本文基于系统工程理论,开展煤化工行业水系统集成优化理论与技术研究。首先着眼于全厂水系统的宏观层面,开发了适用于水网络优化的“遗传算法”,并对全厂水网络进行了优化改造；其次针对循环水系统,开展了循环水用水网络优化及软化基础理论与技术研究。针对水网络优化过程的数学问题实质,开发了“小生境退火遗传算法”。首先针对水网络优化求解空间庞杂的问题,开展了求解空间的简化工作,利用浓度约束、流量约束、质量约束等条件,以及夹点技术,对用水网络超结构模型及循环水网络超结构模型进行了精简工作,从而提高了算法的收敛性、准确性、稳定性。其次针对水网络优化约束条件复杂的问题,构建了全新的、具有自适应性的适应度函数,该适应度函数可以很好地平衡约束函数和目标函数,确保算法在求解前后过程中均做出准确的“遗传行为”。通过实例验证,表明该算法适用于单杂质、多杂质、管路约束、循环水网络优化等多种情况。以自主算法为核心,开发了一套用水网络优化软件。该软件具备独立的视窗界面,降低了用户优化操作的难度；设置了约束条件自动生成模块,解决了用户无法独立生成约束条件的困难,提升了算法的易用性；构建了流程图输出模块,便于用户对优化结果的理解。将软件应用于某煤化工企业,优化后一次水节约率为21%；除盐水节约率为29%；废水减排率为66%。针对软化工艺出水浊度高、沉淀产物细小的问题,开展了成核机理、软化速率、粒径分布的研究。在碳酸钙“聚集成核”模型的基础上,假设破碎过程为“二元随机”过程,建立了“聚集-破碎成核”模型,在上述模型的基础上,采用多重Monte carlo算法考察了不同过饱和度的情况下,体系的成核诱导时间及颗粒粒径分布情况,结果表明“聚集-破碎成核”模型的模拟误差(9.8%)小于“聚集成核”模型的模拟误差(24.3%),更接近于实际成核过程,模拟结果显示过饱和度对于细小颗粒的产生具有重要的影响。通过改造万通907型电位滴定仪,建立了定组成实验装置,考察了不同条件(温度、过饱和度、离子强度、pH)下软化速率及产物粒径分布的变化情况,结果表明,随着上述参数的升高,软化速率均有不同程度的提升,但软化产物中细小颗粒所占的比例也逐步增大,因此在软化过程中,当温度等参数升高时,应添加晶种等措施,以抑制成核现象的发生。针对循环水外排水、地下水软化效率不高的问题,开展了水质分析、混凝剂筛选、添加晶种的研究。水质分析结果表明,由于水样中存在着天然有机物或阻垢剂,导致水样中方解石、白云石、文石等均存在着不同程度的过饱和现象,难以结晶析出。研究表明通过添加混凝剂,可以部分去除水体中有机物(40%)或者阻垢剂(>90%),通过添加混凝剂和晶种可以提升软化程度20%至30%。通过软化处理,外排水Ca2+浓度可以降到50mg/L至20mg/L之间；地下水Ca2+浓度可以降到30mg/L左右,单从硬度指标评价,均可以满足循环冷却水的要求。基于上述研究,提出了“强化软化”策略,即在传统的软化过程中添加混凝药剂和晶种,在加药点附近控制过饱和度,从而可以有效提升软化效果,改善产物沉淀效果,该策略不但可以应用于软化过程,也可以应用于其他难溶盐的沉淀处理。将上述策略应用于该企业循环水补水软化方案设计中,预计改造后每日可减少采水900吨,减少排水900吨,约20个月可以收回项目投资。