甲醇生產(chǎn)過(guò)程的水系統(tǒng)集成與優(yōu)化①

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甲醇生產(chǎn)過(guò)程的水系統(tǒng)集成與優(yōu)化①

秦 杰許新樂(lè)

青海大學(xué)化工學(xué)院

摘要針對(duì)青海某甲醇生產(chǎn)企業(yè)地處水資源相對(duì)匱乏、原水鹽含量高地區(qū)的實(shí)際情況，應(yīng)用水夾點(diǎn)理論以總鹽含量為關(guān)鍵污染物組分。通過(guò)分析企業(yè)的用水現(xiàn)狀、尋找過(guò)程用水瓶頸，以用水量最小、排污量最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)甲醇生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集成優(yōu)化。優(yōu)化后的廢水直接回用網(wǎng)絡(luò)的原水節(jié)水率達(dá)到52.4%，排污量減少14.7 t/h；再生回用網(wǎng)絡(luò)的原水節(jié)水率達(dá)到74%，排污量減少19.95 t/h。結(jié)果可為甲醇生產(chǎn)企業(yè)節(jié)水減排提供理論參考。

關(guān)鍵詞甲醇生產(chǎn)夾點(diǎn)技術(shù)水系統(tǒng)集成總鹽含量節(jié)水減排

水系統(tǒng)集成方法包括水夾點(diǎn)法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。水夾點(diǎn)技術(shù)作為目前最有效的節(jié)水減排方法，由英國(guó)曼徹斯特理工學(xué)院的Wang和Smith[1]于1994年正式提出，它是從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，用于優(yōu)化企業(yè)用水系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)水循環(huán)利用率為目標(biāo)的過(guò)程集成技術(shù)，在解決單雜質(zhì)用水系統(tǒng)的瓶頸時(shí)能夠取得較好的效果。數(shù)學(xué)規(guī)劃法是基于用水系統(tǒng)所建立的超結(jié)構(gòu)模型[2]，常用于含有多種雜質(zhì)的復(fù)雜系統(tǒng)。水系統(tǒng)集成方法在國(guó)內(nèi)已成功地應(yīng)用在煉化、化肥和碳素廠[3-5]等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，都取得了顯著的效果。

1水夾點(diǎn)理論

水夾點(diǎn)分析是把企業(yè)的整個(gè)用水系統(tǒng)看作一個(gè)有機(jī)的整體，在雜質(zhì)負(fù)荷平衡的前提下合理分配各用水單元的水量，以使系統(tǒng)中水的重復(fù)利用率達(dá)到最大，同時(shí)所排放的廢水量達(dá)到最小。

采用類(lèi)似于能量?jī)?yōu)化過(guò)程中熱夾點(diǎn)的構(gòu)造方法，以水中的污染物濃度為縱坐標(biāo)、要去除的污染物負(fù)荷為橫坐標(biāo)建立極限水復(fù)合曲線(xiàn)(見(jiàn)圖1)。極限水復(fù)合曲線(xiàn)與供水線(xiàn)的匯合處即為系統(tǒng)的水夾點(diǎn)，此處所對(duì)應(yīng)的新鮮水流量就代表了整個(gè)系統(tǒng)新鮮水的最小用量。極限水復(fù)合曲線(xiàn)給出了水系統(tǒng)的整體狀況，可直觀地看出當(dāng)前用水系統(tǒng)的優(yōu)劣，找出制約用水瓶頸的夾點(diǎn)、最小新鮮水用量及最小廢水產(chǎn)生量的目標(biāo)值。

2甲醇生產(chǎn)過(guò)程用水系統(tǒng)集成與優(yōu)化

2.1　企業(yè)用水現(xiàn)狀

甲醇生產(chǎn)過(guò)程中水主要有兩大用途：一方面是作為工藝用水消耗，另一方面作為換熱或清洗用水。所用水的主要類(lèi)型可分為原水、脫鹽水、蒸汽、冷凝液等。對(duì)于鹽含量要求較低的生產(chǎn)裝置可直接使用原水。脫鹽水可有效防止由于水中溶解的鹽結(jié)垢影響傳熱效果，用于要求水中鹽含量必須較低的生產(chǎn)裝置。冷凝液由工藝蒸汽轉(zhuǎn)化而來(lái)，一般鹽含量也較低，可送給鹽含量要求不是很高的生產(chǎn)裝置繼續(xù)使用。

近年來(lái)，青海省依靠豐富的天然氣資源， 建設(shè)了年產(chǎn)能110×104t的甲醇生產(chǎn)裝置。青海某甲醇企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程主要用水單元對(duì)于不同水質(zhì)的現(xiàn)行用水量狀況如下：原水24.29 t/h 、脫鹽水141.22 t/h (其中一部分產(chǎn)生蒸汽，不考慮循環(huán)過(guò)程的損失)。

2.2　目標(biāo)系統(tǒng)的選取

水系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)就是能夠從全局或者整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，做到全局的最優(yōu)。因此，在選取主要用水單元時(shí)應(yīng)以整個(gè)企業(yè)的用水系統(tǒng)為一個(gè)有機(jī)整體。對(duì)不能參與系統(tǒng)集成的用水單元不予以考慮，從而使系統(tǒng)簡(jiǎn)化[6-7]。青海某天然氣制甲醇企業(yè)的現(xiàn)行主要用水單元系統(tǒng)如圖2所示。

2.3　關(guān)鍵污染物組分的確定

通常，工業(yè)用水系統(tǒng)的雜質(zhì)種類(lèi)較多，控制指標(biāo)包括pH值、電導(dǎo)率、總鹽含量、總堿度、總?cè)芙夤腆w(TDS)含量、COD值、硬度、細(xì)菌含量、濁度和懸浮物含量等。

總鹽含量的測(cè)定需要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行全方位的分析，測(cè)出水中全部陰陽(yáng)離子的總量并計(jì)算求得，實(shí)際操作復(fù)雜且費(fèi)時(shí)。而電導(dǎo)率反映的是水溶液的導(dǎo)電能力，可使用電導(dǎo)率儀直接進(jìn)行測(cè)量，便于檢測(cè)和記錄，能夠有效地表征水中各種離子總含量的多少和性質(zhì)。電導(dǎo)率主要取決于總鹽含量，因此可用測(cè)得的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算得到待測(cè)水中的總鹽含量。水中離子的組份和溫度對(duì)電導(dǎo)率也有明顯的影響，由《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》系列中的《工業(yè)給水處理》可知，此企業(yè)所用原水水質(zhì)的類(lèi)型屬于不均價(jià)型水，其總鹽含量與電導(dǎo)率以及水溫之間存在下列關(guān)系式：

C=0.438 1e(0.000 180 0t2-0.032 06t)S1.135 1

(1)

式中：C為總鹽質(zhì)量濃度，mg/L；S為電導(dǎo)率，μs/cm；t為水溫，℃。

總鹽含量過(guò)高容易引發(fā)高壓鍋爐以及其他設(shè)備、管道的腐蝕和結(jié)垢等問(wèn)題，是制約系統(tǒng)中廢水回用的關(guān)鍵因素。且此甲醇生產(chǎn)企業(yè)地處青海格爾木地區(qū)，淡水資源較少，原水鹽含量高。考慮上述情況后，確定總鹽含量為關(guān)鍵污染物的指標(biāo)。

2.4　極限進(jìn)出口濃度及負(fù)荷的確定

將所測(cè)得的各用水單元進(jìn)出口處的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)帶入式(1)便可求得相對(duì)應(yīng)的總含鹽量。但相關(guān)用水單元的極限數(shù)據(jù)在工程應(yīng)用中往往難以得到，需要充分利用現(xiàn)有的資料和數(shù)據(jù)信息，通過(guò)分析、對(duì)比、簡(jiǎn)化、假設(shè)等手段來(lái)完善[8]。主要用水單元關(guān)鍵污染物組分的進(jìn)出口極限數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 關(guān)鍵污染物指標(biāo)(總鹽含量)的用水過(guò)程數(shù)據(jù)Table1 Keypollutants(totalsaltcontent)datainwaterprocess單元號(hào)用水單元現(xiàn)用水質(zhì)水量/(t·h-1)極限質(zhì)量濃度/(mg·L-1)進(jìn)口出口質(zhì)量負(fù)荷/(kg·h-1)1生活和消防用水原水23.296509306.522煙道氣水洗塔原水1.0065011400.493精餾工段脫鹽水5.2507503.944合成汽包排污脫鹽水2.30014303.295轉(zhuǎn)化汽包排污脫鹽水4.20015806.646循環(huán)冷卻水補(bǔ)充脫鹽水30.00081024.37飽和塔補(bǔ)充水脫鹽水+冷凝液14.701587208.268CO2回收工段脫鹽水+冷凝液13.5611496011.47

2.5　用水系統(tǒng)集成與優(yōu)化

2.5.1生成初始用水網(wǎng)絡(luò)

使用專(zhuān)業(yè)水系統(tǒng)建模與集成工具軟件Water Design對(duì)表1中的8個(gè)用水單元進(jìn)行廢水直接回用計(jì)算和分析[9]，得到如圖3所示的水夾點(diǎn)圖和如圖4所示的濃度間隔圖。由圖3得知系統(tǒng)的夾點(diǎn)位置在質(zhì)量濃度為810 mg/L處。由圖4可知單元1、2、4、5、8均存在廢水越過(guò)夾點(diǎn)回用的現(xiàn)象，具有集成優(yōu)化的必要性，最低總耗水量為68.02 t/h。生成的初始網(wǎng)絡(luò)見(jiàn)圖5。

2.5.2初始用水網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)

為了使用水網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性有效降低從而節(jié)約投資成本，需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整。調(diào)整原則主要有以下3條：

(1) 在一個(gè)水阱所在車(chē)間內(nèi)可以找到合適水源的，一般從該水源引水，即使節(jié)水量會(huì)略為下降，但可節(jié)省架設(shè)管道等費(fèi)用。

(2) 盡可能地減少供水水源數(shù)，對(duì)水量相當(dāng)?shù)乃磁c水阱優(yōu)先進(jìn)行匹配。

(3) 刪除流量過(guò)小的水流。

根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)際情況和用水網(wǎng)絡(luò)調(diào)整的原則，對(duì)初始網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行如下改造：煙道氣水洗塔的用水量以及質(zhì)量負(fù)荷太小，且為其匹配供水的飽和塔與之距離較遠(yuǎn)，因此去掉飽和塔和煙道氣水洗塔的匹配；精餾工段的污水有機(jī)物含量較高，不能直接與生活和消防用水進(jìn)行匹配，予以刪除。優(yōu)化后得到如圖6所示的用水網(wǎng)絡(luò)圖。

由圖6得到直接回用情況下新的用水網(wǎng)絡(luò)消耗水量分別為原水11.57 t/h、脫鹽水133.1 t/h。與原用水網(wǎng)絡(luò)相比，新網(wǎng)絡(luò)用水減少量分別為原12.72 t/h，脫鹽水8.12 t/h，排污量減少14.7 t/h，原水節(jié)水率達(dá)到52.4%。

2.5.3再生回用的考慮

精餾工段的有機(jī)廢水經(jīng)厭氧發(fā)酵等工藝處理后可再次作為其他用水單元的水源，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化匹配后的新用水網(wǎng)絡(luò)如圖7所示。從圖7可知，原水消耗量為6.32 t/h，較優(yōu)化前減少17.79 t/h，原水節(jié)水率達(dá)到74%，污水排放量減少19.95 t/h。

3結(jié) 論

(1) 通過(guò)水夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)地處生態(tài)脆弱的青海三江源地區(qū)、原水總鹽含量較高的甲醇生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行水系統(tǒng)集成與優(yōu)化，有利于企業(yè)節(jié)水減排，對(duì)增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、提高資源利用率有重要意義，同時(shí)可為其節(jié)水減排工作提供理論參考。

(2) 廢水直接回用水網(wǎng)絡(luò)中飽和塔產(chǎn)生的廢水用于CO2回收工段及生活和消防用水單元，相比原用水網(wǎng)絡(luò)可節(jié)約原水11.57 t/h，脫鹽水8.12 t/h，原水節(jié)水率達(dá)到52.4%，污水排放量減少14.7 t/h。再生回用水網(wǎng)絡(luò)在廢水直接回用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將精餾工段處理過(guò)的廢水用于生活和消防用水單元，相比原用水網(wǎng)絡(luò)可減少原水的使用量17.79 t/h，原水節(jié)水率達(dá)到74%，污水排放量減少19.95 t/h。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] WANG Y P, SMITH R . Wastewater minimization[J]. Chem Eng Sci， 1994， 49(7)： 981-1006 .

[2] HUANG C H, CHANG C T, LING H C, et al. A mathematical programming model for water usage and treatment network design[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 1999, 38 (7) : 2666-2679.

[3] 袁一星， 鐘丹， 高金良， 等． 水夾點(diǎn)技術(shù)在煉油廠的應(yīng)用實(shí)例[J]． 工業(yè)用水與廢水， 2009, 28(6)： 49-52.

[4] 錢(qián)效南， 朱羽中． 水夾點(diǎn)技術(shù)在化肥生產(chǎn)企業(yè)的應(yīng)用[J]． 給水排水， 2006, 10(7)： 49-52．

[5] 王克， 王廣穩(wěn)， 盧濤． 水夾點(diǎn)技術(shù)在炭素廠水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與節(jié)水減排中的應(yīng)用[J]． 輕金屬， 2012， 20(3)： 49-52．

[6] 王天華， 馮宵． 水系統(tǒng)集成技術(shù)在甲醇廠的應(yīng)用[J]． 化學(xué)工程， 2008， 15(4)： 71-74．

[7] 楊德明, 孫磊. 多效精餾分離甲醇-水體系的工藝研究[J]. 石油與天然氣化工, 2010, 39(1): 14-17.

[8] ZHENG P Y, FENG X, QIAN F. Water system integration of a chemical plant[J]. Energy Conversion and Management, 2006, 47 (15/16) : 2470-2478.

[9] MANN J G, LIU Y A. Industrial water reuse and wastewater minimization[M]. New York: McGraw-Hill, 1999.

Water systems integration and optimization of methanol production

Qin Jie, Xu Xinle

(SchoolofChemicalEngineering,QinghaiUniversity,Xining810016,China)

Abstract:For the actual situation that a methanol enterprise locating in Qinghai where is known for water shortage and high salty raw water, the water pinch theory was applied and the total salt content was selected as the key pollutant. Through analyzing the current water use within the company, the bottlenecks was identified, followed by setting the minimum water consumption and minimum emissions as the objective function to integrate and optimize the methanol production process. After the optimization process, the direct reuse network saved raw water use by 52.4% and reduced the emissions by 14.7 t/h; the reclamation reuse network saved raw water use by 74% and reduced the emissions by 19.95 t/h. The results could serve as theoretical reference for the water conservation and wastewater reduction in methanol enterprises.

Key words:methanol production, pinch technology, water systems integration, total salt content, water conservation and wastewater reduction

收稿日期：2015-05-15；編輯：鐘國(guó)利

中圖分類(lèi)號(hào)：TE642

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.022

通信作者：許新樂(lè)(1970-)，男,青海大學(xué)化工學(xué)院教授， 研究方向?yàn)榛み^(guò)程模擬。E-mail：xuxinleqhu@sohu.com

作者簡(jiǎn)介：①秦杰(1989-)，男,青海大學(xué)化工學(xué)院碩士研究生， 研究方向?yàn)榛み^(guò)程模擬。E-mail：awp1989@sohu.com