盖。地球上水的总储量约1 4 亿k m 3 ，其中9 7 以上是海水，淡水仅占地球总水量的 3 ，淡水中7 7 2 分布在两极地带及高山高原地带，2 2 4 以地下水或土壤水形式 存在，其余分布在湖泊、河流、大气中，其中便于人们取用的只是河水、淡水湖 水、浅层地下水，其量约为3 0 0 万k m 3 ，占地球总水量的0 2 “1 。自然界水的分布情 况如图卜1 。 图1 一l 自然界水的分布情况 f i g 1 1w a t e rd i s t r i b u t i o ni nn a t u r e 世界水资源的分布极不平衡，6 5 的水资源集中在不到l o 个国家里，而占世界 总人口4 0 的8 0 个国家却严重缺水。我国水资源总量约为2 7 1 0 ”1 1 1 3 ，居世界第6 位。但人均年占有水资源量约为2 0 9 4 m 3 ，约为世界人均水平的1 4 ，居世界1 2 1 位 属于世界上最贫水的1 3 个国家之一。中国与部分国家年径流总量及人均水量的比 较见表卜1 。 中国大部分陆地疆域地处北半球中纬地带，受季风气候影响，水资源时空分 华南理工大学硕士学位论文 表卜1 部分国家年径流总量及人均水量 t a b l e1 1t o t a la m o u n to fa n n u a ls u r f a c ef l o wa n dp e r c a p i t aw a t e ry i e l di ns o m e c o u n t r i e s 年水资源量。计算人口人均年水资源量( 1 9 9 5 ) 国家 1 0 8 m 3 a位次( 1 9 9 5 ) 1 0 4 人m 3 ( a 人)位次 巴西6 9 5 0 0 11 6 1 7 94 2 9 5 72 0 俄罗斯4 2 7 0 0 21 4 7 0 02 9 0 4 83 l 美国3 0 5 6 0 32 6 3 2 51 1 6 0 8 75 6 印度尼西亚2 9 8 6 0 41 9 5 7 5 61 5 2 5 3 64 9 加拿大2 9 0 1 0 52 9 4 6 39 8 4 6 28 1 2 1 1 2 1 ( 1 9 9 5 )2 2 3 8 6 ( 1 9 9 5 ) 中国2 7 1 1 5 61 2 1 1 2 9 5 0 0 ( 2 0 0 1 )2 0 9 4 ( 2 0 0 1 ) 印度2 0 8 5 0 89 3 5 7 7 42 2 2 81 2 2 5 4 3 6 0 0 ( 1 9 9 5 )8 6 1 8 ( 1 9 9 5 ) 全球4 6 8 5 0 0 6 1 8 0 0 0 ( 2 0 0 1 )7 5 8 l ( 2 0 0 1 ) 注：以多年平均河川径流量为代表。 布的问题十分突出，全国有4 5 的国土处于降水量少于4 0 0 毫米的干旱缺水地带， 且降水集中在6 9 月，占全年降水量的7 0 9 0 ，因此水资源的7 0 以上是由暂时 性淡水组成。全国6 6 9 个大中城市有4 0 0 个常年淡水不足，其中严重缺水的城市 l l o 个，日缺水量1 6 0 0 万立方米，年缺水量是6 0 亿立方米。由于缺水，每年影 响工业产值2 3 0 0 亿元，天津、长春、大连、青岛、唐山和烟台等城市已受到水资 源短缺的严重威胁。据水利部2 l 世纪中国水资源供求分析报告中预测，2 0 1 0 年我国工业、农业、生活及生态环境总需水量在中等干旱年为6 9 8 8 亿立方米( 其 中生活用水9 5 3 亿立方米，工业用水1 5 6 0 亿立方米，农田灌溉用水3 9 8 2 亿立方 米，林牧渔业用水4 9 3 亿立方米) ，但供水总量6 6 7 0 亿立方米，缺水3 1 8 亿立方 米。2 0 3 0 年总需水量7 8 0 0 8 2 0 0 亿立方米，总供水为7 4 0 07 7 0 0 亿立方米，缺 水4 0 0 - - 5 0 0 亿立方米。“。 评价一个国家的水资源短缺程度，不仅要看可利用的水资源的绝对量、人均 水资源量，而且应该把可利用的水资源量、实际利用量和用水发展趋势等重要因 素与经济的可持续发展紧密联系起来分析。2 0 0 3 年我国万元g d p 用水量为4 6 5 立方 米，是世界先进水平的4 倍；农业灌溉用水有效利用系数为0 4 0 5 ，发达国家为 0 7 0 ，8 ：我国亩均灌溉用水量约4 5 0 立方米，每立方米灌溉用水量生产粮食1 公 斤左右，明显低于国际先进水平；我国城市生活用水浪费也很严重，多数城市输 配水管网和用水器具的漏水损失严重。此外，我国在污水处理回用，海水、雨水 第一章绪论 利用等方面也处于较低的水平。专家们认为，随着我国人1 3 的增长和经济社会发 展以及城市化、工业化进程的加快，对水的需求将进一步提高，水的供需矛盾和 水环境问题将愈发突出。 1 2 工业用水现状与存在问题分析 1 2 1 工业用水现状分析 工业用水主要集中在火力发电、石油石化、造纸、钢铁和纺织等过程工业。 由于设计水平相对落后，过程耗水总量普遍偏高，用水效率偏低，目前我国的工 业用水总体来说具有以下特点”1 ： 1 工业用水增长较快。1 9 9 3 1 9 9 9 年问，工业取水量平均每年增加4 2 2 亿立 方米，年均增长4 2 ；工业用水量平均每年增加1 3 9 5 亿立方米，年均增长7 1 。 工业用水量特别是取水量增长较快，加剧了水资源供需矛盾。 2 工业用水效率低。1 9 9 9 年每万元工业增加值取水量约为3 3 0 立方米，是日 本的1 8 倍，美国的2 2 倍。企业之间单位产品取水量相差悬殊，一般相差几倍，有 的达十几倍，个别的甚至超过四十倍。 1 9 9 9 年全国工业用水重复利用率约5 3 ，远低于发达国家工业用水重复利用率 7 5 的水平，仅相当于美国6 0 年代初和日本7 0 年代初的水平，比日本1 9 9 7 年的低约 2 5 个百分点，比美国2 0 0 0 年的规划指标低约4 1 个百分点。 3 非传统水资源利用量低。目前，我国工业用水中海水及苦咸水利用量为2 5 6 亿立方米，仅相当于日本的2 l _ 3 、美国的1 2 8 。再生水( 污水经净化处理后恢 复其使用功能的水) 在工业中的利用量仅相当于取水量的0 4 。我国工业用水中 冷却水及其它低质用水占7 0 以上，这部分水是可以用海水、苦咸水和再生水等非 传统水资源替代的。 4 工业废水排放量大。工业废水排放量约占全国废水排放总量一半，水体中 绝大多数有毒有害物质来源于工业废水。工业废水大量排放，是造成水环境状况 日趋恶化，水体使用功能下降的重要原因。 1 2 2 我国石化行业用水现状分析 石化行业是工业用水的大户，更是废水排放的大户。据统计，我国石化系统 所属企业2 0 0 0 年工业用新鲜水总量占全国工业用水1 1 5 7 亿立方米的1 4 ，工业 废水排放量约占全国工业废水排放量的4 8 ，废水排放的比例远高于新鲜水用量 的比例，说明石化系统水重复利用水平低，污水处理回用率不高w 。 华南理工大学硕士学位论文 近年来，我国石化行业尽管在节水减排工作上取得了明显进步，但新鲜水用 量、污水排放量，无论是绝对量还是吨原油、万元产值的单耗、单排一直比较高， 与国外先进水平差距很大。国外先进水平炼厂新鲜水单耗一般低于0 5 t 水t 原油， 单排已达0 1 o 2 t 水t 原油。而我国单耗最低0 8 4 t 水t 原油，单排最低为0 5 2 t 永t 原油，国内平均水平单耗为2 2 3t 水t 原油，单排为1 8 4t 水t 原油。国 内水平与国外先进水平的比较见图i - 2 。 图卜2 吨油单耗、单排与国外先进水平的比较 f i g1 - 2t h ec o m p r i s o no fu n i tc o n s u m p t i o na n dd i s c h a r g e w i t ho v e r s e a sa d v a n c e dl e v e l 1 9 9 9 年，中国石化集团公司对部分石化企业的用水和排污情况进行了抽样调 查，调查结果见表卜2 “1 。表中数据显示，石化行业系统内部发展很不平衡。加 工吨油耗水、排污最大与最小之间相差5 倍多。 表卜21 9 9 9 年部分炼油企业水耗情况统计 t a b l el 一2w a t e rc o n s u m p t i o no fs o m er e f i n e r i e si n19 9 9 吨油万元万元 加工总产 取水排污水耗新 吨油 产值产值 企业名称 原油 值 1 0 4 m 3 1 0 4 m 3 水 排污 水耗排污 k t亿元 水m 3 m 3m m 镇海炼化 7 0 5 63 4 67 0 5 23 7 0 21 0 0o 5 22 0 4i o 7 广州石化 4 7 4 62 3 56 5 0 51 1 3 1 71 3 7 2 3 82 7 74 8 2 齐鲁石化 6 7 2 32 9 o1 0 2 9 04 9 7 91 5 30 7 43 5 41 7 2 燕山石化6 0 4 13 0 61 0 2 3 08 7 0 41 7 01 4 43 3 52 8 5 洛阳石化 3 0 8 31 8 45 4 3 4 2 5 3 71 7 60 8 22 9 61 3 8 金陵公司 5 5 5 02 9 51 5 9 8 11 5 4 0 52 8 82 7 85 4 2 5 2 2 荆门石化2 3 2 91 1 99 4 3 o7 5 4 64 0 53 2 47 9 56 3 6 高桥公司 5 2 2 22 9 52 4 8 2 9 1 9 3 2 44 7 53 7 08 4 16 5 4 武汉石化 2 2 0 91 5 81 1 9 4 55 7 9 75 4 1 2 6 27 5 83 6 8 第一章绪论 从以上分析可知，国内石化企业用水效率低，且内部发展不平衡，具有巨大 的节水减排潜力。以中石化为例，2 0 0 0 年平均加工吨油耗水2 4 3 m 3 ，比世界先进 水平多1 9 3 m 3 ，如果按照加工1 0 0 m r 原油计算，每年有近1 9 3 i 0 8 m 3 的节水潜力； 加工吨油排污2 o m 3 ，比世界先进水平高i 8 m 3 ，每年有1 8 1 0 一i l l 的减排潜力。 如果新水价按照平均2 元m 3 ，污水处理和排污按照4 5 元m 3 计算，每年可以节 约水费和污水处理费约1 1 9 6 亿元。如果炼油企业加工吨油水耗和排污能够分别 达到中石化系统内部1 0 m 3 和0 5 m 3 的先进水平，则每年分别有1 4 3 i 0 8 i n 3 的节 水潜力和1 5 1 0 8 i l l 3 的减排潜力”1 。 1 2 3 存在问题分析 进入2 1 世纪，我国工业经济仍将保持较高增长，用水需求将大幅度增加，水 资源供需矛盾将更加突出。通过以上我国工业用水的现状分析，发现工业用水以 及在促进工业节水过程中主要存在以下问题”1 ： 1 人们对节水的重要性、紧迫性和长期性缺乏足够的认识。长期以来人们把 水看作取之不尽、用之不竭的可再生资源，水是公共产品，因此，地下水可以无 偿采用，水成为最廉价的资源。由于人们缺乏科学、正确的水观念，对节水的重 要性、紧迫性和长期性认识不足，没有把节水放在突出位置，粗放经营，浪费水、 污染水环境的现象十分严重，这是造成工业用水紧张的重要原因之一。 2 工业水价、水资源费、排污费偏低。根据对3 7 8 个城市的统计，1 9 9 9 年城 市供水中每立方米工业用水价格为0 1 2 3 5 0 元，平均为1 2 1 元；水资源费0 0 2 1 1 0 元( 1 9 9 8 年) ，平均为0 2 3 元；污水处理费( 或排污费) 为0 0 8 1 7 元，平 均为0 4 6 元。多数企业用水成本占其生产成本的比重不超过2 ，低廉的水价是企 业缺乏节水动力的重要原因。 3 工业布局不合理，结构性矛盾突出。黄淮海和内陆河流域的1 4 个省区，火 力发电、纺织、造纸、钢铁、石油石化等五个高用水行业在该地区的工业中占有 较高的比重。高用水行业过度集中在北方缺水地区，使该地区水资源供需矛盾日 益突出，水环境恶化的状况加剧，由此带来地下水位下降、地面沉降和水污染问 题日益严重。企业规模结构、产品结构和原料结构不合理，是目前工业用水效率 低的重要因素之一。绝大多数企业规模小，生产集中度低，高消耗、粗加工、低 附加值、缺乏市场竞争力的产品比重高，降低了产品可实现的价值，这是万元增 加值取水量高的重要原因；造纸等行业的原料结构不合理，导致单位产品取水量 居高不下。 4 用水管理工作薄弱，浪费现象严重。绝大多数企业没有建立节约用水的管 理制度，工业用水定额不完善，用水计量不健全，不少企业供水管道和用水设各 华南理工大学硕士学位论文 的“跑冒滴漏”现象严重。如将不同种类水的耗量折算成一次能源( 标油或标煤) 耗量，石化行业标准( s y j l 0 2 9 8 3 ) 中规定的几种典型水消耗折算系数见表卜3 。 表卜3 水耗折一次能源系数 t a b l e1 - 3t h ec o n v e r tc o e f f i c i e n to fw a t e rc o n s u m p t i o ni n t oo r i g i n a le n e r g y 能耗指标能耗指标 序号项目 单位指标单位指标 1新鲜水1 0 4 k c a l to 1 8 m j t 7 5 4 2 循环水1 0 4 k c a l t 0 1 m j t 4 1 9 3除盐水1 0 4 k c a l t2 3 m j t 9 6 3 0 4污水1 0 4 k c a l t0 8 n j t 3 3 4 9 可以看出，不考虑用水的具体情况，全国范围内不同地方、不同用水装置、不同 用途按同一系数计算后比较，难以反映出节水的实际意义与价值，不利于节水减 排工作的开展。 5 工业过程用能、用水工艺落后，系统设计水平偏低。目前，由于工艺选择 与系统设计问题，使得大多数工业过程不合理地产生大量的中低温余热，且大多 数低温余热未能考虑有效回收利用，而是简单地通过循环冷却水冷却排弃，造成 过程用能、用水的极大浪费。 1 3 本研究课题的学术背景及研究进展综述 1 3 1 质量交换网络综合 2 0 世纪8 0 年代，目益严重的资源危机和环境污染对人类的生存已构成威胁， 清洁生产因此成了学者们的研究热点。清洁生产包括清洁的能源、清洁的产品和 清洁的过程等3 方面的内容。为了预防污染，实现清洁生产，质量交换网络( m a s s e x c h a n g en e t w o r k ，m e n ) 综合应运而生，并进一步拓展成为质量集成( m a s s i n t e g r a t i o n ，m i ) 。它侧重于过程中的物质流，能够有效地实现过程的废物最小 化，为清洁生产提供有力的技术支持。 1 、研究内容” 质量交换网络( m e n ) 综合问题是指对于已有的废物流股或污染物流股( 富流 股) ，通过各种质量交换操作，如吸收、解吸、吸附、萃取、沥滤和离子交换等， 用能够接受该物质的流股( 贫流股) 与之逆流直接接触，综合得到一个质量交换 网络，使之能在满足质量平衡、环境限制、安全和费用最小等约束条件下，有选 择性地将废物或污染物除去。 第一章绪论 质量交换网络综合的目标通常是总年度费用最小( m i n i m u m t o t a l a n n u a l i z e dc 。s t ，m t a c ) ，包括操作费用( 主要是质量分离剂的成本) 和固定投资 费用( 主要是各种质量分离单元的设备费用) 。质量交换网络综合在化学工业中广 泛地应用于进料预处理、产品分离及精制和有用物质的回收。近年来，它的应用 则主要侧重于工业过程的废物最小化和清洁生产。 从化工基础理论可以知道，质量传递和热量传递在机理上具有很强的相似性。 在许多情况下，从富流股向贫流股的传质过程就类似于从热流股向冷流股的传热 过程。所以，在系统方面就体现出质量交换网络和换热网络( h e a te x c h a n g e r n e t w o r k ，h e n ) 之间的相似性。因此，质量交换网络的许多概念和方法都可以从与 换热网络类比中得到。但由于质量交换网络没有外加富流股，只有外加贫流股， 故可视为只有冷公用工程的换热网络综合问题。 然而，直接将换热网络综合技术扩展到质量交换网络是不可能的。与换热相 比，质量交换是直接逆流接触，涉及组分间更复杂的平衡关系，而且质量分离剂 需要再生，产品需要后处理，此外还存在多组分的问题。质量交换网络自身的特点 决定了设计质量交换网络远比设计换热网络更复杂。 2 、研究进展 质量交换网络综合提出的最初动机是预防污染。1 9 8 9 年，e 1 一h a l w a g i 和 m a n o u s i o u t h a k i s “”通过研究发现质量交换网络和换热网络在系统水平上有惊人 的相似性，首先提出采用质量交换网络来指导用质量分离剂( 萃取剂、吸收剂、汽 提剂和离子交换树脂等) 除去流股中污染物的传质过程综合问题。稍后，他们又研 究了包含贫流股再生的质量交换网络综合问题，并在引入最小允许浓度差概念的 基础上，提出了系统地解决综合问题的方法“。 1 9 9 6 年以后，e 卜h a l w a g i 等“3 “1 在质量交换网络的基础上系统地提出了质量 集成的工具和策略，逐步建立了质量集成框架。质量集成注重质量在全局的分配， 包括物质的利用循环、过程内物质的截断、化学转化、分割和混合以及单元操作 的变化等，为处理环境和其他问题提供了更广阔的视野。 与此同时，很多学者还对特殊质量交换网络问题，如废水最小化问题进行了 较为深入的研究。w a n g 和s m i t h “5 。”1 将夹点技术应用于废水问题上，形成了系 统的水夹点技术：a l v a a r g a e z 等“”通过对水的分割循环，实现了富流股流率一 定条件下的废水最小化；c a s t r o 等“”建立了多夹点的概念，采用问题表格、限 制用水组合曲线和水源图，最大限度地实现了水的再利用：s a v e l s k i 和 b a g a j e w i c z ”“为了克服以上方法的种种不足，建立了用水操作的超结构模型，并 采用数学规划法来确定最优的用水网络结构。 综观十几年来质量交换网络综合的发展，可以看出，质量交换网络综合的研 究工作逐步向着面向实际应用、着眼于大局和多项技术和工具集成运用的方向发 华南理工大学硕士学位论文 展。为此，各国学者为使之能更加有效地应用于工业生产、实现污染预防，已做 了大量卓有成效的工作。 1 3 2 水分配网络综合 水分配网络是一种特殊的质量交换网络，它们研究问题的对象都是物质流， 这里的贫流股特指为水流股，质量交换网络中的许多概念和方法都可应用于水分 配网络中。 1 、研究内容 水分配网络( w a t e ra 1 l o c a t i o nn e t w o r k ，w a n ) 综合问题是指：给定可用水 的集合与其单价、用水过程集合、可用的废水过程集合与其费用以及环境排放限 制，要求设计出一种水分配网络，这种网络既能满足各用水过程的用水要求，又 使所排放的废水达标；在达到上述要求的前提下，使整个网络的年费用、新鲜水 用量、废水排放量最低”“。 降低新鲜水的使用量以及废水排放量的方式有以下3 种： 再用指某一用水单元产生的废水可直接用于其它的用水单元，并因此而 降低接受该废水的单元的新鲜水使用量。 再生再用指废水经过部分或完全再生后可用于其它的用水操作。有时， 再生后的废水流股需要与其它废水流股或新鲜水进行混合，然后进入某些用水单 元。这里规定，再生后的水不能用于产生该废水的单元自身。 再生循环指废水经过部分或完全再生后循环到产生该废水的单元本身。 水分配网络( w a n ) 综合问题越来越引起人们的重视。它能够有效地实现过程 工业水的消耗量和废水的排放量最小化，最大限度地水回用，并试图实现零液体 排放。对其进行研究，将对过程工业清洁生产、实现水资源的可持续利用起到重 要的作用。 2 、研究进展 1 9 8 0 年t a k a m an 等“”首次用数学优化的方法，以炼油厂为实例进行了水分配 网络的研究，具有一定的开创意义。但由于问题的复杂性，目前的研究水平还处 于将水分配网络分为用水网络和废水处理网络，分别对它们进行研究的阶段。 用水网络“夹点”设计法1 9 8 9 年，e 1 一a l w a g i 和m a n o u s i o u t h a k i s 2 3 在 l i n n h o f f 和h i n d m a r h 换热网络思想的基础上提出了质量交换网络，水网络中杂质 的传递类比于质量交换网络中杂质的传递，据此，w a n ga n ds m i t h “5 “3 和d h o l e 等 ”提出“水夹点”的概念，它能够有效地确定水回用的最优解。 用水网络数学优化法1 9 8 0 年t a k a m an 等“”首次表述了石油炼油厂中水分 配网络综合问题，并用数学优化的方法进行了求解。此后几年，这种方法被“冷 第一章绪论 落”，直到最近，a l v a a r g a e z 等。2 ”和y a n g 等”才用m i n l p 或n l p 模型对问题进行 优化。由于目前优化技术的制约，不能保证所得的解是最优解。 废水水处理网络“夹点”设计法1 9 9 4 年w a n g 和s m i t h “”将“夹点”技术 用于废水处理网络，提出了一套系统化的夹点设计法，这种方法能够有效地解决 只有一种废水处理单元可用的单杂质废水处理系统的设计问题，而不能有效地解 决多杂质或有多个废水处理单元可用的系统设计问题。 废水处理网络数学优化法对于废水处理系统，为了寻找夹点设计法以外 的设计方法，g a l a n 和g r o s s m a n n ”73 在1 9 9 8 年采用了数学优化法，所提方法能够找 到全局最优或近似最优解，但求解过程复杂。 水分配网络自从t a k a m an 等“2 1 提出水分配网络设计问题以来，1 9 9 8 年 a l v a a r g a e z 等”建立了水分配网络超结构，并考虑了水的损失。1 9 9 9 年h u a n g 等 。”建立了n l p 模型用于水分配网络的设计，但以上的各种数学优化方法无法保证 所得解的最优性。 有关用水网络设计的近期研究成果可参看b a g a j e w i c z 发表的综述o “。 1 3 3 节水新工艺、措施、方法策略 近年来，由于水资源短缺和环境污染问题，节水工作越来越受到重视。新的 节水措施、节水新工艺、新流程不断涌现。如石科院针对炼油厂外排污水水质特 点，开发了达标外排污水直接回用循环水技术，在一个循环水量7 3 0 0 m 3 h 的系统 进行了工业应用试验，污水补入量占循环水系统总补入量的9 0 ，浓缩倍数控制在 3 5 左右”：石科院经过与石化企业近1 0 年的共同努力，针对5 类水的不同特性， 开发出4 种循环水补水处理方案以及r p 一9 2 、r p 一9 3 、r p 一5 i 等多种处理药剂，提高 了循环水浓缩倍数，应用后取得了明显的社会效益和经济效益”；反渗透制水技 术的广泛应用；徐州水处理研究所提出的浅除盐水技术”，解决某些场合软化水 水质差而除盐水成本高的问题，等等。这些节水措施、节水工艺、流程的采用， 给工业用水的节约带来了新契机，也取得了很大的成果。 1 3 4 问题分析与对策 通过以上文献综述分析可知，水分配网络的研究是从质量集成思想出发，寻 求通过简化处理或其他方法建立和扩展关联各方面参数的数学模型，采用问题表 格、浓度组合曲线和数学规划等优化方法寻求最优用水网络。水分配网络的研究 是在给定的可用水集合、用水过程集合和可用废水过程集合的条件下对水分配网 络的优化设计。它没有考虑对这些集合的元素进行优化，即其没有考虑对给水处 华南理工大学硕士学位论文 理、用水过程和废水处理过程的各操作单元进行优化，更缺乏对这些操作单元的 集成考虑。从某个角度来说，水分配网络优化设计是对可用水和可用废水集合与 用水过程集合如何匹配这一问题进行设计和优化。以此为出发点的水分配网络的 优化是被动的优化，因为其优化的基础( 给水处理、用水过程和废水处理过程的 各操作单元) 并不一定达到优化。 另外，现研究阶段的“夹点”设计法和数学优化法将水分配网络分为用水网 络和废水处理网络，分别对它们进行研究，割裂了用水网络和废水处理网