第36卷第4期化學(xué)工程Vol. 36 No.42008年4月CHEMICAL ENGINEERING( CHINA)Apr.2008水系統(tǒng)集成技術(shù)在甲醇廠的應(yīng)用王天華，馮霄(西安交通大學(xué)化學(xué)工程系，陜西西安710049)摘要:水系統(tǒng)集成技術(shù)是把整個(gè)工業(yè)用水系統(tǒng)作為-一個(gè)整體來看待,并考慮水質(zhì)、水量的分配,從而使系統(tǒng)用水的重復(fù)利用率達(dá)到最大,同時(shí)廢水排放量最小。甲醇企業(yè)是用水和廢水排放的大戶,將水系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用于甲醇工業(yè),具有重要意義。文中結(jié)合水系統(tǒng)集成技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀,總結(jié)了水系統(tǒng)集成技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中應(yīng)用的-般步驟,具體分為以下幾步:選定目標(biāo)系統(tǒng),明確水源水阱,確定關(guān)鍵污染物組分和極限進(jìn)出口依度,生成初始網(wǎng)絡(luò)和用水網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)。并以某甲醇廠簡(jiǎn)化的用水系統(tǒng)為實(shí)例.采用文中所提出的一般應(yīng)用步驟,對(duì)用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化,獲得了新鮮水節(jié)水率達(dá)34. 5%的節(jié)水效果。關(guān)鍵詞:水系統(tǒng)集成;甲醇廠;夾點(diǎn)技術(shù)中圖分類號(hào):TQ 021.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-9954(2008 )040071-04Application of water system integration technique in a methanol plantWANG Tian-hua, FenG Xiao(Department of Chemical Engineering, Xi' an Jiaotong University , Xi' an 710049 , Shaanxi Province, China)Abstract: W ater system integration considers how to alcatle water in a water system with the water utilizationprocesses in a plant treated as an organic whole, and thus increasing water reuse and decreasing wastewalerdischarge. Methanol industries consume a large amount of freshwaler and discharge a large amount of wastewater.So the application of water system integration in methanol plants is very important. Combined with the present statusof application of water system integration, the general steps about the aplication of water system integration irindustries were summarized. The major steps are as follows: selecting the system, speifying water source8 andwater sinks, determining the key contaminants and the limiting inlet and outlet concentrations of contaminants,generating the initial network , and adjusting the water network. The application of water system integration in amethanol plant was discussed by using the steps proposed. At last, the optimal design of water utilization networkswas achieved by combination of water pinch analysis and mathematical programming, and a good result of saving34. 5% freshwater was obtained.Key words :water system integration; methanol plant; pinch technology隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,水資源匱乏及污染加劇水夾點(diǎn)技術(shù))與數(shù)學(xué)規(guī)劃法。已嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。與此同時(shí),國(guó)內(nèi)許多工水夾點(diǎn)技術(shù)于20世紀(jì)90年代中期提出,主業(yè)企業(yè)的新鮮水單耗廢水單排均比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家要適用于單雜質(zhì)用水系統(tǒng),是水系統(tǒng)集成技術(shù)中使大,節(jié)水減排已成為企業(yè)發(fā)展過程中不能回避的重用最為廣泛的方法之一。它是將用水單元操作簡(jiǎn)化要問題之一。為一個(gè)從富雜質(zhì)過程流股到水流股之間的質(zhì)量傳遞水系統(tǒng)集成技術(shù)就是把整個(gè)用水網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)過程。水夾點(diǎn)可以給出用水系統(tǒng)的瓶頸。.整體來對(duì)待,考慮如何分配各用水單元的水量和水?dāng)?shù)學(xué)規(guī)劃法( -1] 主要用于多雜質(zhì)復(fù)雜系統(tǒng)中,質(zhì),使系統(tǒng)的重復(fù)利用率達(dá)到最大,同時(shí)廢水排放量能有效地優(yōu)化用水網(wǎng)絡(luò),并且可以同時(shí)得到系統(tǒng)的達(dá)到最小。最優(yōu)目標(biāo)值和達(dá)到該目標(biāo)值的相應(yīng)的水網(wǎng)絡(luò)。水系統(tǒng)集成方法可分為兩大類,即圖示法(如水系統(tǒng)集成技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于煉油廠[5、基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20436040)作者簡(jiǎn)介:王天華(1984-) ,男,碩士研究生,研究方向?yàn)樗到y(tǒng)集成,電話:(029 )82668980;馮霄通訊聯(lián)系人,E mail:xfeng@ mil. xjtu.edu. cn。化學(xué)工程2008 年第36卷第4期氯堿廠、熱電廠中,節(jié)水率達(dá)20%- 30%。 英國(guó)通過分析.對(duì)比、簡(jiǎn)化、假設(shè)等手段"來完善。Monsonto 公司1995年對(duì)7套生產(chǎn)裝置進(jìn)行了水夾1.5 生成初始網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)分析與應(yīng)用,取得了節(jié)水30% ,減少污水處理量實(shí)際上,企業(yè)的水供應(yīng)及廢水排放管網(wǎng)要復(fù)雜75% ,減少投資費(fèi)用1 150萬美元的效果(6]。得多,且系統(tǒng)-般為多雜質(zhì)的情況。為了生成水系甲醇是重要的大宗的化工原料,甲醇企業(yè)是用統(tǒng)的初始網(wǎng)絡(luò),需要專門的水系統(tǒng)集成建模與集成水和廢水排放的大戶,但水系統(tǒng)集成技術(shù)在甲醇工工具軟件來完成這項(xiàng)工作,如美國(guó)Aspen Tech開發(fā)業(yè)的應(yīng)用研究,至今還未見報(bào)道。的Aspen Water8] 和Linnhoff March 公司開發(fā)的本文首先總結(jié)了水系統(tǒng)集成技術(shù)在工業(yè)企業(yè)中Water Target[9)就是這樣的工具軟件。應(yīng)用的一-般步驟,然后,采用水系統(tǒng)集成技術(shù)對(duì)某甲將用水單元的極限數(shù)據(jù)代人到水系統(tǒng)集成建模醇廠的水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化集成。與集成工具軟件中,生成用水網(wǎng)絡(luò),即為初始網(wǎng)絡(luò)，初始網(wǎng)絡(luò)通常需要調(diào)優(yōu)。1水系統(tǒng)集成工業(yè)應(yīng)用的一般步驟1.6用水網(wǎng)絡(luò) 調(diào)優(yōu)水系統(tǒng)集成在工業(yè)中的應(yīng)用大致分為如下6步為了使網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)潔、實(shí)用、可行,對(duì)初始網(wǎng)絡(luò)作適進(jìn)行。當(dāng)?shù)恼{(diào)整很有必要。1.1 選定目標(biāo)系統(tǒng)調(diào)整原則通常如:①優(yōu)先考慮同一車間或裝置水系統(tǒng)集成的核心思想是整體性。在選定目標(biāo)內(nèi)部用水匹配,目的是簡(jiǎn)化水網(wǎng)絡(luò),減少企業(yè)實(shí)際架系統(tǒng)時(shí),毫無疑問,應(yīng)著眼于全[用水系統(tǒng)。有時(shí)如設(shè)管路等費(fèi)用;②盡量減少用水單元的供水水源數(shù),果一些用水單元不能參與系統(tǒng)集成,則這些單元在對(duì)水量相當(dāng)?shù)乃磁c水阱優(yōu)先匹配,這-步也能有選擇目標(biāo)系統(tǒng)的時(shí)候不予考慮,以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。效降低網(wǎng)路的復(fù)雜性,減少投資資本;③去除水量相1.2確定水源水阱對(duì)少的水流,能有效降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,使設(shè)計(jì)切實(shí)水源水阱可被定義如下:每一個(gè)用水單元都有可行?？赡苁褂眯迈r水和從其他單元來的水,成為接受它們的來水的潛在的水阱;從某一個(gè)用水單元出來的2甲醇廠水系統(tǒng)集成水都可以進(jìn)人其他單元去用,成為供給它們水的潛甲醇工業(yè)中水有兩大用途:一方面是作為工藝在的水源。對(duì)于嚴(yán)格限定水源水質(zhì)的水阱(如只能用水消耗,另-方面作為換熱或清洗用水。水的主使用新鮮水)或者無節(jié)水潛力的用水單元出水可不要類型可分為新鮮水脫鹽水、蒸汽、冷凝液等,其中作考慮,以減少變量數(shù)。脫鹽水主要用來產(chǎn)生蒸汽。蒸汽的利用又可以分為1.3確定關(guān)鍵污染 物組分二類:工藝蒸汽和換熱蒸汽,工藝蒸汽在甲醇生產(chǎn)過沒有準(zhǔn)確的關(guān)鍵污染組分的判定,所謂的進(jìn)出.程中消耗,換熱蒸汽在滿足熱量交換的前提下形成口濃度就失去了意義,進(jìn)而影響到后來的優(yōu)化結(jié)果。了冷凝液。此外排污也相當(dāng)復(fù)雜,一般會(huì)含有工業(yè)水系統(tǒng)中,雜質(zhì)種類通常較多,并且不同的COD、BOD、懸浮物等。用水單元可能含有不同的雜質(zhì)。例如煉油廠循環(huán)水某甲醇廠以天然氣為化工原料生產(chǎn)甲醇,現(xiàn)行的控制指標(biāo)就需考慮pH值、電導(dǎo)率、總N、總Fe、用水系統(tǒng)如圖1所示。COD殘氯、細(xì)菌含量、濁度和懸浮物等。如果在水熱氣精餾塔董液系統(tǒng)集成中,所有的因素都考慮,就會(huì)使集成問題變11.得非常復(fù)雜。因此,在水系統(tǒng)集成中,有必要根據(jù)各用水單元對(duì)水質(zhì)的要求,選擇關(guān)鍵的雜質(zhì)組分。但[鍋爐抽灰-一些次要的雜質(zhì)也許會(huì)對(duì)過程的操作產(chǎn)生影響。因脫鹽本-[可包]_20.0循此,待初始網(wǎng)絡(luò)生成后,應(yīng)將其他雜質(zhì)作為約束,考地水察各用水單元所用的回用水。1.4確定極限進(jìn)出口濃度新鮮本~冷卻裝置|溝關(guān)鍵污染物組分確定后,接著要確定各個(gè)單元16.524.2的進(jìn)出口極限數(shù)據(jù)。通常這樣的數(shù)據(jù)是很難獲得圈1某天然氣甲酵廠水系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)圈(單位:Vh)的,需要在對(duì)現(xiàn)有用水單元水質(zhì)水量了解的基礎(chǔ)上，F(xiàn)ig.1 Curent water aystem of the mehanol plant ( unit:Vb)王天華等水系統(tǒng)集成技術(shù)在甲醇廠的應(yīng)用●73●目前的甲醇廠用水狀況如下;新鮮水消耗49.4表1主要水源列表Vh(不計(jì)循環(huán)系統(tǒng)的水損失) ,脫鹽水消耗6.8 Vh,編號(hào)Table 1 Major water sources用水工序用水水質(zhì)流量/(h)此外還有蒸汽消耗11.3 Vh。S氣包排污脫鹽水6.8在水系統(tǒng)分析過后可知,一些用水單元具有回冷卻裝置新鮮水16.5用潛力但卻直接排放。目前排污主要集中于兩大總計(jì)23.3塊:一是有回用潛力的排污,如精餾塔釜液排污,有表2主要水阱列表機(jī)物含量略高,可以滿足鍋爐抽灰用水,目前已經(jīng)回Table 2 Major water sinks用到鍋爐抽灰工藝中;此外,轉(zhuǎn)化冷凝液,冷卻裝置編號(hào)所屬裝置用水工序用水水質(zhì) 流量(h心)排污和氣包排污水質(zhì)也相對(duì)較好,有回用潛力。另1鍋爐鍋爐抽灰廢水+新鮮水20.0一塊是排污量大且無直接回用潛力的用水單元，如R2循環(huán)水站 循環(huán)水補(bǔ)水新鮮水24.244.2循環(huán)水站排污和鍋爐抽灰排污,它的污染物含量相對(duì)復(fù)雜?？v觀全廠用水系統(tǒng)，經(jīng)過水源水阱的確定,鑒于極限數(shù)據(jù)的缺乏,通過充分利用現(xiàn)有信息，分析出有節(jié)水潛力的用水單元，主要水源水阱見表采取分析、對(duì)比、試驗(yàn)研究等方法獲得?，F(xiàn)列出全廠1- -2。根據(jù)各用水單元對(duì)水質(zhì)的要求,確定制約水主要用水工序中關(guān)鍵污染物組分的進(jìn)出口極限數(shù)回用的關(guān)鍵污染物組分為鈣離子。據(jù),見表3。表3全廠關(guān)鍵污染物組分(Ca2* )的進(jìn)出口極限數(shù)據(jù)表Table 3 Limiting inlet and outlet maas concentration of the key component(Ca*+ ) in each unit水流量進(jìn)口極限質(zhì)量濃度出 口極限質(zhì)量濃度現(xiàn)用水質(zhì)/(t.h"I)/(mg.L")6.8306(新鮮水+脫鹽水18.20555鍋爐抽灰廢水+新鮮水20.00140循環(huán)水補(bǔ)水24.5838_60對(duì)全廠4個(gè)用水單元進(jìn)行直接回用分析,使用3所示。《用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化》軟件作出夾點(diǎn)圖,結(jié)果如圖新鮮水7.622所示。新鮮水和脫鹽水16.55+216.55 廠41 11.00-→排污8(脫鹽水6.836.83__ 「31.20.00- →排污圄3直接回用情況下的初始網(wǎng)絡(luò)圈( 單位:Vh)Fig 3 lnitial reuse network ( unit:Vh)4020為了使設(shè)計(jì)出的用水網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)潔、實(shí)用可行,有必要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)理論網(wǎng)絡(luò)圖作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。根0500 1000 500 2 00025003 0035oo .雜質(zhì)負(fù)荷(g.h" )據(jù)廠里實(shí)際情況和水網(wǎng)絡(luò)調(diào)整原則,鍋爐裝置和循圍2直接回用情況下的水夾點(diǎn)圖環(huán)水站距離較遠(yuǎn),故去除循環(huán)水站到鍋爐抽灰的匹Fig.2 Pinch of the diret reuse配。此外,精餾塔釜液含有有機(jī)污染物,沒有回用到其他單元的潛力,因而原用水網(wǎng)路中從精餾塔釜液生成結(jié)果如下:夾點(diǎn)質(zhì)量濃度為60. 00 mg/L,到循環(huán)水站的匹配也應(yīng)保留。最終形成了調(diào)整后的最低耗水量為31.00 Vh。然后生成初始網(wǎng)絡(luò),如圖網(wǎng)絡(luò),見圖4?！?4●化學(xué)工程2008 年第36卷第4期新鮮水7.70Eng Sci, 1994,49(7) :981-1 006.[2] HuangC H, ChangCT, Ling HC, et al. 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Quitative mo-果為新鮮水節(jié)水率達(dá)34. 5%。deling and fault diagnois of dynamic process by MIDAS[J]. Chemical Engineering Communicaions, 1990, 963結(jié)論(1):205- 228.根據(jù)水系統(tǒng)集成技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,提出了水系.[7] Zheng Pingyou, Feng Xiao, Qian Feng. Water sysem in-統(tǒng)集成技術(shù)在工業(yè)水系統(tǒng)中的一般應(yīng)用步驟,并將tegration of a chemical plant[J]. Energy Convernsion and該技術(shù)應(yīng)用于某甲醇廠的水系統(tǒng)集成優(yōu)化,有效地Management ,2006 ,47(15- -16) :2470- -2 478.減少了新鮮水消耗,同時(shí)也減少了排污。[8] Aspen Technology Inc Aspen Waler [ EB/OL]. htp://www. aspentech. com/ ,2003-10-24.參考文獻(xiàn): .[9] LinnhofF March Comp Water Target [EB/OL]. htp: .[1] Wang Y P, Somith R Waste waler minimizaion[J]. Chem//www. Iinoffmarch. com/ ,2003-10-24.工程建設(shè)項(xiàng)目信息●遼陽石化乙二醇改造工程在遼陽建設(shè),中國(guó)寰球工程公司承擔(dān)初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)?！裨谔旖蚪ㄔO(shè)的藍(lán)星天津石化分公司丁二烯工程,由中國(guó)寰球工程公司承擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)?！矜?zhèn)海煉化100萬Va乙烯裝置,80萬V/a汽油加氫裝置在浙江鎮(zhèn)海建設(shè),由中國(guó)石化工程建設(shè)公司承擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。●在山西孝義建設(shè)的5萬Va合成鋁鎂水滑石和4A沸石項(xiàng)目,由山西省化工設(shè)計(jì)院承擔(dān)可行性研究。●寧夏平羅縣宏煜石油精細(xì)化工有限公司5萬Va原料油加工項(xiàng)目在寧夏河?xùn)|工業(yè)園區(qū)建設(shè),內(nèi)蒙古國(guó)立工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司承擔(dān)可行性研究?！裰袊?guó)石油四川公司10萬Va雙酚A項(xiàng)目和16萬Va丙烯酸酯項(xiàng)目在四川建設(shè),中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司東北分公司承擔(dān)前期設(shè)計(jì)?！裰泻Ｊ突丶瘓F(tuán)內(nèi)蒙古天野化工煤炭氣化廠-期替代1.5億m2 ,二期替代4.5億m'天然氣裝置,總體替代6億m'天然氣裝置在內(nèi)蒙古建設(shè),東華工程科技股份有限公司(原化工部第三設(shè)計(jì)院)承擔(dān)可行性研究?！裉m州藍(lán)星化工有限公司20萬Va甲醇技改工程在蘭州建設(shè),東華工程科技股份有限公司(原化工部第三設(shè)計(jì)院)承擔(dān)可行性研究。