专利名称：一种优化硫酸法钛白粉用水系统的方法
技术领域：
本发明属于水处理技术领域，涉及优化硫酸法生产钛白粉用水系统的方法。
背景技术：
钛白粉的工业生产方法有氯化法和硫酸法两种，国内钛白粉的工业生产方法应用较广的是硫酸法，此法的特点是生产过程需要消耗大量的新鲜水，并排放大量的酸性废水， 硫酸法钛白粉厂的节水减排问题已经成为钛白粉行业乃至化工行业关注的热点。水系统集成技术在钛白粉厂的应用研究，至今尚未见到公开报道。而硫酸法钛白粉厂某些用水单元的排水水质较好，具有很高的回用价值。钛白粉厂的废水回用，可以节约水资源，减少废水排放，以利于解决我国日益突出的水资源短缺和日趋严重的水污染问题。废水回用是硫酸法钛白粉厂节水减排的重要措施。其水系统涉及20多个用水单元，通过分析各用水单元进水和排水的水质和水量可知，晶种制备、一洗、二洗(金红石型)、二洗(锐钛型)、煅烧尾气喷淋吸收、三洗、清洁循环和酸性循环这8个单元是水系统的重要组成，尤其是三洗和清洁循环水站排水潜在回收价值高，是废水回用的关键。常规的节水策略通常着眼于单个用水单元或局部用水系统，而水系统集成技术则把企业的整个用水系统作为一个有机的整体来对待，能取得最大的节水效果，因此成为当前研究的热点。目前，水系统集成技术分为两大类水夹点分析法和数学规划法，近年来也有将以上两种方法组合应用。水夹点技术的优点是形象直观、物理意义明确，但设计过程相当复杂，且无法有效地进行多杂质用水系统的优化构建，相比之下，数学规划法在处理多杂质用水系统问题的情况下是更为有效的工具。水系统集成技术的应用研究已经涉及到多个生产行业，比如炼油厂、电化厂、聚氯乙烯厂和甲醇厂，其中某些研究已经得到成功地应用， 节水率达20% 30%。本发明针对硫酸法钛白粉厂是大规模多杂质用水系统，选择数学规划法对其水系统进行优化设计，得到各用水单元之间的废水回用关系，在整个用水系统的层面实现废水回用。现有技术的超结构模型较复杂，规模较大。本发明通过分析筛选主要用水单元，减少了水源和水阱的数量，简化了超结构模型的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷而提供一种利用数学规划法优化硫酸法生产钛白粉用水系统优化的方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案根据硫酸法钛白粉厂生产过程需要消耗大量的新鲜水，并排放大量的酸性废水， 且各操作单元排水中污染物来源、种类、浓度及对各单元影响的分析，提出一种利用数学规划法对硫酸法生产钛白粉的用水系统进行优化的方法，使新鲜水量和污水排放量达到最小。一种对硫酸法生产钛白粉的用水系统进行优化的方法，包含步骤①确定水阱和水源
②确定关键污染物组分各操作单元排水中的污染物种类众多，包括!^2+^+、^!2+』？+、^+、^』!!2+、？。/-、 SO:和CO广等。白度是钛白粉的一个重要的光学性质，Fe2+含量过高会影响钛白粉的白度，氧化铁含量大于0. 003%对金红石型钛白粉色相就有十分明显的影响，锐钛型钛白粉氧化铁含量大于0. 009%才发生色彩反应。如果回用水中!^2+的浓度超过了用水单元的浓度限值，会生成过量的狗203，影响成品的白度。Mn2+的影响与1 2+类似，钛铁矿中氧化铁的含量约占 40%，而氧化锰的含量不到1%，因此选择!^2+为特征污染物。光的散射即漫反射是形成白色颜料重要的光学效应——消色力和遮盖力的物理原因，当钛白粉中含有1 2%粒径大于0. 5 μ m以上的粒子时，则对产品光学性能造成有害的影响。CaSO4为白色晶体，粒径4 μ m,因此，如果钛白粉中硫酸钙的含量超过极限值，会通过影响漫反射对钛白粉的折射率、消色力和遮盖力等产生重要的影响。某钛白粉厂的排放废水主要是酸性废水，采用电石渣中和法对其进行处理，处理后废水中Ca2+的浓度很高。如果直接将废水回用到生产用水单元，会生成大量的硫酸钙沉淀影响成品的质量。如果采用适当的再生方法对污水处理站排水进一步处理，降低其Ca2+浓度，使其不至影响钛白粉的质量，便可以实现废水的回用。Mg2+的影响与Ca2+类似，处理后的废水中含有大量Ca2+，而钛铁矿中MgO的含量不到5%。因此，选择Ca2+为关键污染物。Zn2\ Na+、K+、P043_、S042_和C032_等来源于盐处理剂和湿磨粉机分散剂，含量很低， 而且氧化锌、氧化钠和氧化钾为白色氧化物，对钛白粉白度没有明显影响。综上所述，根据关键污染物的确定原则，结合某钛白粉厂各操作单元排水中污染物来源、种类、浓度及对各单元影响的分析，选取对整个系统的废水回用产生较大影响的物质作为关键污染物，并将几种作用、特点相似的污染物种类进行合并，最终确定1 2+和Ca2+ 为关键污染物。③关键污染物极限进出口浓度采用硫酸法钛白粉生产工艺，钛白粉的生产过程也是除去钛铁矿中杂质离子的过程，用水单元的主要作用是洗涤浆料以除去影响钛白粉白度的杂质离子狗2+，因此用水单元的排水中会引入狗2+。硫酸法钛白粉生产工艺排放大量酸性废水，采用电石渣中和沉降法处理废水，则废水站排水中含有大量的Ca2+。废水站排水经过再生过程处理之后，回用到各个用水单元。通过现场调研、理论分析和辅助的实验验证，最终确定硫酸法钛白粉厂水系统
中用水单元的极限入口浓度(c^Z )和极限出口浓度(c^ut )。极限进口浓度要求为0的单元，在用水网络中作为水源；极限进口浓度大于0的单元，在用水网络中作为水阱和水源。④建立水系统数学规划模型在建立数学模型之前，需要建立能用数学模型描述的物理模型，为了涵盖所有可能的系统结构，需要建立起以操作单元组成的用水系统的超结构。水系统超结构建立的基本思路是每个用水单元都有可能使用新鲜水和从其他单元来的水，成为接受其来水的水阱；从每个用水单元出来的水都有可能进入其他单元，成为供给它们水的水源，建立该超结构后，就可以建立数学规划模型。用非线性数学规划P(P为该规划的代号)优化初始水系统，可以得到直接回用水系统，P以所有用水单元的最小总新鲜水用量为目标函数，以每个单元的极限进口浓度、出口浓度及固定杂质传递负荷和每个单元的水质量平衡为约束条件。非线性数学规划P
目标函数^1 =1巧 i(1)
约束条件
Y[Cmax-C tlX + CnmxF. > 0 / jl ι.ιη j ,out J ij ι ,in ι j对(2)
Y^tZ-Ch0JXlj +C^F1 = Am1 XlO3 j^i(3)
F1^YjXlj-W1-Y4Xhl=O(4)J^i
式中
Fmin一最小新鲜水总量，t/h ；
Fi-单元i的新鲜水用量，t/h ；
^i,in-单元i的极限入口浓度，mg/L ；
广Iim iyout-单元i的极限出口浓度，mg/L ；
Cj，out——单元j的实际出口浓度，mg/L ；
Xi, J一单元j排至单元i的水流量，t/h ；
Wi-单元i的废水排放量，t/h ；
Ami一单元i的质量负荷，kg/h。
对上述用水系统设计所形成的数学模型，通过代_女建模系统(General Algebrai
ModelSystem,GAMS)优化求解，得到新鲜水去往各单元的流率与各单元之间的水流率，即用水系统中各操作单元的新鲜水用量Fi,操作单元之间的废水回用量)(^，操作单元的废水排放量W”⑤水系统调优在水系统优化过程中，水网络调优包括以下方面将流量小于lt/h的回用水改用新鲜水；整合污染物浓度相近的回用水管路；摒弃流量较小且污染物浓度较高的回用水管路。一种优化硫酸法生产钛白粉用水系统的方法，包含步骤(1)确定作为水阱和/或水源的操作单元；(2)确定步骤(1)中操作单元中关键污染物的组分；(3)确定步骤(1)中各操作单元的关键污染物极限进出口浓度最大值；(4)建立目标函数为最小新鲜水用量的水系统数学规划模型，应用计算软件GAMS 进行模型求解，得出各操作单元满足步骤(3)中关键污染物极限进出口浓度要求的新鲜水或回用水流入量和流出量，以此为依据绘制优化后的用水网络；(5)对步骤(4)得到的用水网络进行调优。所述的水阱是指可以将操作单元的出水作为其进水的操作单元。所述的操作单元选自金红石型钛白粉三洗工序用水单元、钛白粉生产线的清洁循环用水单元、钛白粉生产线的酸性循环单元、钛白粉生产线的晶种制备单元、金红石型二洗用水单元、锐钛型二洗用水单元或钛白粉生产线的一洗单元中的一个或一个以上。所述的水源是指其操作单元排出水可以作为操作单元的进水。所述的操作单元为金红石型三洗工序用水单元、钛白粉生产线的清洁循环用水单元、钛白粉生产线的酸性循环单元、钛白粉生产线的晶种制备单元、金红石型二洗用水单元、锐钛型二洗用水单元、钛白粉生产线的一洗单元或煅烧尾气处理单元中的一个或一个以上。所述的操作单元排水中的污染物包括佝2+、Mn2+、Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Zn2\ P043_、 SO42-或⑶广等中的一种或几种。所述的关键污染物为!^2+或Ca2+中的一种或两种，当研究废水直接回用网络时关键污染物为狗2+，当研究废水再生回用网络时关键污染物为狗2+和Ca2+。所述的步骤(3)的关键污染物极限进出口浓度同各操作单元的用水特征有关，操作单元不同，其极限进出口浓度范围不同，具体数值见表2所示。所述的步骤中数学规划模型的建立方法是机理分析法，该方法包含如下步骤首先，建立系统超结构；然后，根据该超结构建立数学规划模型；最后，根据非线性数学规划P优化初始水系统，得回用水系统。所述的步骤(4)具体是以所有用水单元的最小总新鲜水用量为目标函数，以每个单元的极限进口浓度、出口浓度及固定杂质传递负荷和每个单元的水质量平衡为约束条件，对上述用水系统设计所形成的数学模型，通过代数建模系统(General Algebraic Model System, GAMS)优化求解，得到新鲜水去往各单元的流率与各单元之间的水流率，即用水系统中各操作单元的新鲜水用量Fi,操作单元之间的废水回用量)(^，操作单元的废水排放量Wi。所述的非线性数学规划模型P的目标函数为
权利要求
1.一种优化硫酸法生产钛白粉用水系统的方法，其特征在于包含以下步骤(1)确定作为水阱和/或水源的操作单元；(2)确定步骤(1)中操作单元中关键污染物的组分；(3)确定步骤(1)中各操作单元的关键污染物极限进出口浓度最大值；(4)建立目标函数为最小新鲜水用量的水系统数学规划模型，应用计算软件GAMS进行模型求解，得出各操作单元满足步骤(3)中关键污染物极限进出口浓度要求的新鲜水或回用水流入量和流出量，以此为依据绘制优化后的用水网络；(5)对步骤(4)得到的用水网络进行调优。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的水阱是将操作单元的出水作为其进水的操作单元。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的操作单元选自金红石型三洗工序用水单元、钛白粉生产线的清洁循环用水单元、钛白粉生产线的酸性循环单元、钛白粉生产线的晶种制备单元、金红石型二洗用水单元、锐钛型二洗用水单元或钛白粉生产线的一洗单元中的一个或一个以上。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的水源是指其操作单元排出水可以作为操作单元的进水。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的操作单元选自金红石型三洗工序用水单元、钛白粉生产线的清洁循环用水单元、钛白粉生产线的酸性循环单元、钛白粉生产线的晶种制备单元、金红石型二洗用水单元、锐钛型二洗用水单元、钛白粉生产线的一洗单元或煅烧尾气处理单元中的一个或一个以上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的关键污染物为1 2+或Ca2+中的一种或两种，当研究废水直接回用网络时关键污染物为狗2+，当研究废水再生回用网络时关键污染物为狗2+和Ca2+。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(4)中数学规划模型的建立方法是机理分析法，该方法包含如下步骤首先，建立系统超结构；然后，根据该超结构建立数学规划模型；最后，根据非线性数学规划模型P优化初始水系统，得回用水系统。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的非线性数学规划P的目标函数为
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(5)的调优方法，包括以下方面将流量小于lt/h的回用水改用新鲜水；整合污染物浓度差值在O-IOppm以内的回用水管路和摒弃流量为0-0. 2t/h且污染物浓度为500-1000mg/L的回用水管路。
全文摘要
本发明属于水处理技术领域，涉及一种优化硫酸法生产钛白粉的用水系统的方法，其包含以下步骤(1)确定作为水阱和/或水源的操作单元；(2)确定步骤(1)中操作单元中关键污染物的组分；(3)确定步骤(1)中各操作单元的关键污染物极限进出口浓度最大值；(4)建立目标函数为最小新鲜水用量的水系统数学规划模型，对模型求解，得出各操作单元满足步骤(3)中关键污染物极限进出口浓度要求的新鲜水或回用水流入量和流出量，以此为依据绘制优化后的用水网络；(5)对步骤(4)得到的用水网络进行调优。本发明总结出了硫酸法钛白粉厂的水源、水阱、关键污染物组分和极限过程数据，大大简化了数学规划法优化硫酸法钛白粉厂的步骤。
文档编号C02F1/00GK102502896SQ20111033015
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者徐竟成, 李光明, 梁永利, 王政, 米小娟, 贺文智, 黄翔峰, 黄菊文 申请人:同济大学