（化学工程专业论文）电化厂用水网络优化集成.pdf

y3 0 磊7 3 毒 摘要 承筵释蘸誉遂樊懿爨然蜜滚，浓魏不惫蓬整援骶造壤了资滋滚囊，叉疆楚 了涨缝环德籁理前受担。工业永的消耗在疆照的生产成本串占脊很大比重。节约 鼹承是企攮带糍降耧抟擞溪嚣。 + 海藏瓣建王羧转蠢聚公霉邀稼厂廷一家蠢稽硅5 年烧骧生产掇史戆澄窝老 垒簸。遂攀袋，鑫予嘏静上涨，灸魏数产或零显萋鬻麓，效蕴暌驻下降，嚣袋蘧 过从备个娣带降低擞产成本。本文以电化厂生产实测数据为依锻，阍时运用他工 稳悫搂誉诗磐获释纛s 藏瓣辨程s 辩嚣努缺损熬器邋露模援，裁趱撩l 豁大擎开发 的球网络数学模型分别瓣垒厂躲循邵嫩系绞秘工兹水系统避褥搂搬运算，壤撰生 产赛籍；存在韵各种约柬条秫进行必簧的调整优化，撼出了一熬囊节水方案，对于 安藤生产邀程苓羹黪怒藤蠢黎要戆援蛰意爻。 关键谢：水夹筑技术，闲水网络，废水减量，水网络恍化集成 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o s to ff r e s hw a t e ra n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n th a s b e c o m em o r ea n dm o r ee x p e n s i v e t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt od os t u d i e s o nw a t e rm i n i m i z a t i o ni ni n d u s t r y t h i sp a p e rs t u d i e dt h ew a t e rs a v i n g o p p o r t u n i t i e so fae h l o r - a l k a l ic o m p l e xi ns h a n g h a ic h l o r h l k a l ic h e m i c a l c o r p a r a t i o n ( s c a c c ) w h i c hw a so n eo ft h eb i g g e s tc h l o r a l k a lic o m p a n i e s i nc h i n a am e t h o dw i t ha n a l o g yt op i n c ht e c h n o l o g yw a sp r o p o s e dt oe n h a n c et h e l o a do ft h ee x i s t i n gc o o l i n gs y s t e m f u r t h e rm o r e ，s i m u l a t i o no fc o o l i n g t o w e r sw a sc a r r i e do u tt oe n s u r et h a tt h es a v i n gt a r g e tc a nb ea c h i e v e d w a t e ru s i n gs y s t e mw a sa l s oc o n s i d e r e d s e v e r a ls a v i n gp r o j e c t sw a s e s t 曲1 i s h e dw h i c hc a ns a v e8 2 t hf r e s hw a t e r k e vw o r d s ： w a t e rp i n c ht e c h n o l o g y ；w a t e ru s i n gn e t w o r k ；w a s t e w a t c rm i n i m i z a t i o n ； o p t i m i z a t i o n ； 浙江大学硕士论文 第一章前言 1 1 课题研究的工业背景 1 1 1 我国水资源现状 我国是一个水资源严重短缺的国家。据调查，我国人均水资源拥有量只有 2 2 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 ，而且这个数字还在不断地减少。我国是 目前世界上1 3 个主要缺水国家之一，也是国际上公认的“贫水国”。由于干旱、 污染、以及快速的经济发展，中国正面临着世界上最严重的水资源危机，横贯中 国的7 条主要河流中的5 条已经遭到严重污染。在全国6 6 9 个城市中，约有3 0 0 个城市面临水资源短缺。据预测，到本世纪中叶，当我国人口达到峰值时，人均 资源拥有量将减少至1 7 5 0 立方米，届时全国大部分地区将面临更加紧张的局面。 另一方面，我国的水资源分配很不平衡，部分地区久旱无雨，部分地区经常发生 洪涝灾害。由于中国北部地区的地下水资源正在被过度开采，水资源短缺也变得 越来越严重。近些年来，超过9 0 条中国河流曾一度干涸，自上世纪5 0 年代以来， 全国湖泊面积已缩小1 5 ，湿地面积减少2 6 ，水资源短缺已迫使政府通过数 百亿美元的提案，欲将2 0 0 亿立方米的长江水调到严重缺水的北方。随着国民经 济和社会的快速发展，水资源的紧张程度越来越严重，这已经造成了对环境和经 济安全的直接或潜在的威胁，不利于国民经济的可持续发展。 然而，在许多地区遭受不同程度水荒的同时，我们却面临着很严重的水资源 浪费现象。中国只有不到一半的城市废水被回收利用；运输到城市的2 0 的自来 水由于管道渗漏而白白损失；中国约有一半的水资源被用于灌溉，其中7 0 也被 浪费。污染和大规模的灌溉意味着许多可利用的水资源不可饮用。除农业用水严 重浪费外，工业用水浪费问题也很突出。据统计，加工吨油的耗水量国内是国外 的近5 倍，其它工业产品的耗水量也比国外同类产品高出数倍。据一家美国世界 观察研究所提交的报告，中国生产一吨乙烯所需的耗水量相当于日本或美国的3 6 倍。我国工业水重复利用率非常低，一股只有3 0 ，而德国工业水重复利用 浙江大学硕士论文 率高达6 4 ，日本也高达6 0 。除了存在技术上的差距外，水资源的综合利用 和重复利用的意识也有待于进一步加强。 1 1 2 氯碱工业面临的巨大压力 氯碱工业是工业用水大户之一，大型的氯碱厂年用水量在千万立方米以上， 有的氯碱企业用水量占到所在城市工业用水量的1 4 1 3 ，水的供需矛盾十分突 出。同时，氯碱工业也是一个污水排放量较大的行业，如果治理不善会对水环境 造成严重污染。为了保护水资源，防止水污染日益严重，中国相继出台了一系列 环保法规，进一步提高工业污水排放标准，引导企业加大环保方面的投入。在新 建项e t 和改扩建项目中，实行环保一票否决制。在项目实施过程中，实行环保装 置与主题装置同时设计、同时施工、同时投入使用的“三同时”政策。对老企 业，通过实行排水收费制，迫使企业有步骤、分阶段对污染严重的产品进行技术 改造，达到减少污水排放的目的，实在不能改造的产品和企业，只能采取关、停、 并、转等措施。所以对氯碱行业进行用水网络集成优化，节水减排，提高水资源 利用率显得特别重要。 氯碱公司电化厂虽然背靠水量丰沛的黄浦江，但是由于地处黄浦江上游，环 保工作压力非常大，取水、排水成本非常高，水耗过高必然导致生产成本增加， 不利于企业竞争力的提高。另外，由于上海市企业用电价格上调，烧碱生产又是 耗电大户，使得电化厂烧碱装置的赢利空间被进一步压缩。因此，在竞争越来越 激烈的氯碱行业，节能降耗。降低生产成本，直接关系到上海氯碱公司的生死存 亡，节约用水作为企业节能降耗的重要一环，已经刻不容缓。本课题就是在这样 的背景下展开研究的。 1 所谓用水网络集成优化7 就是在给定水用户的用水要求的前提下，根据各种 水源、水处理、水回用成本等因素、以及环境排放限制的要求，合理地设计或优 化用水网络，这种网络既能满足各用水过程的用水要求，又使排放的废水达标； 使得用水网络的新鲜水用量、废水排放量最低或者年操作费用最小。与常规的节 水方法不同，用水网络集成优化技术把企业的整个用水系统作为一个有机的整体 来对待，考虑如何分配各用水单元的水量和水质，促使系统内水的重复利用率达 到最大，同时废水的排放量达到最小。由于水系统集成技术能取得最大的节水效 浙江大学硕士论文 果，所以成为当前世界各国科研机构研究的热点。 采用用水网络集成优化技术，不仅可以设计出经过优化的供水和回用水流 程，确定经过优化的水处理深度，还可以达到减少新鲜水用量，减少污水排放的 目的，可以使化工流程中反应器、换热器等关键设备始终在良好的环境中运行， 延长设备使用寿命。所以说，研究在氯碱企业内部实行水网络优化集成设计是相 当重要的一个课题。 1 2 研究对象及目标 1 2 1 电化厂的发展历程 上海氯碱化工股份有限公司电化厂( 简称氯碱公司电化厂或电化厂) 是一家 有4 5 年制碱历史的老厂。1 9 5 9 年，中央政府为加快我国化工工业的发展步伐， 决定在全国范围内新建和扩建1 3 个中小型氯碱企业。上海市政府响应中央号召， 决定在天原化工厂原有3 万吨年烧碱生产能力基础上，新建一套1 5 万吨年隔 膜烧碱生产装置，由此拉开了上海氯碱公司电化厂的发展序幕。1 9 5 9 年1 1 月2 0 日电化厂在上海吴泾化工区的黄浦江畔正式破土动工，1 9 6 0 年6 月，电化厂正 式建成投产。建厂初期。主要生产烧碱、液氯、盐酸、漂白液四只产品，与烧碱 装置同期建成的还有一座8 0 0 0 吨级水厂，由黄浦江取水经过药剂沉降处理后， 形成清江水供生产装置使用。 几十年来，电化厂通过走自主开发和引进消化吸收相结合的道路，目前已经 形成了4 0 万吨年烧碱装置规模，成为我国氯碱行业的影响很大龙头企业之一。 1 1 2 2 电化厂的概况。o 氯碱公司电化厂目前主要产品包括年产4 0 万吨烧碱( 折1 0 0 ) ，8 1 0 万吨 液氯，2 0 万吨3 1 工业盐酸，8 0 0 0 吨7 0 漂粉精。主要生产车间包括一车间、 二车间、四车间、七车间和一个辅助车间动力车间。其中一车间主要生产隔 膜碱，同时负责离子膜碱后加工。一车间包括盐水工段、4 7 型金属阳极电解工 段、3 0 隔膜碱蒸发工段、4 8 离子膜碱蒸发工段、压缩氢工段、固碱工段、氢 浙江大学硕士论文 气锅炉工段，生产的产品包括3 2 隔膜碱、4 8 离子膜碱、9 9 固碱和压缩氢。 二车间主要负责氯气的干燥处理和含氯产品的后加工，包括氯干燥工段( 含氯透 平) 、液氯工段、盐酸工段、过氯乙烯工段、氯化石蜡工段、次氯酸钠工段等， 主要产品有液氯、3 1 工业盐酸、高纯盐酸、过氯乙烯、氯化石蜡、次氯酸钠等。 干燥氯气作为中间产品用管道送到氯碱公司西区生产v c m 。四车间主要包括两 套引进的离子膜装置，由一次盐水工段、二次盐水工段、f 1 电解工段和f 2 电解 工段等组成，生产3 2 离子膜碱。离子膜车间盐水电解产生的氢气和氯气分别送 一车间和二车间处理。七车间主要包括两套引进的7 0 漂粉精装置，生产7 0 固体漂粉精，同时副产大量有效氯为1 0 的漂白液。漂粉精装置作为一个非常重 要的耗氯产品，在平衡工厂氯气方面发挥了重要作用。动力车间为全厂生产装置 提供水、电、汽、气以及污水处理等设施。包括8 0 0 0 吨时的取水工段、沉淀及 供水工段、七套分散布置的循环水装置、一个污水中和池、一个污水调节站、空 压站、能力为3 0 吨时纯水装置和全厂变配电等组成。图1 1 是全厂的生产流 程简图。 图1 1 电化厂生产流程简图 浙江大学硕士论文 1 2 3 阕题接述 常规的节水方法主露通过直观定性分析，并旦潜眼于单个单元操作或局部用 水网络，遁常只s e 达到定的节水效果，而不能馒熬个用水系统的瓤鲜水用爨秘 废承产生爨达到最小。 电化厂建厂初期，由于所有换热设备都采用清沉水直排冷却，虽然产品很少， 蕊模也不大，但清江水溺耗量惊人。 随着产晶规模的不繇扩大，以及产品结构静举凝调整，邀纯厂先后建起了8 套循环水激霞，许多换热设备采用循环水替代直排漓江水冷却水，使得清江水的 消耗量不仪没有随产品规模的增加阍步扩大，棚反，渣江水敬消耗量由最大 8 0 0 0 t h 锐减到目前的3 8 1 5 t h 。但是，由于电纯厂的改造项琶都楚分阶段实施， 节水系统的改造工作也是分阶段同步进行，受到客观条件的f 艮制，只能按常规的 节承方法邋纷思考，着暇予荤个单元撩作或局部鲻承啜络，质以，扶全局着，瞧 亿厂还有缀大的节水潜力。瑶蓠各车间都还存在一照使用壹簿冷却永豹设备，循 环冷却水装霞的负荷配鬣也不尽合理，有些装置的工艺用水还w 以考虑其他装震 蛇二次本鲻照。因此，遴过对电化厂蹋东数据的袋祭，应用工瑕软佟，用水系统 集成技术怒电化厂作为一个整体进行分析、计算鞠伉纯，班期取褥最大的节水效 果。 浙江大学硕士论文 第二章课题研究的理论基础和研究方法 2 1 过程集成技术国内外研究现状 2 1 1 发展过程 过程集成技术研究起源于上世纪7 0 年代末，是过程工程研究的一个重要分 支。它是站在系统的角度，将热力学方法和集成的方法用于过程装置的分析、综 合和改造。 水系统集成属于过程集成的一项主要研究内容之一，研究的目标是通过采用 如图2 一l 所示的用水网络示意图中的分析与合成步骤，最终达到新鲜水消耗量和 废水排放量最小。 庄龟 水 直 接 回 用 图2 - 1 用水网络示意图 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，水网络构造主要采用图示法和数学规划法。 浙江大学硕士论文 1 9 8 0 年，r i 址鼬转首次采用数学规划的方法以炼油厂为实例，进行了水分 配网络的设计，他们建立了包括所有用水操作和净化过程的超结构，然后开始通 过移除不相关和不经济连接来简化系统结构，实施最优化。t a k a m a 的一个重要 贡献就是将这个水管理问题看作各个操作过程中新鲜水废水分配和废水净化分 配这两部分的结合。之后，采用过程集成技术对过程工业水分配网络的设计方法 的研究逐渐受到人们的高度重视。 1 9 8 9 年e 1 h a l w a g i 和m a i l o l i s i 。u 血a k 戆出了质量交换网的概念，并将用 水网络中杂质的传递类比与质量交换网络中质量的传递。 1 9 9 4 年，w a n g 和s m i t h 首钦提出了“水夹点”的概念，并将其应用到单杂 质的用水网络设计工作中。通过绘图法对新鲜水使用确定目标的方法引发了同时 将高低浓度两股物料按物质交换量对成分浓度作图的想法，这种方法基于以下假 设： a 单个操作过程中污染物含量恒定，这是一个相对的简单化的假设。 b 每个过程进出口物料的浓度最大化。这些由溶解度，流率限制，污垢含量 确定。 w a n g 和s m i t h ( 1 9 9 5 ) 演示了如何使用这种方法解决有流率约束以及水损 失的单元操作情况。然而，w a n g 和s m i t h ( 1 9 9 4 ) 这种打破回路的方法在用于 处理大型系统时却十分困难，因为人们开始认识到在每一步是否需要打破回路并 没有一定的标准。为了解决这个困难，w a n g 和s m i t h 通过使用水夹点来获取最 小流量目标，然后通过观察分析来确定设计网络。“水夹点”已被成功地用于多 套工业装置，一般可节省新鲜水2 0 3 0 。 然而，用水夹点来获取最小流量目标的方法不宜用于处理多于四或五个操作 的情况，直到1 9 9 9 年，m v a a r g a e 晦和h u a n 器又采用m i n l p 或n l p 模型 对水分配问题进行了优化。建立该模型的思路是，一旦最小流量目标设定，则开 始寻找不同的网络结构选择。出于这个目的，不同的目标函数都以最小化新鲜水 用量为限制条件，这些目标函数是： a 最小化连接数 b 最小化连接固定支出 c 必须的，禁止的匹配 浙江大学硕士论文 m i模型的数学表达式为： m i n c t ，+ o ，+ k s t 掣+ ；丘，+ 善一t t _ o 巧= t 巧一去= o 毛j t 一c j ： l _ 一目储o i 嘞( 器一( 瑚一劈q 慧+ 与2 0 f ，一p r e j e 0 哆一f l j o 一一u 弓。- c 0 ；k ，：k = 0 - 1 v j e n , t p k - = 毪 w h e r e ，i st h et a r c o t e df r e s hw a t e r j j 译h i i v j _ = t , f 弓 v j r 拓弓 可j 胃 j 婷n 1 6 ) 采用m i n l p 或n l p 模型对水分配问题进行优化的结果，仅仅保证了最少连 接数，并不保证投资费用最小化。因为减少管道问的连接数量可以减少改造成本， 但是，并非所有连接都要求相同的固定的资金投入，所以，最佳的模型必须增加 一个限制条件，即改造投资费用和年运行管理费用的最小化。 行1 q 。 2 0 0 0 年，s a v e l s l d 和b a g a j e w i c - z 提出了单杂质用水系统的必要条件，并据此 提出了单杂质用水系统的最优设计算法。该必要条件包括两个内容： a 最大化出口浓度：如果一个用水分布问题已经被最优化了，则所有新鲜水 使用过程都应当达到最大出口浓度。出口浓度较低但总体新鲜水消耗不变的退化 解也可能存在。然而，这些退化解可能是通过某些过程的流量变大了。因此，它 们不应当被优先考虑。 b 浓度单一性：如果一个用水分布的解决方法是最优化的，则每个过程的出 口浓度都不应当低于前面各路支流流入的合并管道中废水的浓度。换而言之，对 于一个确定的过程j ，则有o 一2 0 掣在这里l 耳f 是前面各路支流流入的合并管 浙江大学硕士论文 道中废水的浓度。 目前，水网络研究大多仅考虑物质流，而在实际应用中发现水温也是非常重 要的因素需要加以考虑。因此考虑研究节水优化的综合问题必然要考虑节能过 程，在这方面，u m i n t 大学的s a v u l e s c u 和s m i t h 等作了有益的尝试，他们采用： 能量夹点和水夹点组合的方法来解决问题，他们的研究对象为单杂质系统，且经 过了一些简化处理。至于实际中普遍存在的多杂质系统，目前还无人问津。 由此可见，经过这些年的研究，过程集成技术研究已经由最初的概念化设计 过程占完全主导地位，发展为目前的数学规划法设计占绝对优势的状况。工厂操 作过程的用水管理已从一个很低的起点发展为能够分析和解决复杂情况的成熟 领域。然而，现实中依然存在大量挑战，一些概念化的挑战仍然有待解决。 2 1 2 研究方法哆 目前，研究水分配网络综合方法主要有两类：一是目标设定法，二是数学规 划法。目标设定法相对简单，但在解决复杂问题上有一定的局限性，它先设定目 标，再进行网络结构综合，但没有考虑过程各部分之间的耦合关系。目标设定法 最典型的应用就是“水夹点”设计法，通过对用水网络以最小新鲜水用量或最小 再生水用量为目标，建立用水流股的总组合曲线。当供水线和它相切时得到“新 鲜水夹点”和“再生水夹点”，从而确定最小新鲜水用量f m m 、最小再生水用量 k 。、再生循环水流量v c l c ，然后在此目标下设计水网络结构。数学规划法严 格，但建模过程复杂，计算量大，求解比较困难。它在一定的约束条件下建立最 小化新鲜水费用的数学模型，或建立网络的超结构，并用n l p 问题来描述此超 结构；当一种或多种杂质可用不同处理单元去除时形成m i n l p 问题，然后进行 求解。 目标设定法和数学规划法的求解技术在水分配网络综合中已经得到了广泛 的应用。而且随着数学科学和计算机技术的发展，将二者结合起来解决问题更有 一定的优势。 浙江大学硕士论文 2 2 理论基础 2 2 1 水夹点技术基本原理妒国 夹点技术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 最早是由l i n n h o f fm a r c h 提出的换热网络 合成技术。后来，由于传热和传质过程的类似性，夹点技术的基本原理也扩展用 于新鲜水和废水的减量。一般来说，从一个用水单元出来的废水如果在污染物浓 度、腐蚀性等方面可以满足另一个用水单元的进口要求，则可以考虑为另一个用 水单元所用，从而达到节约新鲜水的目的。这种废水的重复利用是实现节水工作 的主要着眼点。 以单杂质过程为例，考虑一个用水单元在该单元中，物料通过与水接触， 在单元内物流和水之间发生质量传递，单元内物流中的杂质被水带走，达到净化 的目的，同时产生了浓度为c 。的废水，这个过程可以用图2 2 所示的负荷一浓 度图来表示。 浓度 o 图2 - 2 极限曲线 质量负荷 浓度最高的为单元内物料线，浓度较低的为单元内供水线。供水线斜率越大， 则单元内水流率越小。事实上，只要能够同时满足过程的最小传质推动力( 不 浙江大学硕士论文 同过程，千变万化) 、杂质的最大溶解度( 防止原料从过程中析出) 、设备 结琚、堵塞、挠腐饿，戳及固体鞭耨沉降匏激，j 、流率等方蕊豹要求，像予耪 料线下方的供水线都可能满足该单元的要求。假是，为了确定来自其他单元的废 水能否被本单元再利用的可能性，需要指定本肇元进口工慧水的最大进蛸浓度 c w i n ，搿a x 。羁薅，为了确定本单元搽作所需撰承蚋最夺流率，鬣袋指定本擎元邂日 工艺水的最大出口浓度c w o u t ，m a x 。这样就得到了该单元用水的极限曲线( 图2 - 2 中物料线下方的实线) 。 魏柒我铜要减少系统静露水爨，达至g 露水麓络的全局鼗德亿，必须嗣全局豹 眼光采分析整个系统。为了达到这个目的，需霾对所有用水举元迸行同时分析， 建立浓发限制复合瞧线，用浓度限制复合趋线代替分散的用水蝮线。构造极限本 复合曲线的方法与构造换燕丽络串的冷、热流体复合麴线静方法穗同。对予一个 系统而畜，极限复合曲线给出了整个系统对水成和水量的要求，可以据此确定最 小叛鲜水阕量，并邀一步设计用水嘲络。图2 - 3 表示了有4 个水露户组成的限俸 髓线。位于复合魏线下方的供求线均可满足供求要求。 浓度 0 图2 - 3 夹点图 凄量受蓊 霰是供表线入蟊密度为0 ，麓了傻所鬟薪簿容量达蔓| 最小，应该尽可熊罐大 其出口浓度，即增大供水线的斜率。当供水线的斜率增大到襁某点与复合曲线开 始相交雌，出口浓度达到最大，新鲜水用量达到簸小。交点的饺置就是所谓的“水 夹蠢”。魏薅供承线鹃籀率就代表了新鲜承楚澈巾霜东量。麓褥注意弱楚，夹点 并不表瓣在这一点的传质推动力为霉，而是代表潜系统内物流和水流之间存在最 浙江大学硕士论文 小推动力。夹点的产生除了是由于传质推动力的约束外，还可能是由腐蚀、堵塞 等因素引起的。设计时，对水夹点附近区域的匹配，应特别注意，一不小心水流 就可能超过限制浓度。然后，根据复合曲线与供水线，就可设计薪鲜水量最小、 水的重复利用率最大的水系统网络。水夹点技术虽可以保证最小用水量的目标， 但同时也给设计带来了不必要的麻烦，如分流、混合。在换热网络的简化中， l i n n h o f f 和h i n d m a r s h 采用能量松弛的方法，同理此法也可用于水利用网络的 简化。 图2 4 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 0 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 0 之前新鲜水流量保持l 。不变，新鲜水夹点浓度c 。= c 口。 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。这一循环流量可 以比由浓度低于c 。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( 相当于图中标记为a 的区域) 是： 舰一( 堙h ) = 坐学( 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：竺喾豢竺删c z z ， 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： 厶础= 丘+ k ( 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( 对应于图卜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： ) = + 堕铲x 1 0 3 ( 2 _ 4 ) 浙江大学硕士论文 g 0 越 警 图2 _ 4 2 2 2 废水减量的四种方法6 6 枷 在实际生产过程中，若想进一步降低新鲜水用量，还可以考虑水的再生再利 用。减少废水排放量通常依靠以下四种方法实现： ( a )过程改变( p r o c e s sc h a n g e s )过程改变可以减少对水的内在需求。例如： 用干空气冷却器代替湿冷却塔就可以达到节水的目的。 ( b )水回用( w a t e rr e u s e )在使用废水不影响操作效果的情况下，一个单元 操作所产生的废水可以直接应用于另外一个单元操作过程，这样可以直接减少新 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 5 ( a ) 。 ( a ) 再生回用( w a t e rr e g e n e r a t i o nr e u s e )一个单元过程产生的废水可以通过 再生操作，部分或全部处理除掉其中阻碍回用的杂质，然后用于其他单元过程的 用水操作。此处的再生过程包括任何去除废水中阻碍回用杂质的操作：可以通过 重力沉降、过滤、调p h 值、活性炭吸附、生化处理及其它过程来实现。再生减 少了新鲜水和废水的产生量，与水回用相比，也减少了废水中的杂质负荷。参见 图2 5 ( b ) 。 ( 4 ) 再生循环( w a t e rr e g e r a t i o nr e c y c l e )一个单元过程产生的废水可以通过 脱除其中的杂质再生后回到该单元过程循环使用。在这种情况中，再生水又回到 浙江大学硕士论文 原来的用水操作过程中实现了循环。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 5 ( c ) 。 新鲜水废水 新鲜水 废水 废水 ( c ) 图2 - 5 通过以上四个方法，实现废水排放最小化，其最高境界就是零排放。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。封闭回路的观点更有吸引力，因为管网末端 的再生过程不必再进行全部废水的处理，废水可以在更高污染程度下继续使用 ( 图2 6 ) 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， 浙江大学硕士论文 丑世l 。粼l 咽世j 一l l l f 蜒咂h 图2 - 6 零液体排放示意图 采用零排放方式解决废水问题无论在学术上，还是在实践上都从来没有被尝 试过，它给学术界和工业界带来的是强烈的挑战。然而，在特定的场合，有一些 结论却可以很容易得出。首先，许多单元操作要用到蒸汽，蒸馏所产生的蒸汽冷 凝水可完全回用，这样的零排放循环是可以实现的。在采用零排放过程中，废水 净化应相当彻底，可能会出现某些处理过程过于昂贵而难以承受；其次，除了一 些必须的再生和处理装置外，可能还必须含有一个昂贵的完全蒸馏过程，以防止 一些难以除去的特殊物质在系统中累积。 对于为数众多的现有企业的用水网络改造问对：7 甾午企业更关心网络改造后 ，i 能否带来经济效益，因此，在改造决策过程中，往往需要在水回用后所节省的资 金与管网改造所需投入资金之间进行比较。另外，水的再利用可能会受到地理条 件、操作过程或设计条件的限制。地理条件限制包括水回用设备之间的实际距离、 或者各个单元操作之间连接现状的限制，如果水回用还需要更新现有设备，情况 会变得更加复杂。在这种前提下，就必须考虑加强某些连接，或者禁止某些连接。 某些最佳再利用方案在理论上是可行的，但在实际上往往会由于技术上的限制而 难以实现，结果可能会导致全面水回用被降级处理，被迫增加新鲜水用量。在设 计上，水回用会受到现有容器、管道、泵或者压缩机的能力，以及腐蚀性问题的 限制。比如，以废水回用代替新鲜水通常需要增加流量或停留时间，可能会由于 现有设备无法满足而作罢。最优化废水回用流程还可能需要增加诸如管线改造， 更新泵等设备的费用。因此，在落实改造之前。需要对改造期间可能对年度生产 产值和利润的影响进行评估，减少投资的增加和对生产的影响，必要时对改造方 案进行适当修改。 浙江大学硕士论文 管网改造投资往往与用水过程之间的距离和高差有关，而且多是复杂的非线 性关系。如果采用这样的约束条件建立数学模型，其模型将会难于求解，因此， 需要找到一种既容易操作，又符合实际情况的水网络改造方法，这更具有现实意 义。所以，采用夹点技术及最优性必要条件对过程单元之间的水回用关系进行初 步分析，然后采用数学规划法或基于规则的设计方法对水回用系统进行设计， 般都能获得满意的结果。 浙江大学硕士论文 第三章电化厂水系统数据采集 3 1 水资源现状 3 1 1 气象条件 ( 1 ) 气温 年平均气温 绝对最高气温 绝对最低气温 最热月平均气温 最冷月平均气温 ( 2 ) 空气湿度 年均相对湿度 七、八月平均相对湿度 一、二月平均相对湿度 ( 3 ) 大气压力 年平均气压 极端最高气压 极端最低气压 ( 4 ) 降水量 年均降水量 日最大降水量 小时最大降水量 最大年降水量 1 5 8 3 8 一9 6 2 7 8 3 6 8 3 8 4 8 1 1 0 1 5 8 h p a 1 0 4 1 2 h p a 9 8 6 1 h p a 11 2 2 7 m m 1 4 4 8 m m 7 5 2 m m 1 5 4 7 7 m m 浙江大学硕士论文 3 1 2 水环境质量现状 氯碱公司电化厂紧靠的黄浦江既是生产装置最重要的取水水源，同时也要接 矗啊 纳电化厂生产过程中排放的无机废水。2 0 0 3 年上海市监测结果显岽彳麓浦江各 监测断面总体水质均达到功能区要求，仅个别项目超标。其中松浦大桥、闵行西 界和临江断面分别有3 项、2 项和3 项指标劣于类水标准，达到类水标准。 亦即氯碱公司电化厂所处的黄浦江段的水质适用于一般工业用水。 3 1 3 用水系统现状 目前上海氯碱公司电化厂的生活用水和生产用水分别来自深井水、市政水 ( 自来水) 和清江水。其中深井水仅供应电化厂集体宿舍使用；市政水用于电化 厂浴室、食堂和车间办公室的生活用水，以及危险化学品场所的洗眼器用水等； 清江水主要供应电化厂工艺用水和公用工程用水，其用量最大。表3 1 列出了 2 0 0 2 年电化厂各种水资源的实际消耗情况。由于清江水作为化盐工段的原料和 换热设备冷却介质，在生产过程中被广泛使用，所以清江水减量是本项目开展研 究的重点。清江水取自电化厂黄浦江取水口，由离心水泵送到水厂，加药剂沉淀 后由离心泵通过清江水管网向全厂生产装置和辅助设施供水。现有生产能力为 2 0 0 0 t h 的水道5 条，实际供水能力达8 0 0 0 t h 。 表3 1电化厂各种水源消耗量( 2 0 0 2 年) 用水种类市政供水 深井水 清江水 消耗量( 万吨) 1 6 32 8 3 3 8 1 5 用水单位名称用水量( 吨厌) 一车间 9 6 8 3 二车间 2 5 1 7 6 四车间 2 1 3 0 3 七车间 1 0 7 6 电气 1 9 3 7 水汽 1 9 3 7 销供 1 4 5 2 行政 3 3 8 9 工会三产 9 7 2 氟分厂 3 4 1 4 其他 6 1 9 总计 7 0 9 5 8 浙江大学硕士论文 3 1 4 废水排放系统现状 经过多次技术改造后，目前电化厂已经形成了四条废水排放系统： ( a ) 雨水收集排放系统。除储罐区和露天泵区容易受污染的初期雨水需收集 起来，送到无机或有机废水排放系统外，厂区雨水经过厂房周围的明沟和道路两 边的雨水口收集后，不经过任何处理，直接通过管道排到老俞塘流进黄浦江。 ( b ) 无机废水收集排放系统。电化厂作为基础无机化工原料生产厂，其烧碱 生产和加工区主要排出的是碱性废水，而在氯产品加工区排出的主要是酸性废 水。这些废水经过初步沉降分离除掉大部分固体杂质后，通过地下管网送到电化 厂中和池，将p h 值调节到中性后，排到老俞塘流进黄浦江。 ( c ) 生活污水收集处理系统。来自食堂、浴室、厕所等生活污水通过管网送到电 化厂生化处理池，通过活性污泥法暴气处理沉清后，用泵送到氯碱公司西区进行 二级处理，达标后排放。 ( d ) 有机废水收集排放系统。来自氯化石蜡工段和位于电化厂内的氟产品生产废 水，由于含有多碳化合物和氟离子，处理工艺比较复杂，处理成本也比较高，处 理效果不理想，直接排到黄浦江危害特别大，所以通过管网送到市政废水工程排 到东海。 综上所述，电化厂的4 条排水系统分别如下： 雨水收集黄浦江 无机废水收集中和池黄浦江 来自食堂、浴室、厕所等生活污水_ 一级生化处理氯碱公司水质 净化站 有机废水收集 - 上海市政北排工程进入东海 其中无机废水和生活污水工艺控制指标： 6 0 p h 9 0 。 通过以上分析，我们不难发现，雨水系统无法减量，生活污水主要跟厂里职 工数量成比例，正常情况也无法减量。但是，可以通过过程集成技术研究来实现 清江水减量，相应实现无机废水和有机废水的减排。 浙江大学硕士论文 3 2 水平衡测算报告 3 2 1 用水操作一览表 根据电化厂各车间2 0 0 4 年1 1 月份提供的数据，我们掌握了电化厂在满负荷 运行的情况下，各车间的实际用水情况，这份数据考虑了换热设备在高温季节最 差工况下的循环水流量。下列用水操作一览表指出了用水设备名称、用水量、用 b o 吐 水来源和废水去向等详细资料。其中表3 2 、表3 3 、表3 4 、表3 - 5 和表3 - 6 分别表示一车间、二车间、四车间、七车间和水汽车间用水情况。用水操作一览 表中“去向”一栏中，换热设备的“直排”表示用清江水冷却后，直接排至废水 沟进入有机废水管网或无机废水管网。 表3 2电化厂一车间用水操作一览表 用水操作点用水量( t h )用水目的水源去向 地表冲洗水 1 清洗清江水直排 化盐工段泵冷却水 1 0 间冷清江水直排 洗泥桶洗泥 1 0 清江水化盐 精制剂、絮凝剂配制 1 8 清江水化盐 三蒸发工段泵冷却水 1 0 间冷清江水直排 洗氢桶用水 5 0 直接接触冷却 清江水 直排 氢气锅炉 1 6 锅炉用水4 8 碱蒸汽冷凝水4 8 碱蒸发 化盐 1 5 工艺用水四车间树脂洗涤水电解 化盐 7 5 蒸汽管网电解 化盐 9 4 8 碱蒸汽冷凝水电解 化离心机盐 5 2 3 0 碱2 、3 效冷凝液化盐 洗炉 6 3 0 碱2 、3 效冷凝液3 0 碱蒸发 外卖 8 3 0 碱1 效冷凝液氟厂 补充循环水 1 4 3 0 碱1 效冷凝液双槽循环水 表3 3电化厂二车间用水操作一览表 用水装置用水操作点用水量( t h )用水目的水源去向 过氯乙烯配碱池 5 清江 水洗塔 2 洗涤 清江直排 热水箱 6 固碱段蒸汽凝水 浙江大学硕士论文 列管冷凝器 1 1 0 间冷清江直排 吸醛装置羚凝器 4 5 阅冷渣江壹攥 氯纯釜夹粪冷凝 8 阊冷清江直捧 次氯酸钠配碱池 2 清江 膜式吸收器 1 6 间冷清江 直排 冷却器 4 3 闻冷涛江直排 滚氯、氧龟麓洗巍 1 5 洗涤渍茳壹撵 纳氏泵冷却 4 2 4 间冷清江直排 热水箱 3 5 清江 盐酸吸收水 4 ( 6 )溃江回用产品 氢气框及农葑 l o 融1 5 0 涛i 直捧 氯化石蜡尾气塔 6 洗涤 清江盐酸吸收水 冷凝器 2 4 间冷清江直排 氯化釜冷却 2 4 闻冷清江直排 垂簸黧李雾空漆 l 洗涤渣汪壹捺 欧酸尾洗塔 6 洗涤清江直排 尾气洗涤塔 6 洗涤清江直排 空气、氢气冷却水 5 间冷清江直排 氧于燥氯气一钛冷帮 2 5 0 润冷漳江直接 氯求冷却 4 5 2 简冷 清江直簿 尾气塔碱冷却 4 5 2 问冷清江直排 袭3 一 毫健厂嚣率窝耀承操偿鼙表 用水操作点用水量( t h )用水目的水源去向 电解槽4 0工蕊用水纯水产品 树熙再生、靖洗过滤器 1 5洗涤缝求化盐 泵密掰冷却 7 5阚冷缝塞 直接 表3 - 5电化厂七车间及水汽车间用水操作一览表 用瘩搽终点黥农量( 馥)塌承霹静农瀑去匈 泵镪封5清江直箨 洗涤5清江 直排 工芑甩水 2 0 清江 生活及分据恁农1 0渍汪 f循环水补承 2 6 清江蒸发、飞溅 水汽车间循环水排污7 2直排 水汽车问循环补水1 4 0清江 蒸发、飞溅 表3 - 6 电亿厂循环水一览褒 一2 l 一 浙江大学硕士论文 循环水名称用水设备 流量( t h )循环水名称 用水设备 流量( t h ) 1 0 0 0 t 透平循环水二车间透平 1 2 0 7 0 0 t 循环洗氢桶 1 0 0 才( f 2 透平中问冷却 1 0 0 烧碱冷却 1 0 0 f 2 整流冷却 8 0 淡盐水脱氯冷却 7 0 f l 透平中间冷却 1 0 0 氯水、氯气冷却 2 4 0 f l 整流冷却 8 0 循环吸收冷却器 1 5 0 m o o t 循环水氯气冷却 8 0 盐酸循环水石墨冷却器 6 2 3 氯气、氯水冷却 l o o 合成炉冷却 8 2 7 尾气吸收冷却 1 2 0 膜式吸收器冷却 3 5 0 烧碱冷却 1 0 0 双槽循环水三蒸发负压效冷却 2 0 0 0 跳槽开关冷却 1 5 4 8 浓碱冷却 1 2 0 氢气洗涤 8 0 双效蒸发减压效冷却 8 0 0 淡盐水 7 0 固碱减压效冷却 4 0 0 压缩氢冷却 5 0 冷凝水冷却 6 0 压缩机冷却 1 0 三蒸发浓碱冷却 8 0 片碱机 1 5 0 3 2 2 用水操作去向图 为了更直观地描述各车间、各系统内部现有工艺用水情况和循环水使用情 况，对电化厂各车间主要用水系统内的水去向，采用作图方式进行表述，图中的 数据分别与表3 2 表3 - 6 中的数据相对应。图3 1 、图3 2 、图3 3 和图3 4 分 别表示一车闻、二车间工艺、四车间、七车间的工艺用水图和电化厂循环水系统 图，图中流量数据均以小时耗量为单位。循环水系统图中的数据表示每小时循环 水流量。由于循环水冷却塔的工作原理是通过与空气换热，以及水分蒸发来实现 循环水降温，水中的不溶物会不断浓缩，需要通过砂滤器过滤，滤饼通过反冲洗 排出系统，所以循环冷却水装置需要连续补充一定流量的清江水。补充量由循环 水回水温度、环境状况以及清江水水质等因素决定，通常控制在循环水流量的 2 5 左右。 浙江大学硕士论文 图3 - 1电化厂一车间工艺用水图 排下永 图3 2 电化厂二车间工艺用水图 2 3 水 浙江大学硕士论文 四车间七车间 图3 - 3 电化厂四、七车间工艺用水图 一2 4 排下水 浙江大学硕士论文 电气车问 循环水赋习蔼匡野叫将 丫四车间f 2 鲎野珥鼍需 l 四车问透甲 间冷却r h i 忝刍 i i 鬟要司塑业! ：严蕊幕 堡塑r 1 莓笳” l3 5 4 m3 器乎p 斗哟赢 水冷却广1 _ 叫氢气抗涤 雪0 03 冷却广1 _ 叫投盐水 1m 烧碱冷却 图3 - 4 电化厂循环水系统图 - 2 5 浙江大学硕士论文 第四章水系统集成优化改造方案 4 1 电化厂各车间用水情况分析z ，) 湖 4 1 1 一车间用水情况分析 ( 1 ) 化盐工段 与l o 万吨年隔膜碱生产配套，化盐需要消耗清江水3 9 一h ，同时幂用蒸发 单元的碱性蒸汽冷凝水6 8 5 3 h ，以及离子膜烧碱装置螯合树脂塔再生时的洗涤 水和回收盐水1 5 3 h 。这些水用在配制精制剂、絮凝剂、洗涤盐泥、泵冷却、地 表冲洗等地方，最后都进入盐水大桶配制化盐水，再用泵送到化盐桶重饱和，制 得粗盐水。由于原盐中含有c a “、m 9 2 匍其他杂质，化盐过程需要通过精制剂n a o h 和n a 0 。与c a ”、 1 9 2 + 反应，生成i g ( o h ) 。和c a c o 。，通过沉淀分离，再经过砂 滤器过滤，形成精制盐水。显然，本工段对水质要求一般。c a ”、m 9 2 + 都可以通过 化学反应和沉降方法进行分离，水质要求主要是控制有机物含量。从盐水处理过 程和电解工序对盐水的要求看，化盐用水应尽量降低c a ”、m 矿的含量，以降低 纯碱等药剂的消耗量。同时著回用水源有较高温度，还可以降低加热盐水所需的 蒸汽用量。 ( 2 ) 4 7 型电解工段 该工段通过用直流电电解精制盐水生产隔膜碱，主要用水设备是洗氢桶，需 用清江水5 0 m 3 h ，洗涤来自电解槽的、温度将近9 0 0 c 、含有饱和水蒸气和少量 碱雾的氢气。从电解槽出来的氢气在洗氢桶内与清江水直接接触，可以降低温度 和脱除从电解槽夹带出来的碱雾。因而该处废水是略含碱性的中温水，不存在其 他污染物，可以考虑增加换热设备，使洗涤水循环使用，其热量可以通过与双槽 循环水换热来移除。 ( 3 ) 蒸发工段 该工段有三效四体和双效蒸发两种蒸发工艺，前者用来处理隔膜碱生产3 0 液碱，后者用来加工离子膜烧碱，生产4 8 碱液。 浙江大学硕士论文 三效四体蒸发器总共产生8 0m 3 h 的蒸汽冷凝水，其中： ( a ) i 效蒸发器排出蒸汽冷凝水2 2 一h ，由于是蒸汽冷凝水，水质很好，其中8 一h 外卖氟分厂用作无离子水，剩下的1 4 岔h 进入双槽循环水水池。进入双槽 循环水的这部分蒸汽冷凝水既浪费了热量，同时也增加了冷却塔的负荷。 ( b ) 其他几效蒸发器的蒸汽冷凝水共5 8 母3 h ，都是碱液蒸发出来的二次蒸汽的 冷凝水，含有一定的碱性。其中5 2m 3 h 用于溶化离心机分离出来的盐生成熟盐 水，之后送到化盐工段配制化盐水，另外6 3 h 用于清洗蒸发器内的盐结晶。 由于洗蒸发器的水要进入蒸发室，水质要求高，以防止杂质污染产品，同时温度 高对清洗有利，用冷凝水很合适。