清洁生产原理与应用课程练习题.doc

《清洁生产原理与应用》
课程练习题

说明：作业8-15作完之后发，以班级为单位发送，12月18日晚8点之前交。

注：如有抄袭现象，这项成绩为零分，该习题占平时成绩60%。
化工厂
清洁生产审核练习题
中华人民共和国环境保护部清洁生产中心

前言
本套练习题选取我国一家化工企业作为背景，结合清洁生产审核的过程，对清洁生产审核的每一阶段进行逐步练习。
在本练习中，每一阶段的第一部分都对工厂的相关情况进行了简要介绍，同时为学生提供了完成作业所必需的相关信息。随着培训课程的逐步深入，针对每一道新作业题都会给出新的信息，大多数的作业都需要考虑此题之前给出的信息。特别说明的是，每一题仅与练习题中此题之前提供的信息有关，与其后的信息没有直接联系。

第一阶段：筹划和组织

这家化工厂属于某化学工业集团公司，自从1956年建立以来，已经发展成为一家精细化学品工厂，主要生产塑料添加剂和其它有机化学品。该厂是高聚物材料(聚氯乙烯、聚烯烃、涂料等)添加剂的专业生产厂家 。全厂约有2800名职工，其中包括630名工程师和技术人员。
厂里的主要设备建于1956年，现在仍然可以使用，但是厂里领导认为这批设备已经过时，正在寻求资金更新设备。工厂的生产业务计划由厂里制订，整体战略计划则由总部制订；大的投资须由总部来批准；研究开发任务以及投资项目的准备工作由工厂承担完成。工厂主要根据长期订单来制作其生产计划，其它任务(如维修等)在工作分派上从属于生产，即根据生产需要进行安排。
这家化工厂的产品主要分为6类：抗氧化剂、两种增塑剂、有机溶剂和两种聚烯烃，共约40种产品。
在过去十年中，工厂为了达到政府制订的国家环境排放标准，已经实行了多项环保措施。目前工厂每天排放约7600吨污水，COD产生量平均每天7吨，一年交纳70万元排污费。为了达到地方环境部门制订的污染物排放标准，该厂认为需要扩大污水处理厂的能力，在两年内将COD排放总量降低20%。

作业1：管理层的参与
至少找出一条在审核前工厂管理层可能提出的障碍，对障碍进行分析并提出解决的办法。

这家工厂有6个主要生产车间，直接受厂级领导管理，并设有辅助部门，例如财会部门、技术设备部门(包括维修科、实验室和研究开发科)和环保部门。该厂实行厂长负责制，总工程师负责配合厂长工作。每个辅助部门的领导直接向厂长汇报工作。每个车间设一名车间主任，并有一名技术主管负责协助管理工作，车间主任和技术主管分别向厂长和总工程师汇报工作。车间有各自的环保工程师、维修工程师、操作工程师、过程控制人员和操作工，工人被分为不同的班组轮班工作。图1给出了该化工厂的组织结构示意图。
厂级领导决定进行清洁生产审核后，成立了审核小组。审核小组的首要任务是使全厂认识到清洁生产审核的目的及其重要性，并选择一个车间进行重点审核，设立清洁生产目标。因此，审核小组首先对车间主任进行培训，向他们介绍清洁生产的概念以及清洁生产审核的相关知识。但是，由于工作负担，只有几个车间主任参加了此次培训。
实验室
研究开发科
管理层
财务部门
环境部门
技术设备部门
维修科
溶剂车间
抗氧剂车间
塑化剂二车间
聚烯烃一车间
聚烯烃二车间
塑化剂一车间
车间主任
技术主管
环保工程师
维修工程师
操作工程师
过程监督员
操作工

图1 化工厂组织机构示意图
作业2：审核小组
●根据图1，请帮助该厂组建清洁生产审核小组，注明每个审核小组成员的专长和职能，并且阐明审核小组为什么需要这种专长和这项职能。
●至少找出一条审核小组在实施清洁生产审核过程中可能遇到的障碍，并提出克服障碍的方法。
●采取何种措施才能够使普通员工参与清洁生产审核工作并且确保厂级领导能够持续参与支持清洁生产审核工作？

第二阶段：预评估

审核小组所面临的首要任务是减少废水排放。审核小组在启动预评估后，根据所掌握的数据资料，对各生产车间的产出、废水排放和能耗等情况进行了比较分析，结果如下：
(1) 无论在数量上还是价值上，两个聚烯烃车间的产出都是最高的；抗氧剂车间的产出最低。
(2)聚烯烃一车间 COD产生量大约占全厂COD产生总量的50%。
(3)抗氧剂车间的排放物数量少，但其最终产品(一种有毒的锡的金属有机化合物)可能会随废水流失，造成其排放物的毒性最大。
(4)塑化剂一车间和溶剂车间的能耗较低，根据反应计量、计算，其能耗已接近于理论最佳值。
(5)审核小组认为两个聚烯烃车间和溶剂车间都存在较大的清洁生产潜力。
(6)清洁生产审核工作启动后，聚烯烃一车间和抗氧剂车间的工人都非常积极，表示愿意参加清洁生产审核工作。

作业3：审核重点
根据所给信息，确定三个本轮清洁生产审核的备选审核重点，并从中筛选出本轮清洁生产审核的审核重点，要求说明做出这种选择的原因。

作业4：清洁生产目标
如果工厂污水处理厂的处理效率不变，为了使COD排放总量降低20%，必须将COD产生量降低20%。请为工厂和审核重点设定具体的、定量的清洁生产目标。

第三阶段：评估

聚烯烃一车间(生产用于溶剂型油漆的分散剂)由若干个单元操作组成。第一步是合成反应，后面是粗品的蒸发、冷却结晶、离心过滤、干燥，形成最终产品。整个生产过程用到四种原料(A、B、C、D)。在配料单元,这四种原料首先与工艺水进行混合,之后被送到合成反应器中进行反应。合成反应是放热的,用冷却水进行间接冷却。反应结束后，合成溶液被输送到一次蒸发器中，蒸发出的液体进入回收单元，该液体含有未反应的原料A，经过回收单元处理后，一部分送回配料单元，其余的直接排掉。一次蒸发单元的产物(一次母液)进入二次蒸发器。(后续生产过程省略)。

作业5：工艺流程图
画出聚烯烃一车间的工艺流程图(部分)，包括配料、合成、一次蒸发和回收单元这几部分单元操作，指出可能的污染物排放点。

下面的表(1-3)中给出了化工厂合成反应及部分后续单元的生产数据汇总，操作单元包括配料、合成、一次蒸发以及回收。这些数据都是在正常生产过程中通过实测得到的。
说明：(1)该车间生产过程的所有输入输出物料已全部标在表中；(2)合成反应过程中，水不参与也不生成；(3)合成反应单元之后的工艺过程中，物料A、物料D、产品、副产品、水等相互之间无化学反应。
表1：合成反应单元的总输入
总输入
数量
单位价格
1.原料A
新输入
730公斤/小时
2.7元/公斤
回收单元中回收利用部分
300公斤/小时(含在4000公斤/小时的回收水中，此处4000公斤/小时为水量，不含300公斤原料A的数量)

2.原料B
226.4公斤/小时
4.4元/公斤
3.原料C
261.6公斤/小时
1.7元/公斤
4.原料D
20.4公斤/小时
4.8元/公斤
5.水(包括工艺水与冷却水)
8.4吨/小时
0.7元/吨
6.电
190度/小时
0.4元/度
表2：合成反应器的输出(合成溶液的成分) (单位：公斤/小时)
合成反应器的输出
数量
1.产品
626
2.副产品
444
3.原料A
436
4.原料D
9.7
5.工艺水
7300
表3：一次蒸发器的输出(一次母液的成分) (单位：公斤/小时)
一次蒸发后的输出
送到二次蒸发器(一次母液)
送到回收单元(蒸出液)
1.产品
566

2.副产品
398

3.原料A
7.8
384
4.原料D
0.2
8.5
5.工艺水
1645
4927

作业6：物料平衡
●根据上述三个表的输入—输出数据画出合成、回收、一次蒸发器三个部位的物料平衡图，利用物料平衡计算出下列内容：(1)合成反应器冷却系统的冷却水用量；(2)回收单元排出废水的成分；(3)一次蒸发器中的损失。
●根据上述信息画出聚烯烃一车间的物料流程图和物料平衡图。

输入的原料A、B和C是液体，批量运输；原料D是固体，装在5公斤的袋中运送。在配料区，每种原料分别同新加的工艺水和回收单元中的回收液(原料A)混合。合成反应是放热的，因此要用水冷却，反应产率依赖于反应温度。一次蒸发是用来除去多余的水和未反应的原料A和D。因为缺少维修，一次蒸发器的状况较差，检测到几处泄漏和溢流。在回收过程中，部分过量(未反应)的原料A循环回到配料区，但由于合成反应器冷却系统的制冷量低，目前只有其中的一部分被重复使用。在单元操作之间，液体原料通过管道运送，固体原料用传送带运送。现场调查发现管道上有几处泄漏。在操作中，随机抽取样品，手动控制生产过程。合成、澄清工序同最终产物的洗涤都是分批进行的，其余工序的步骤都是连续进行的。工厂的生产一天24小时分3班连续进行。合成工序的产率在80%左右(行业平均水平为85%)。车间负责组织安排生产过程的各项操作，在车间的要求下维修组负责对设备进行维修。

作业7：原因分析
分析上面练习中说明的废弃物产生的原因，参照以下8条提示，从前面给出的信息推出可能原因：
1.原辅料及能源是否对废弃物的数量或成分有影响？

2.技术工艺是否对废弃物的数量或成分有影响？

3.设备是否对废弃物的数量或成分有影响？

4.过程控制是否对废弃物的数量或成分有影响？

5.产品是否对废弃物的数量或成分有影响？

6.废弃物本身特性是否对废弃物的数量或成分有影响？

7.管理是否对废弃物的数量或成分有影响？

8.员工素质是否对废弃物的数量或成分有影响？

第四阶段：方案产生和筛选

作业8：方案产生
根据工艺说明、物料平衡及相关的分析，产生清洁生产方案。从八个方面着手产生相应的方案，并将方案简要写在表中(表4)。八个方面如下：
1.如何改进原辅料及能源才能尽量减少或消除废弃物？
2.如何改进技术工艺才能尽量减少或消除废弃物？
3.如何改进设备才能尽量减少或消除废弃物？
4.如何改进过程控制才能尽量减少或消除废弃物？
5.如何改进产品才能尽量减少或消除废弃物？
6.如何利用废弃物本身特性才能尽量减少或消除废弃物？
7.如何加强管理才能尽量减少或消除废弃物？
8.如何提高员工素质才能尽量减少或消除废弃物？
表4：方案产生
方案类型
清洁生产方案
原辅材料及能源

技术工艺

设备

过程控制

产品

废弃物

管理

员工

第五阶段：可行性分析

为了说明可行性的过程，下面就四个清洁生产方案进行了详细论述。这四个方案是从审核小组产生的众多方案中挑选出来的。
1.冷却系统的改造
为了提高制冷能力，必须安装第二台制冷设备，这样可以增加合成反应器的进料量，进而使一次蒸发器中出来的原料A可以得到全部的循环利用。安装第二套循环系统需要新的冷却水管道，反应器本身只需要再管道方面做有限的改动。市场上很容易找到关于冷却系统的技术，技术设备部门的工程师也熟悉这些技术。反应器旁边有容纳制冷设备的空间。不要要额外的培训，但是由于反应器的进料量增加，必须为操作工制订新的操作规程并进行相应的培训和管理。
2.安装电脑控制的反应器装料和过程控制系统
可以安装一台微电脑控制器对过程进行最优化控制。合成反应器上需要增加连线。因为原料B在合成反应中完全转化，其流量可用来作为反应过程的控制参数，还要增加连线和管道从而控制原料B的流量。这方面的技术相当简单，但是还没有应用于化工厂，操作工和技术设备部门将需要进行额外的培训。
3.将原料D的5公斤包装袋改为可重复使用的200公斤包装桶
这会减少包装浪费，避免向混料箱(配料)装料时的散落。因为财务部门负责定购，所以必须通知该部门。需要制作新的操作规程，并对操作工人进行相关培训，同时还要添置新的操作设备。
4.修补漏洞和改进维修程序
在实地调查中发现很多泄露、管路阻塞、物料散落等问题，大部分立即做了修复。目前维修工作仅仅在需要的时候才进行，也就是说设备在维修时已经无法使用了。作为技术设备部门的一部分，维修科愿意重新安排工作程序，以满足车间持续预防性维修计划的需要。因为加大了工作量，所以需要增加技术人员和操作工人，但是财务部门不同意雇用新的人员，因此增加的工作量只能由有关部门和车间承担。各方面商定了一个试验期，在此期间由技术设备部门的技术人员、维修组和聚烯烃一车间共同负责预防性维修，希望增加的维修工作量能够减少设备的维修从而降低技术部门的工作量。此项方案不需要进行额外的培训，但必须列出一份任务清单并按照清单严格执行。

作业9：初步分析
通过下表5对上述4个方案进行初步分析，并确定哪些方案需要详细的技术、经济和环境评估？
表5：清洁生产方案的初步分析
方案
涉及的变动
实施难易
投资成本
所需进一步评估
预计实施时间
人员
设备
简单
复杂
低
高
技术
环境
经济
短
中
长
冷却系统的改造

电脑控制

改用200公斤包装桶

改进维修程序

厂级领导根据审核小组的方案筛选结果，决定立即改变包装和进行预防性维修，结果审核重点的一次蒸发器产出(含产品和副产品)提高了5%，审核重点排出的COD减少了3%。

作业10：实施有效的车间管理方案
利用上述改进车间管理类方案的实施所取得的经济收益，估算这些方案的实施对物料平衡的影响，并将计算结果填入表6中：
表6：有效车间管理实施前后的经济效益对比
项目(价格)
实施前
实施后
差别
数量
(小时)
价值
(元/小时)
数量
(小时)
价值
(元/小时)
经济收益
(元/小时)
输出
产品(10元/公斤)

副产品(50元/吨)

COD(0.4元/公斤)

总收益

扩大制冷量需要安装一套氨冷却系统，这样在保持同样的反应效率(相同的产率)和产品质量情况下，反应器的进料量可增加约12%，总产出也可增加约12%，耗新鲜水量增加到18吨/小时。同时，回收单元回收的原料A的重复使用率可达到100%。
由于提高了原料A的重复使用率，COD可减少100公斤/小时。而配料、合成、冷却、蒸发和回收操作的耗电量则从190度/小时增加到200度/小时。

作业11：技术评估(节约的证明)
估算冷却系统的改动引起的物料平衡的变化(在作业10的基础上答题)，并计算节省的操作成本，将计算结果填写到表7中。
表7：冷却系统的改动对物料平衡的影响和预计节省费用
项目(价格)
实施前
实施后
差别
数量
(小时)
价值
(元/小时)
数量
(小时)
价值
(元/小时)
经济收益
(元/小时)
输入
输入原料：
A(2.7元/公斤)
B(4.4元/公斤)
C(1.7元/公斤)
D(4.8元/公斤)

新鲜水(0.7元/吨)

电(0.4元/度)

输出
产品(10元/公斤)

副产品(50元/吨)

COD(0.4元/公斤)

总收益

据估算，冷却系统的改动扩容所需要的投资金额为91万元(包括管道和设备)，该企业一年共300个工作日，根据题目所给信息进行经济评估。

作业12：经济评估
利用表8中给出的数据，评估改动冷却系统的经济可行性。要求至少计算出投资偿还期和净现值。
表8：财务数据
节省的操作成本(每年)
万元
增加的操作和维修成本
无
年度总节省
万元
贴现率
12%
折旧年限
10年
工厂税率
11%
作业13：环境评估
这项方案的环境效益是什么？聚烯烃一车间是否已经达到其制定的清洁生产目标？

第六、七阶段：清洁生产方案的实施和持续清洁生产

清洁生产审核小组对产生的清洁生产方案进行了筛选，并对部分初步可行的中高费方案进行了可行性分析。根据评估结果，审核小组认为所提出的这四项中高费方案均可行，即冷却系统的改造、实现电脑控制、采用200公斤新包装和实施预防性维护。审核小组决定将本轮清洁生产审核取得的主要成果向厂级领导进行汇报。

作业14：重要结论
本轮清洁生产审核最重要的结论是什么？

作业15：持续清洁生产
提出几条明显应该实施的措施，使该化工厂的清洁生产能够持续下去。