水系统优化在某钛白粉厂的应用——数学规划法.pdf

化 工 进 展 CH E M IC A L IN D U ST RY A N D E N G IN E ER IN G PR O G RE SS 2011 年第 30 卷第 6 期 水系统优化在某钛 白粉厂的应用 数学规划法 米小娟 徐竟成 黄菊文 梁永利 阮 星 李光明 同济大学环境科学与工程学院长江水环境教育部重点实验室 上海 200092 摘要 钛白粉行业是化工行业中的耗水大户 具有较大的节水潜力 本文在对某钛白粉厂水系统现状进行调 研的基础上 采用数学规划法 分别从废水直接回用和再生循环两方面对其水系统进行优化设计 结果表明 改造后 的两种 水系统均比改造前 节约新 鲜水用量 40 0 并且废水直接回用更加适合钛 白粉行业开展节水工作 关键 词 钛 白粉行 业 水系统优4t5 数 学规 划法 中图分类号 T Q 021 8 T Q 085 文献标志码 A 文章编号 1000 6613 2011 06 1384 05 A p p l i c ati o n o f w a ter sy stem o p ti m i za ti o n i n a ti ta n i u m p i g m e n t p l a n t Math em ati c a l p ro g ra m m i n g M IX i aojual l X U Ji ngc heng H UAN G Juw en LIAN G Yongl i R UAN X i ng LIG uangm i ng K ey L ab o ratory of Y an gtze A qu ati c E n vi ron m en t M i ni stry o f E d uc ati on C ol l eg e of E nv i ro nm ental S c i enc e an d E ngi neeri ng T on i U ni versi ty Shan ghai 200092 C hi na A b strac t T i tani u m p i gm ent i nd ustri es c onsum e a l arge am ou nt of fresh w ater w i th enorm ous potenti al of w ater savi n g C om b i n ed w i th th e i nvesti gati on of present w ater sy stem of a ti tani u m p i gm ent pl ant di rec t w aste w ater di rec t reu se system and regenerati on c y c l i ng w ater system w ere d esi gn ed by m athem ati c al pro gram m i n g T he resul ts sho w ed m at fresh w ater c o nsum pti on c oul d b e saved by 4 0 0 respec ti vel y i n d i rec t w aste w ater d i rec t reuse system and reg enerati on c yc l i ng w ater system an d w aste w ater d i rec t reu se i s a b etter w ay for w ater sav i n g of ti tan i um pi gm ent i ndu stry K ey w ord s ti tan i u m p i gm en t i n dustry w ater sy stem opti m i zati on m ath em ati c al program m i n g 水是工业的血液 现代工业生产尤其需要大量 的水 水在工业中主要用于生产过程 中的冷却 锅 炉和原料用水以及处理和洗涤产品 同时 工业生 产也排放大量废水I10 鉴于我 国工业废水除少数污 染严重外 大部分经简单处理后可重复使用 因此 需要采取有效的措施 实现工业废水回用 节约新 鲜水用量和减少废水排放量 常规 的节水策略通常着 眼于单个用水单元或 局部用水系统 而水系统集成技术把企业的整个用 水系统作为一个有机的整体来对待 能取得最大的 节水效果 因此成为当前研究的热点 目前 水系 统集成技术可分为两大类 即水夹点分析法和数学 规划法 近年来也有将 以上两种方法组合应用的研 水夹点技术的优点是形象直观 物理意义明 确 但设计过程相当复杂 且无法有效地进行多杂 质用水系统的优化构建 相 比之下 数学规化法在 处理多杂质用水系统 问题的情况下是更为有效的工 具I61 水系统集成技术的应用研究已经涉及到多个 生产行业 比如炼油厂 电化厂 聚氯 乙烯厂和甲 醇厂 加 其 中某些研究 已经得到成功地应用 节 水率达 20 30 钛 白粉的工业生产方法有氯化法和硫酸法两 种 国内钛 白粉的工业生产方法应用较广的是硫酸 收稿日期 2010 10 20 修改稿 日期 2010 11 03 基金项目 中 日国际科技合作项目 2009D FA 92 140 及上海市国际科 技合作项 目 09160708000 第 一 作 者 米 小 娟 1979 一 女 博 士 研 究 生 E m ai l m i xia uaIl 79 126 c orn 联 系 人 李 光 明 教 授 E m ail li gm tongji edu c n 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 6 期 米小娟等 水系统优化在某 钛白粉 一 的应用 数学规划法 法 n 此法生产过程需要消耗大量的新鲜水 并排 放大量的酸性废水 亟待优化其用水系统 但水系 统集成技术在钛 白粉厂的应用研究至今未见报道 鉴于本文研究对象 某钛白粉厂是大规模多 杂质用水系统 且存在废水的再生循环 因此选 择数学规划法 从废水直接回用和再生循环两方 面对其水系统进行优化设计 并对两种方式进 行 了对比分析 1 数学规划法优 化水 系统的一般步 骤 0 1 1 确定水源和水阱 水系统优化的实质是把所有水源和 水阱组成 的水系统看成一个有机的整体 因此水源和水阱的 确定是最基础的工作 水源和水阱可被定义如下 每一个用水单元都有可能使用新鲜水和从其它单 元来的水 成为接受它们来水的潜在水阱 从某 一 个用水单元出来的水都可 以进入其它单元 成为 供给它们水的潜在水源 对于严格限定水源水质 的 水阱 如只能使用新鲜水 或者无节水潜力的用水 单元出水可不作考虑 以减少变量数l J引 1 2确定关键污染物的组分 在水系统集成的实际应用中 水中杂质种类的 合理确定是获得较优的水系统而且使新鲜水用量和 废水排放量达到最小的关键 杂质种类取得过多 则优化过程过于复杂 杂质种类取得过少 未考虑 的杂质种类可能对一些单元的操作产生影响 在实 际应用 中 水中杂质种类的确定遵循 以下两个原则 选取对整个系统的废水回用产生较大影响的物质 作为关键污染物 将几种作用 特点相似 的污染 物种类进行合并I4J 1 3确定关键污染物极限进出口浓度 水 中关键污染物极限进出 口浓度的合理确 定 是获得较优系统的另一个关键 因素 极限数据取值 偏小 则不能达到较好的节水效果 反之 若极限 数据过大 则设备有可能无法正常运行 确定关键 污染物极限浓度的方法是理论分析 经验判断和实 验验证 实际应用中参考 以下两项原则 对于已 知的明确禁止引入某些杂质的单元 将该杂质极限 进口浓度设为零 这样含有该杂质的其它单元的排 水就不能用于该单元 对于排水中含有可能进入 产品或某种不可能被其它单元再利用的杂质 的用水 单元 认为它的出口浓度为极大值 这样其它单元 就不会用到这种水 j 1 4建立水系统数学规划模型 在建立数学模型之前 需要建立能用数学模型 描述的物理模型 为了涵盖所有可能的系统结构 需要建立系统的超结构 常规水系统超结构建立的 基本思路是 每个用水单元都有可能使用新鲜水和 从其它单元来的水 成为水阱 从每个用水单元出 来的水都有可能进入其它单元 成为水源 建立该 超结构后 就可以建立数学规划模型 一般来说 废水主要有两种回用方式即直接回用和再生循环 用非线性数学规划 P1 5 优化初始水系统 可以得到 直接回用水系统 P 1 以所有用水单元的最小总新鲜 水用量为 目标函数 以每个单元的极限入口浓度 出口浓度及固定杂质传递负荷和每个单元的水质量 平衡为约束条件 用非线性数学规戈 0 P2 对初始水 系统进行优化 可以得到再生循环水系统 P2 的目 标函数与 P1 相 同 约束条件比 P1 增加了再生单元 水质量衡算 见式 1 式 8 1 4 1非线性数学规划 P l 1 目标 函数 2 约束条件 一 Cj out X c llmF 0 2 J l C lim C lim F Am 3 J xi j W 一 x 0 4 式中 为最小新鲜水总量 t l 1 为单元 i的新鲜水用量 t h c 为单元 i的极限入 口浓度 m g L C iom 为单元 i的极限出口浓度 m g L 为单元 的实际出口浓度 m g L X 为单元 J 排 至单元 i的水流量 t I1 w 为单元 i的废水排放量 t h Am 为单元 i的质量负荷 kg h 1 4 2 非线性数学规划 P2 1 目标函数 同式 1 2 约束条件 c 怒 一 Cj outIx c llm F C Ix 0 5 J c lim 一 Cj outIx lim F 十 lim 一 C Am 6 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 化 工 进 展 2011 年第 30 卷 F X Xi r W 一 X 一 X 0 7 j j i X X 8 式中 为废水再生后浓度 m g L X i 为再 生单元供给单元 i的再生循环水量 咖 f为单元 i排至再生单元的废水量 t h 对上述用水系统设计所形成的数学模型 通过 代数建模系统 general al gebrai c m odel system G A M S 优化求解 l 得到新鲜水去往各单元的流 率与各单元之间的水流率 从而得到用水系统 7 1 5水系统调优 在优化过程中 参照 3 个原则进行水网络调优 将流量小于 1 t h 的回用水改用新鲜水 整合污 染物浓度相近 的回用水管路 摒弃流量较小且污 染物浓度较高的回用水管路 2某钛 白粉厂水系统优化设计 2 1水阱和水源 某钛 白粉厂水系统涉及 20 多个生产操作单元 根据分析 选定 8 个主要 的用水操作单元作为废水 直接回用水 系统优化的水阱和水源 它们分别是 晶种制备 一洗 二洗 金红石型 二洗 锐 钛型 煅烧尾气处理 三洗 清洁循环和酸性循 环 废水再生循环水系统除 以上 8 个操作单元外 还包括废水 再生单元 该厂水系统水源和水阱如 表 1 所示 2 2特征污染物组分 各操作单元排水 中的污染物种类众多 包括 F e2 M n C a2 Mg N a K Z n P O 43一 表 1水阱和水源一览表 SO 42 和 C O 32 白度是钛 白粉的一个光学性质 Fe 含量过高 会影响钛 白粉的白度 氧化铁含量大于 0 003 对金 红石型钛 白粉色相就有十分明显的影响 锐钛型钛 白粉氧化铁含量大于 0 009 才发生色彩反应 1剞 如 果回用水 中 Fez 的浓度超过 了用水单元的浓度 限 值 会生成过量 的 Fe2o 3 存留在偏钛酸中会影响 成品的白度 M nz 的影响与 Fe 类似 钛铁矿中氧 化铁的含量约占 40 而氧化锰的含量不到 1 因此选择 Fe 为特征污染物 光的散射 即漫反射是形成 白色颜料重要 的光 学效应 消色力和遮盖力的物理原因 当钛 白粉 中含有 1 2 粒径大于 0 5 gm 以上的粒子时 则 对产品光学性能造成有害的影响 1钔 C aSO 为白色 晶体 粒径 4 gm 因此 如果钛 白粉中硫酸钙的含 量超过极限值 会通过影响漫反射对钛 白粉的折射 率 消色力和遮盖力等产生重要的影响 某钛 白粉 厂的排放废水主要是酸性废水 采用电石渣中和法 对其进行处理 处理后废水中 C a2 的浓度很高 如 果直接将废水回用到生产用水单元 会生成大量的 硫酸钙沉淀影响成品的质量 如果采用适 当的再生 方法对污水处理站排水进一步处理 降低其 C az 浓 度 使其不至影响钛白粉的质量 便可 以实现废水 的回用 M g2 的影响与 C a2 类似 处理后的废水中 含有大量 C a2 而钛铁矿 中 M gO 的含量不到 5 因此 选择 C a2 为特征污染物 Z n抖 N a K PO 4 SO 4 和 C O 32 来源于 盐处理剂和湿磨粉机分散剂 含量很低 而且氧化 锌 氧化钠和氧化钾为白色氧化物 对钛白粉 白度 没有明显影响 综上所述 根据关键污染物的确定原则 结合 某钛 白粉厂各操作单元排水中污染物来源 种类 浓度及对各单元影响的分析 选取对整个系统的废 水回用产生较大影响的物质作为关键污染物 并将 几种作用 特点相似的污染物种类进行合并 最终 确定 Fe 和 c a 为关键污染物 2 3 关键污染物极限进出口浓度 该厂采用硫酸法钛 白粉生产工艺 钛 白粉的生 产过程也是除去钛铁矿中杂质离子的过程 用水单 元的主要作用是洗涤浆料以除去影响钛 白粉白度的 杂质离子 Fe 记为 A 则用水单元的排水中会引 入 A 硫酸法钛 白粉生产工艺排放大量酸性废水 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 6 期 米小娟等 水系统优化在某钛白粉厂的应用 数学规划法 该厂采用电石渣中和沉降法处理废水 则废水站排 水中含有大量的 C az 记为 B 废水站排水经过再 生过程处理之后 回用到各个用水单元 经过再生 过程之后 杂质 A 的浓度为 3 m g L 杂质 B 的浓 度为 200 m g L 通过现场调研 理论分析和辅助 的 实验验证 最终确定该钛白粉厂水系统的极限过程 数据如表 2 所示 2 4 水系统优化设计及调优 分别用数学规划 P 1 和 P2 优化该厂的初始水系 统 得到的直接回用水系统和再生循环水系统的新 鲜水用量均为 174 6 t h 比初始用水系统的新鲜水 用量降低 40 2 参照前面所述的调优原则 对优 化后 的两个用水系统进行调优 摒弃单元 8 到单元 5 和单元 6 的回用水管路 这部分回用水直接改用 新鲜水 调优后 的直接 回用水系统和再生循环水系统 分别如 图 1 和 图 2 所示 新鲜水用量均为 175 2 t h 比初始用水系统的新鲜水用量降低 40 0 节水率 相同 废水再生循环并未达到进一步节水的目的 这是由钛 白粉的生产工艺所决定的 调优后的两个 表 2 某钛 白粉 厂水 系统极限过程数据 用水单元 i 污染物 c l in g L 1 l i ra m g L I1 t h 22 5 三 0 4 塑 兰 兰 恒 篙 嚣 过程 8 4 0 3 羽 13 34 22 7 一 一 H 3一 P 一 32 1 l 175 2 7jr 一 22 1一 I 一 新鲜水 口 j用水 一 废水 图 l 某钛 白粉厂直接 回用水系统优化 结果单位 t Il 12s 0 捩水 新鲜水 一刚用水 废水 图 2某钛 白粉厂再生循环水系统优化结果单位 t h 水系统的管道连接数同为 2O 条 再生循环较直接回 用增加了 3 条水回用管道 减少了 3 条废水排放 管道 从经济成本 的因素考虑 废 水再生循环需 要加设再生单元 势必增加水处理和设备运行维 护的费用 3 结 论 从 以上对某钛 白粉厂水系统 的优化可以看出 本研究可以为构建新鲜水用量低 的钛 白粉行业水网 络 实现节水提供科学依据 通过对某钛 白粉厂水 网络的优化和分析 得 出以下结论 1 从废水直接回用和再生循环两种方式分别 对该厂进行水系统优化设计 结果表明 仅考虑节 水量的情况下 改造后水系统的节水率达到 40 0 成效显著 2 废水直接回用水系统和再生循环水系统的 节水率相同 管道连接数相同 但废水再生循环增 加了水处理和设备运行维护的费用 水系统优化更 加适合钛 白粉企业开展节水工作 参考文献 l 1 全国节约用水办公室 全国节水规划纲要及其研究 1 南京 河 海大学出版社 2003 52 61 下转第 1390 页 3 7 4 6 D 如 似 加 似 甜 槲 o m 0 o 0 m m 加 咖 A B A B A B A B A B A B A B A B 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1390 化 工 进 展 2011 年第 30 卷 表 1改造前后循环水出水温度的比较 延长了水在塔内的停留时间 能够保证充分热交换 达到降温要求 改造前后循环水出水温度的比较见表 1 3 降低 了设备维修成本 无填料凉水塔配水系统一次投资约 2O 万元 使用寿命为 l 2 年 原凉水塔填料使用寿命为 4 年 费用为 12 万元 次 l 2 年更换 3 次填料的费用为 36 万元 折合每年维护成本节约费用约 1 3 万元 另外由于 G PL 高效低压离心雾化装置不存在 填料老化 变形 破损及微生物滋生等现象 不会 因此造成后工序设备堵塞 减少了其它设备的维修 费用 4 降低 了循环泵运行费用 由于三元流叶轮 直径减少 出口宽度增大并且 叶片进口边 向来流进 口伸展 减少了进口损失 提 高了循环水泵的效率 在系统压力不变的情况下 电流 由原来的 51 A 下降到 45 A 节电约 11 76 4 结 论 通过对填料式冷却塔的系统改造 克服了由于 填料老化 变形 破损等原因造成的堵塞 换热盲 区和换热不均匀等缺点 使液滴能够与空气充分接 触 换热效率明显提高 循环水温差增加 延长了 循环水 的使用周期 压缩 了其它制冷机组的开车时 间 大大降低了产品的单耗 由于填料改为 G PL 高效低压离心雾化装置降低了凉水塔的系统压力 降低了风机的电流而节约了成本 并且由于系统压 力降低而使泵的背压降低 且采用了先进的三元流 叶轮 提高 了泵的效率 通过对填料式凉水塔进 行改造 并考虑每一个节能环节后 凉水塔系统 的运行 费用及维修成本大大 降低 取得了很好 的 经济效益 2 2 芗 汐 2 芗 上接第 1387 页 2 中华人 民共和 国水利 部 中国水 资源公报fD B O L http w w w m w r go v c n 19 9 7 2 00 8 3 戴铁军 程会强 我国工业用水量分析与节水措施fJ 工业水处 理 20o8 10 10