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甲醇生產過程的水系統(tǒng)集成與優(yōu)化①

秦 杰許新樂

青海大學化工學院

摘要針對青海某甲醇生產企業(yè)地處水資源相對匱乏、原水鹽含量高地區(qū)的實際情況，應用水夾點理論以總鹽含量為關鍵污染物組分。通過分析企業(yè)的用水現(xiàn)狀、尋找過程用水瓶頸，以用水量最小、排污量最小為目標函數(shù)，對甲醇生產過程進行集成優(yōu)化。優(yōu)化后的廢水直接回用網絡的原水節(jié)水率達到52.4%，排污量減少14.7 t/h；再生回用網絡的原水節(jié)水率達到74%，排污量減少19.95 t/h。結果可為甲醇生產企業(yè)節(jié)水減排提供理論參考。

關鍵詞甲醇生產夾點技術水系統(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法和數(shù)學規(guī)劃法。水夾點技術作為目前最有效的節(jié)水減排方法，由英國曼徹斯特理工學院的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)利用率為目標的過程集成技術，在解決單雜質用水系統(tǒng)的瓶頸時能夠取得較好的效果。數(shù)學規(guī)劃法是基于用水系統(tǒng)所建立的超結構模型[2]，常用于含有多種雜質的復雜系統(tǒng)。水系統(tǒng)集成方法在國內已成功地應用在煉化、化肥和碳素廠[3-5]等多個工業(yè)領域，都取得了顯著的效果。

1水夾點理論

水夾點分析是把企業(yè)的整個用水系統(tǒng)看作一個有機的整體，在雜質負荷平衡的前提下合理分配各用水單元的水量，以使系統(tǒng)中水的重復利用率達到最大，同時所排放的廢水量達到最小。

采用類似于能量優(yōu)化過程中熱夾點的構造方法，以水中的污染物濃度為縱坐標、要去除的污染物負荷為橫坐標建立極限水復合曲線(見圖1)。極限水復合曲線與供水線的匯合處即為系統(tǒng)的水夾點，此處所對應的新鮮水流量就代表了整個系統(tǒng)新鮮水的最小用量。極限水復合曲線給出了水系統(tǒng)的整體狀況，可直觀地看出當前用水系統(tǒng)的優(yōu)劣，找出制約用水瓶頸的夾點、最小新鮮水用量及最小廢水產生量的目標值。

2甲醇生產過程用水系統(tǒng)集成與優(yōu)化

2.1　企業(yè)用水現(xiàn)狀

甲醇生產過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。所用水的主要類型可分為原水、脫鹽水、蒸汽、冷凝液等。對于鹽含量要求較低的生產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垢影響傳熱效果，用于要求水中鹽含量必須較低的生產裝置。冷凝液由工藝蒸汽轉化而來，一般鹽含量也較低，可送給鹽含量要求不是很高的生產裝置繼續(xù)使用。

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

2.2　目標系統(tǒng)的選取

水系統(tǒng)集成的優(yōu)點就是能夠從全局或者整個系統(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應以整個企業(yè)的用水系統(tǒng)為一個有機整體。對不能參與系統(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　關鍵污染物組分的確定

通常，工業(yè)用水系統(tǒng)的雜質種類較多，控制指標包括pH值、電導率、總鹽含量、總堿度、總溶解固體(TDS)含量、COD值、硬度、細菌含量、濁度和懸浮物含量等。

總鹽含量的測定需要對水質進行全方位的分析，測出水中全部陰陽離子的總量并計算求得，實際操作復雜且費時。而電導率反映的是水溶液的導電能力，可使用電導率儀直接進行測量，便于檢測和記錄，能夠有效地表征水中各種離子總含量的多少和性質。電導率主要取決于總鹽含量，因此可用測得的電導率數(shù)據(jù)通過計算得到待測水中的總鹽含量。水中離子的組份和溫度對電導率也有明顯的影響，由《給水排水設計手冊》系列中的《工業(yè)給水處理》可知，此企業(yè)所用原水水質的類型屬于不均價型水，其總鹽含量與電導率以及水溫之間存在下列關系式：

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

(1)

式中：C為總鹽質量濃度，mg/L；S為電導率，μs/cm；t為水溫，℃。

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

2.4　極限進出口濃度及負荷的確定

將所測得的各用水單元進出口處的電導率數(shù)據(jù)帶入式(1)便可求得相對應的總含鹽量。但相關用水單元的極限數(shù)據(jù)在工程應用中往往難以得到，需要充分利用現(xiàn)有的資料和數(shù)據(jù)信息，通過分析、對比、簡化、假設等手段來完善[8]。主要用水單元關鍵污染物組分的進出口極限數(shù)據(jù)見表1。

表1 關鍵污染物指標(總鹽含量)的用水過程數(shù)據(jù)Table1 Keypollutants(totalsaltcontent)datainwaterprocess單元號用水單元現(xiàn)用水質水量/(t·h-1)極限質量濃度/(mg·L-1)進口出口質量負荷/(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轉化汽包排污脫鹽水4.20015806.646循環(huán)冷卻水補充脫鹽水30.00081024.37飽和塔補充水脫鹽水+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生成初始用水網絡

使用專業(yè)水系統(tǒng)建模與集成工具軟件Water Design對表1中的8個用水單元進行廢水直接回用計算和分析[9]，得到如圖3所示的水夾點圖和如圖4所示的濃度間隔圖。由圖3得知系統(tǒng)的夾點位置在質量濃度為810 mg/L處。由圖4可知單元1、2、4、5、8均存在廢水越過夾點回用的現(xiàn)象，具有集成優(yōu)化的必要性，最低總耗水量為68.02 t/h。生成的初始網絡見圖5。

2.5.2初始用水網絡調優(yōu)

為了使用水網絡的復雜性有效降低從而節(jié)約投資成本，需根據(jù)實際情況對用水網絡進行恰當?shù)恼{整。調整原則主要有以下3條：

(1) 在一個水阱所在車間內可以找到合適水源的，一般從該水源引水，即使節(jié)水量會略為下降，但可節(jié)省架設管道等費用。

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

(3) 刪除流量過小的水流。

根據(jù)生產過程實際情況和用水網絡調整的原則，對初始網絡進行如下改造：煙道氣水洗塔的用水量以及質量負荷太小，且為其匹配供水的飽和塔與之距離較遠，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物含量較高，不能直接與生活和消防用水進行匹配，予以刪除。優(yōu)化后得到如圖6所示的用水網絡圖。

由圖6得到直接回用情況下新的用水網絡消耗水量分別為原水11.57 t/h、脫鹽水133.1 t/h。與原用水網絡相比，新網絡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)水率達到52.4%。

2.5.3再生回用的考慮

精餾工段的有機廢水經厭氧發(fā)酵等工藝處理后可再次作為其他用水單元的水源，經過系統(tǒng)優(yōu)化匹配后的新用水網絡如圖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)水率達到74%，污水排放量減少19.95 t/h。

3結 論

(1) 通過水夾點技術的應用，對地處生態(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企業(yè)進行水系統(tǒng)集成與優(yōu)化，有利于企業(yè)節(jié)水減排，對增加企業(yè)經濟效益、提高資源利用率有重要意義，同時可為其節(jié)水減排工作提供理論參考。

(2) 廢水直接回用水網絡中飽和塔產生的廢水用于CO2回收工段及生活和消防用水單元，相比原用水網絡可節(jié)約原水11.57 t/h，脫鹽水8.12 t/h，原水節(jié)水率達到52.4%，污水排放量減少14.7 t/h。再生回用水網絡在廢水直接回用的基礎上，進一步將精餾工段處理過的廢水用于生活和消防用水單元，相比原用水網絡可減少原水的使用量17.79 t/h，原水節(jié)水率達到74%，污水排放量減少19.95 t/h。

參 考 文 獻

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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：鐘國利

中圖分類號：TE642

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2016.01.022

通信作者：許新樂(1970-)，男,青海大學化工學院教授， 研究方向為化工過程模擬。E-mail：xuxinleqhu@sohu.com

作者簡介：①秦杰(1989-)，男,青海大學化工學院碩士研究生， 研究方向為化工過程模擬。E-mail：awp1989@sohu.com