1 概述
水是基礎性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源,水資源的可持續(xù)利用是經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的極為重要的保證。我國是世界上水資源貧乏的國家之一,人均年占有水資源量居世界第109位,而且水資源的時空分布十分不均。天津、長春、大連、青島、唐山、煙臺等北方城市已經(jīng)受到水資源短缺的嚴重威脅。同時,南方沿海部分地區(qū)也存在著水質性和資源性缺水狀況。
水是工業(yè)的血液,目前我國的工業(yè)用水量占總用水量的1/4;瘜W工業(yè)特別是煤化工行業(yè)作為用水大戶,萬元產值綜合耗水量約100 t左右。在華北地區(qū),新鮮水價格最高已達5元/t以上,也就是說1 t甲醇僅新鮮水費用就達到100元左右。由于我國煤炭資源與水資源的逆向分布,水資源己成為西部各省發(fā)展能源化工產業(yè)的主要制約因素。因此煤化工行業(yè)的節(jié)水要求日益緊迫。
目前,我國化工行業(yè)用水狀況與國際先進水平相比還存在著很大差距,尚有很大的節(jié)水空間。據(jù)報道,美國、加拿大和墨西哥三國化工單位產值耗水量為38 m3/萬元,僅為我國的二分之—。單位產值用水量的加大,不僅浪費了寶貴的水資源,更大的問題是將直接加大廢水的排放量。由于人們對環(huán)境關注的日益加強和環(huán)境保護法規(guī)的日益嚴格,節(jié)約用水將成為化工企業(yè)減輕環(huán)境影響、提高經(jīng)濟效益的重要手段。采用節(jié)水的先進工藝、設備,對于降低水耗、減少污染、提高效益、保護環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。
2 國內外節(jié)水理論的研究
隨著國內外對企業(yè)節(jié)水減排、提高水的綜合利用率的重視,節(jié)水理論方面的研究成為了熱點。有關節(jié)水減排的理論豐富多樣,比較典型的有水平衡測試理論、數(shù)學優(yōu)化理論、水夾點理論等。
2.1 水平衡測試理論
水平衡測試技術是指導企業(yè)水系統(tǒng)中用水單元節(jié)水的重要方法。該理論是通過企業(yè)用水現(xiàn)狀調查,對各用水單元進行水量平衡測試,找出取水量、補充水量、復用水量、排水量、耗水量及滲漏水量之間的關系,繪制水量平衡圖;開發(fā)查漏技術,建立快速有效的查漏方法,查找漏點并進行修復和改造;通過用水的合理化分析,制定有效的節(jié)水方案、措施及行業(yè)用水定額體系。但是,該理論僅限于單元節(jié)水研究,缺乏對系統(tǒng)的整體性優(yōu)化研究。
2.2 數(shù)學優(yōu)化理論
從上世紀80年代起,水的優(yōu)化分配就已開始研究,且僅針對簡單的單雜質系統(tǒng)。到目前數(shù)學優(yōu)化理論有了較大發(fā)展,該方法是在工程師定義的約束條件下,以產生新鮮水流量的最小值為目標函數(shù)的非線性規(guī)劃。其主要內容是:建立結構模型,找出約束條件,形成數(shù)學模型,即非線性方程組,最后通過數(shù)學優(yōu)化軟件設計最優(yōu)用水系統(tǒng)。該方法是處理多雜質和特殊模型的用水系統(tǒng)問題的有效工具,其中研究較多的有超結構模型等。其缺陷在于結構過于復雜。
2.3 水夾點理論
水夾點技術是通過構造濃度組合曲線找出夾點,計算新鮮水消耗的最小流量和廢水產生的最小流量。依據(jù)系統(tǒng)所需的工藝水質和水量狀況,通過將部分過程用水進行一水多用、循環(huán)復用、串聯(lián)使用、或加水稀釋后再用等,重新對水的流向和流量進行合理規(guī)劃,從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)新鮮水消耗的流量最小和產生廢水流量最小。與水平衡測試理論相比,水夾點技術著眼于整個用水系統(tǒng)的優(yōu)化研究,使整個用水系統(tǒng)的新鮮水用量和廢水排放量達到最小化。但在實際操作中應考查水的pH值、進出水溫、過程用水之間的距離及用水安全性等。其最大的缺陷是難以獲得相關極限數(shù)據(jù),工程應用難度較大,但其節(jié)水思路值得借鑒。
3 煤化工行業(yè)節(jié)水技術
工業(yè)節(jié)水必須革新工藝,研究與推廣新技術。目前國內外煤化工行業(yè)節(jié)水技術的改進主要基于以下幾方面。
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