過程系統(tǒng)工程是在系統(tǒng)工程、化學(xué)工程、運(yùn)籌學(xué)、過程控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科邊緣上發(fā)展起來的一門新興技術(shù)科學(xué)〔1〕。20世紀(jì)90年代后過程系統(tǒng)工程開始應(yīng)用在工業(yè)節(jié)水工作中。我國的煤炭資源主要蘊(yùn)藏在水資源短缺地區(qū)，因此水資源成為煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要制約因素。煤化工企業(yè)在用水方面正面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，節(jié)水減排刻不容緩。要實(shí)現(xiàn)煤化工企業(yè)節(jié)水減排的目標(biāo)，不僅需要最優(yōu)化的水處理工藝和設(shè)施，還要采用先進(jìn)的方法優(yōu)化用水系統(tǒng)。采用過程系統(tǒng)工程優(yōu)化煤化工企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)，不僅可確保企業(yè)用水系統(tǒng)的先進(jìn)性和科學(xué)性，同時(shí)對減少污染、提高效益、保護(hù)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

　　1 節(jié)水減排的過程系統(tǒng)工程方法

　　做好煤化工企業(yè)的節(jié)水減排工作，應(yīng)從系統(tǒng)的角度考慮水的有效利用。將煤化工企業(yè)的全部用水部門當(dāng)成一個(gè)整體水網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化，考慮如何分配各用水單元的水量和水質(zhì)，使水的重復(fù)利用率達(dá)到最大，同時(shí)廢水排放量達(dá)到最小。

　　煤化工節(jié)水減排的過程系統(tǒng)工程方法是：水平衡測試→水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化→外排污水深度處理回用。其中水平衡測試是基礎(chǔ)，通過加強(qiáng)完善校對計(jì)量儀表，做好全廠水平衡測試，計(jì)算用水技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對比自身企業(yè)用水水平與先進(jìn)水平的差距，將最容易挖掘的節(jié)水潛力挖到手;水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化是關(guān)鍵，利用“水夾點(diǎn)”方法逐級(jí)利用水質(zhì)，合理配置水源和水阱，降低新鮮水用量，從而使排水量也大幅度下降;外排污水深度處理回用是最后一步，經(jīng)過前兩步的處理污水排出量已大為減少，對于不得不從末端排出的污水，通過污水深度處理等手段進(jìn)行處理，使其達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)，再返回系統(tǒng)中使用。這一步的特點(diǎn)是設(shè)備投資大，投資回報(bào)周期長。

　　2 過程系統(tǒng)工程方法的應(yīng)用

　　2.1 水平衡測試

　　選取西北某煤化工企業(yè)進(jìn)行冬、夏兩季水平衡測試。冬季新鮮水總用水量為1 795.55 t/h，單位產(chǎn)品取水量為24.38 t/t; 夏季新鮮水總用量為2 725.00 t/h，單位產(chǎn)品取水量為36.54 t/t。新鮮水用水過程包括循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水、除鹽水制水、其他工藝用水過程、廠內(nèi)生活用水、高壓消防水、基建及綠化、儀表誤差及損失。冬、夏兩季的用水過程所占新鮮水比例如圖 1、圖 2所示。從圖中可以看出，除鹽水制水和循環(huán)水系統(tǒng)補(bǔ)水所占比例較大。

圖 1 冬季新鮮水用水分布情況

 
圖 2 夏季新鮮水用水分布情況

　　2.2 水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成優(yōu)化

　　基于冬季水平衡測試數(shù)據(jù)，依據(jù)水夾點(diǎn)技術(shù)的基本分析步驟，分析該企業(yè)所有用排水過程，確定水源與水阱。根據(jù)水源的水質(zhì)特點(diǎn)和水阱的設(shè)備及工藝要求，筆者選取硬度、COD、電導(dǎo)率作為關(guān)鍵分析指標(biāo)。水源統(tǒng)計(jì)及水源水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表 1。

 　　水阱對關(guān)鍵雜質(zhì)的進(jìn)口質(zhì)量濃度極限要求主要借鑒國內(nèi)相似設(shè)備的數(shù)據(jù)，見表 2。

　　遵照高品質(zhì)水用量最小的優(yōu)化原則，對水源及水阱進(jìn)行匹配優(yōu)化，得到初始優(yōu)化水網(wǎng)絡(luò)匹配關(guān)系并進(jìn)行調(diào)優(yōu)，最終得出對該企業(yè)水系統(tǒng)優(yōu)化具有實(shí)際指導(dǎo)意義的優(yōu)化方案：(1)水源1、水源2冷卻排放水及水源7汽提凈化水回用于水阱1和水阱2的儀表沖洗、機(jī)泵密封等，降低水阱1和水阱2優(yōu)化前所用除氧水的流量。(2)水源4、5、6的鍋爐排污水可并入各裝置的循環(huán)水回水線，回用至水阱5的循環(huán)水補(bǔ)水。(3)水源3和水源9的鍋爐排污水優(yōu)化前作為循環(huán)水補(bǔ)水，將這兩股鍋爐排污水回用至水阱4超濾裝置。(4)將水源8超濾反洗水回用至水阱6凈水場作為原水，取消水源8排向水阱7的污水。

　　2.3 外排污水深度處理回用

　　經(jīng)過水網(wǎng)絡(luò)的集成優(yōu)化，工業(yè)水重復(fù)利用率提高，同時(shí)排向污水系統(tǒng)的污水減少216.35 t/h。在此基礎(chǔ)上考慮外排污水深度處理制成中水或脫鹽水回用，可降低污水深度處理裝置的設(shè)計(jì)規(guī)模和投資成本。

　　3 節(jié)水減排“七環(huán)節(jié)”優(yōu)化

　　對于煤化工企業(yè)來說，可將水系統(tǒng)分為7個(gè)環(huán)節(jié)，即：水汽輸送環(huán)節(jié)、制水環(huán)節(jié)、工藝水環(huán)節(jié)、循環(huán)水環(huán)節(jié)、蒸汽冷凝水環(huán)節(jié)、生活水環(huán)節(jié)、污水回用水環(huán)節(jié)。根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)并結(jié)合集成優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，以達(dá)到企業(yè)水系統(tǒng)的先進(jìn)性和科學(xué)性。

　　3.1 水汽輸送環(huán)節(jié)

　　完善公司水管網(wǎng)計(jì)量儀表的安裝，達(dá)到國標(biāo)要求;測試期間該企業(yè)的高壓消防水用量偏大，應(yīng)加強(qiáng)公司用水的監(jiān)督管理，杜絕挪用浪費(fèi)現(xiàn)象。

　　3.2 制水環(huán)節(jié)

　　(1)制水工藝流程優(yōu)化。采用超濾+反滲透+陰床+陽床+混床的制水工藝組合，其中反滲透為一級(jí)二段，整個(gè)工藝過程的排放水量大于雙膜工藝和離子交換工藝，造成制水系數(shù)較高。為降低制水系數(shù)，將一級(jí)二段反滲透流程改造為一級(jí)三段，制水系數(shù)可由1.543優(yōu)化至1.36。(2)鍋爐排污水去制水原水。根據(jù)水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化分析結(jié)果，鋪設(shè)管線將凈化裝置和動(dòng)力裝置的鍋爐排污水作為制水裝置的原水。鍋爐排污水溫度較高，作為循環(huán)水補(bǔ)水會(huì)增加冷卻塔的冷卻負(fù)荷，但作為制水裝置的原水使用既可合理利用鍋爐排放的高品質(zhì)廢水，又減少了加熱生水所用的蒸汽量。(3)超濾反洗水去凈水場原水。根據(jù)水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化分析結(jié)果，超濾反洗水可以用作凈水場的原水，2套裝置距離較近，管線敷設(shè)難度小，回用方便，同時(shí)還可減少排向污水處理場的污水。

　　3.3 工藝水環(huán)節(jié)

　　根據(jù)水網(wǎng)絡(luò)集成優(yōu)化分析結(jié)果，機(jī)泵密封水、儀表沖洗、絮凝劑槽補(bǔ)水等改用汽提凈化水，可節(jié)省除氧水用量;水環(huán)真空泵補(bǔ)水、研磨水泵用水等改用事故氮壓機(jī)冷卻排水，以節(jié)省除鹽水。

　　3.4 循環(huán)水環(huán)節(jié)

　　(1)循環(huán)水場蒸發(fā)水汽回收〔2〕。循環(huán)水場蒸發(fā)飛濺量占循環(huán)水補(bǔ)水量的80%以上，所占比例巨大。利用水汽冷凝回收設(shè)備進(jìn)行回收〔3〕，水量可達(dá)到蒸發(fā)量的25%以上。該設(shè)備回收水水質(zhì)優(yōu)良，可用作補(bǔ)充鍋爐水、循環(huán)水等各種用途，降低企業(yè)新鮮水用量。(2)循環(huán)水場排污水適度處理回用。將循環(huán)水場排放污水單獨(dú)回收，采用污水適度處理回用技術(shù)，產(chǎn)水回用于循環(huán)水場，濃水排放于污水處理場，可減輕污水處理場的運(yùn)行負(fù)荷，同時(shí)最大程度地實(shí)現(xiàn)循環(huán)水場的獨(dú)立運(yùn)行，提高了安全性和穩(wěn)定性。(3)循環(huán)水場補(bǔ)水改造。循環(huán)水補(bǔ)水優(yōu)化的前提是保證循環(huán)水水質(zhì)不變。根據(jù)全廠水夾點(diǎn)分析結(jié)果作如下調(diào)整：將裝置2、9的鍋爐排污水回用至裝置6;裝置3和5的鍋爐排污水水量較小，就近回收至本裝置的循環(huán)水回水線;循環(huán)水場排污水適度處理回用于循環(huán)水補(bǔ)水。通過對循環(huán)水場補(bǔ)水進(jìn)行鹽平衡計(jì)算，在保證補(bǔ)水水質(zhì)基本不變的情況下，可節(jié)省新鮮水用量。

　　3.5 蒸汽及冷凝水環(huán)節(jié)

　　(1)夏季乏汽回收優(yōu)化改造。夏季該企業(yè)存在低壓蒸汽過�，F(xiàn)象，放空量很大。建議企業(yè)選用高速透平發(fā)電機(jī)組回收利用這部分富余蒸汽發(fā)電。(2)除氧器乏汽回收優(yōu)化改造。高壓鍋爐除氧器采用熱力除氧，除氧器上方大量含氧蒸汽放空。對除氧器放空乏汽進(jìn)行回收既能實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)水，又有利于安全生產(chǎn)。在除氧封頭乏汽排空處安裝一個(gè)封頭，利用除鹽水對乏汽進(jìn)行冷卻，冷卻后的水回用至鍋爐除氧器，使產(chǎn)生的乏汽量最小時(shí)，再通過上述乏汽回收裝置，從而減少乏汽的排放量。(3)凝結(jié)水放空罐乏汽回收優(yōu)化改造。對于凝結(jié)水放空罐的乏汽，可以利用乏汽與凝結(jié)水閉式回收技術(shù)進(jìn)行回收，減少乏汽的排放量。(4)水槽盤管伴熱蒸汽凝結(jié)水回收優(yōu)化改造。冬季該企業(yè)水槽盤管伴熱后的10 t/h蒸汽凝結(jié)水水質(zhì)較好，可鋪設(shè)管線去工藝凝結(jié)水回收管網(wǎng)。

　　3.6 生活水環(huán)節(jié)

　　該企業(yè)廠區(qū)內(nèi)設(shè)置了倒班宿舍、食堂和浴室，由廠內(nèi)生活水管網(wǎng)統(tǒng)一供水，但只安裝了1塊水表作為計(jì)量手段。建議企業(yè)完善生活水計(jì)量儀表安裝，同時(shí)制定生活用水考核制度，減少生活水的浪費(fèi)。

　　3.7 污水回用環(huán)節(jié)

　　對制水環(huán)節(jié)、工藝水環(huán)節(jié)、循環(huán)水環(huán)節(jié)等用水進(jìn)行優(yōu)化后，排向污水回用裝置的污水量大大減少。此時(shí)對廠區(qū)外排的濃鹽水采用濃縮結(jié)晶技術(shù)處理達(dá)標(biāo)后回用，可實(shí)現(xiàn)95%污水回收率，污水可實(shí)現(xiàn)“近零排放”。

　　3.8 小結(jié)

　　全廠水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化后的技改措施建議全部實(shí)施后，該企業(yè)每年可節(jié)省新鮮水1 257.38萬t，節(jié)水率為63%。冬季單位產(chǎn)品取水量可降至7.01 t/t，夏季單位產(chǎn)品取水量可降至11.18 t/t。各項(xiàng)節(jié)水措施所對應(yīng)的指標(biāo)變化情況如圖 3所示。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

 注：1—測試值；2—管網(wǎng)輸送系統(tǒng)優(yōu)化；3—制水工藝流程優(yōu)化；4—鍋爐排污水去制水原水；5—超濾反洗水去凈水場原水；6—工藝水系統(tǒng)改造；7—循環(huán)水場蒸發(fā)水汽回收；8—循環(huán)水場污適度處理回用；9—循環(huán)水場補(bǔ)水改造；10—夏季乏汽回收優(yōu)化改造；11—除氧器乏汽回收優(yōu)化改造；12—凝結(jié)水放空罐乏汽回收優(yōu)化改造；13—水槽盤管伴熱蒸汽凝結(jié)水回收優(yōu)化改造；14—污水回用優(yōu)化改造。
圖 3 各項(xiàng)節(jié)水措施依次實(shí)施后對應(yīng)的指標(biāo)變化

　　4 結(jié)論

　　在煤化工示范項(xiàng)目建設(shè)中，企業(yè)普遍忽視了水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行。從過程系統(tǒng)工程方法對煤化工用水網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)化的方案效果可以看出，煤化工產(chǎn)業(yè)的節(jié)水空間很大，過程系統(tǒng)工程方法對于促進(jìn)煤化工企業(yè)節(jié)水減排具有重要意義。