水夾點(diǎn)技術(shù)在用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的工程應(yīng)用

路超 耿甜甜 趙亞珊

摘要：水夾點(diǎn)技術(shù)以追求新鮮水用量和廢水產(chǎn)生量最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，是一種用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)之一。本文介紹了幾種水夾點(diǎn)的算法，并對(duì)不同行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，以期對(duì)用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的應(yīng)用方面提供一些技術(shù)支持。

Abstract： Water pinch-point technology is one of the water network optimization technologies. It aims at minimizing the amount of fresh water and wastewater. This paper introduces several water pinch-point algorithms and summarizes the application status of different industries in order to provide some technical support for the application of water network optimization.

關(guān)鍵詞：水夾點(diǎn);用水網(wǎng)絡(luò);工程應(yīng)用

Key words： pinch-point technology;water network;engineering application

中圖分類號(hào)：X703 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）11-0179-03

0 ?引言

水資源短缺和水環(huán)境惡化已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素，嚴(yán)重影響人民的生活質(zhì)量和社會(huì)安定。提高過程工業(yè)（包括化學(xué)、石化、煉油、制藥和冶金等工業(yè)）水的重復(fù)率，在我國(guó)保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展方面具有重要意義。

1994年，英國(guó)Manchester大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究所的Wang和Smith等人在研究化工過程中廢水最小化問題時(shí)，首次提出了水夾點(diǎn)技術(shù)[1]。水夾點(diǎn)技術(shù)由熱夾點(diǎn)技術(shù)引申而來，兩者在傳質(zhì)和傳熱方面具有相似性。熱夾點(diǎn)在換熱網(wǎng)絡(luò)中是一個(gè)溫度點(diǎn)，不同的是水夾點(diǎn)是基于某關(guān)鍵雜質(zhì)的濃度，而不是溫度。熱夾點(diǎn)的特性是：“夾點(diǎn)以上不用冷源，夾點(diǎn)以下不用熱源，處于熱夾點(diǎn)溫度以上的物料可用處于熱夾點(diǎn)溫度以下物料冷卻，不用另外用其它冷源冷卻，處于熱夾點(diǎn)以下的物料不用熱源加熱僅用熱物料加熱即可?！迸c熱夾點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的水夾點(diǎn)的具有的特性是：“用水工藝過程中夾點(diǎn)以上位置的工藝過程用水不必用新鮮水，夾點(diǎn)以下位置工藝過程用水只能用新鮮水。在工業(yè)用水系統(tǒng)中節(jié)能減排的大量工作相當(dāng)于降低夾點(diǎn)位置，使新鮮水用量減少，排水量減少?！彼畩A點(diǎn)技術(shù)采用圖示的方法對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行分析和優(yōu)化，對(duì)于用水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

自水夾點(diǎn)技術(shù)提出以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論的角度，對(duì)水夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。但由于該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在一系列缺陷，諸如其依靠傳質(zhì)模型計(jì)算復(fù)雜及其所設(shè)計(jì)出的初始用水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等，進(jìn)而在實(shí)際系統(tǒng)用水改造中的應(yīng)用受到限制，使得是國(guó)內(nèi)外在水夾點(diǎn)的具體實(shí)際應(yīng)用方面的文獻(xiàn)相對(duì)較少[2]。本文對(duì)水夾點(diǎn)的計(jì)算方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹，重點(diǎn)綜述了再各行業(yè)的應(yīng)用狀況，以期對(duì)水夾點(diǎn)法在用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的應(yīng)用方面提供一些技術(shù)支持。

1 ?水夾點(diǎn)的研究方法

使用水夾點(diǎn)的技術(shù)前提是用水單元必須滿足雜質(zhì)傳質(zhì)模型。雜質(zhì)傳質(zhì)模型是指用水單元中，物料通過與水逆流接觸達(dá)到降低物流中雜質(zhì)濃度、使物流中雜質(zhì)濃度滿足下一個(gè)用水單元的進(jìn)水水質(zhì)要求，從而提高水重復(fù)利用率。用水單元中質(zhì)量交換過程可以用圖1所示的用水單元雜質(zhì)傳質(zhì)模型[3]來表示。

自水夾點(diǎn)技術(shù)被首次提出，水夾點(diǎn)技術(shù)的研究一直被廣泛關(guān)注。學(xué)者們先后提出了濃度組合曲線法、用水和水源組合曲線法、D-S組合曲線法、中間水道法等方法，這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。下文分別對(duì)這幾種方法進(jìn)行介紹。

1.1 濃度組合曲線法

濃度組合曲線法是最早的水夾點(diǎn)技術(shù)方法，主要是通過將所有用水單元的情況構(gòu)造復(fù)合曲線，將新鮮水的用量構(gòu)造最優(yōu)的供水線，為保證一定的傳質(zhì)推動(dòng)力，供水線必須總是處于濃度組合4曲線的下方或與濃度組合曲線重疊。隨著供水線的斜率增大，供水線不斷與復(fù)合曲線靠近去尋找夾點(diǎn)，當(dāng)供水線的某點(diǎn)與復(fù)合曲線開始重合時(shí)，重合的位置就是所謂的“水夾點(diǎn)”。此時(shí)出口濃度達(dá)到最大，新鮮水用量達(dá)到最小，就可以確定用水系統(tǒng)的節(jié)水瓶頸。如圖2為濃度組合曲線圖，水夾點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的新鮮水流量就代表了整個(gè)系統(tǒng)的新鮮水的最小用量。構(gòu)造完濃度組合曲線，確定水夾點(diǎn)之后，在應(yīng)用格子圖法對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行水量分配。

1.2 用水和水源組合曲線法

用水和水源組合曲線法主要是通過用水和水源組合曲線來尋找節(jié)水瓶頸。如圖3所示。其中用水組合線代表新鮮水的用量的組合線，水源組合線為廢水的排放量的組合線。用水和水源組合曲線法的基本思想是用水和水源組合曲線在橫軸方向上相重疊的部分之間互相匹配，在兩條組合曲線越來越接近的情況下，用水系統(tǒng)的新鮮水用量和廢水排放量也會(huì)不斷減少，直到在某處兩條組合曲線匯合，那時(shí)廢水排放量和新鮮水用量均最小，夾點(diǎn)即為兩組合曲線相接觸的點(diǎn)。新鮮水用量是指用水組合線向右平移的距離，廢水排放量是指平移后的用水組合線與水源組合線末端的水平距離。

1.3 D-S組合曲線法

D-S組合曲線法主要是通過繪制D-S組合曲線，尋找夾點(diǎn)，確定用水系統(tǒng)節(jié)水瓶頸，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)最優(yōu)用水系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有用水系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。如圖4所示。其中，D即demand，代表水阱，指潛在可以利用回用水代替新鮮水以及直接利用新鮮水的用水操作;S即source，代表水源，指可作為水回用的用水操作，包括新鮮水、各用水單元排出的可能再次利用的“二次水”，甚至包括可處理的“污水”等所有可以利用的各種水。D-S組合曲線法的基本思想是向右水平移動(dòng)S組合曲線，使其完全在D組合曲線下方且有惟一交點(diǎn)，該交點(diǎn)即為夾點(diǎn)。新鮮水用量是指S組合曲線向右水平移動(dòng)距離，廢水排放量是指平移后的S組合曲線與D組合曲線各自末端的水平距離。該法類似用水和水源組合曲線法，具有應(yīng)用過程簡(jiǎn)練和簡(jiǎn)單易懂的特點(diǎn)，且應(yīng)用前景十分可觀。

1.4 中間水道法

馮霄教授和 Warren D.Seider 教授提出一種新的水回用模式，即具有中間水道的水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過在用水系統(tǒng)中添加一個(gè)或兩個(gè)中間水道，中間水道可源于一些用水單元的具有較低濃度的廢水排放，又可用于另一些可用較高濃度的供水的單元，所有用水單元都同新鮮水道、中間水道、廢水道相連，從其中一些取水，向其中之一排水[4]。中間水道法是解決多雜質(zhì)系統(tǒng)的有效手段，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易于控制。但由于這種用水網(wǎng)絡(luò)中的過程只能從水道取水，且排水只能送往一級(jí)水道，結(jié)構(gòu)上受到了一定的限制，因此其所需的最小新鮮水量較常規(guī)水回用網(wǎng)絡(luò)的最小新鮮水量略大了一些。通過引入中間水道，不僅簡(jiǎn)化了用水系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也有利于各用水過程進(jìn)口水質(zhì)的控制，大大改善了常規(guī)水回用網(wǎng)絡(luò)中用水過程之間相互影響不易控制的缺點(diǎn)。

2 ?水夾點(diǎn)的工程應(yīng)用

水夾點(diǎn)技術(shù)可用于用水網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，本文從石化、煤化工、煉油、冶金、印染行業(yè)對(duì)水夾點(diǎn)技術(shù)的工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行介紹。

2.1 石化行業(yè)的應(yīng)用

目前我國(guó)石化行業(yè)加工噸原油所耗的鮮水量是發(fā)達(dá)國(guó)家的5-6倍，作為用水大戶和廢水排放大戶，污水處理能力與國(guó)際水平相比還有一定差距，節(jié)水改造勢(shì)在必行。清華大學(xué)韓政[5]以水平衡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過水夾點(diǎn)技術(shù)改造大連石化公司，使該公司用水、排水指標(biāo)均達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平;王煒亮[6]等用水夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)某石化企業(yè)進(jìn)行用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究，優(yōu)化后的用水網(wǎng)絡(luò)分別節(jié)約新鮮水用量18.79%和22.47%。耿立東[7]等將多污染因子水配合回用網(wǎng)絡(luò)分析方法應(yīng)用于某石化企業(yè)，該方法大大簡(jiǎn)化了用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，取得了17.76%節(jié)水效果。

2.2 煤化工行業(yè)的應(yīng)用

我國(guó)煤炭資源和水資源呈逆向分布，極不均衡。煤化行業(yè)是用水大戶，又多處于內(nèi)蒙、新疆等水資源匱乏地區(qū)，過度取水則會(huì)造成生態(tài)破壞，節(jié)水減排迫在眉睫。劉志學(xué)[8]針對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的用水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不優(yōu)化、水耗偏高等缺點(diǎn)，分析原因做出改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)效益與指標(biāo)的同步提升，取得非常好的節(jié)水效果和經(jīng)濟(jì)效益。鄢凱[9]對(duì)煤化工工業(yè)園區(qū)的用水單元和用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)查和分析，利用水夾點(diǎn)技術(shù)的圖形法繪制出極限復(fù)合曲線，取得了一定的節(jié)水經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 煉油行業(yè)的應(yīng)用

煉油廠同樣是耗水大戶，對(duì)水的質(zhì)量要求不盡相同，可供使用水源的品質(zhì)和價(jià)格也不同。因此開展煉油企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化研究，對(duì)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展、企業(yè)降耗增效具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。郭宏新[10]提出的以水夾點(diǎn)理論為基礎(chǔ)的過程集成技術(shù)適用于整個(gè)煉油廠或者區(qū)域用水網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明采用污水回用可節(jié)省21.5%的費(fèi)用污水回用+水再生比單獨(dú)的回用節(jié)省47.6%的費(fèi)用;2006年初，采用水夾點(diǎn)集成理念，大慶石化分公司對(duì)具有“直用直排，末端集中序列處理”的缺點(diǎn)的水系統(tǒng)進(jìn)行總體規(guī)劃，盡可能將進(jìn)入系統(tǒng)的水多次利用、清污分流、分散再生、污水回用，達(dá)到了良好的節(jié)水效果[11];袁一星等[12]給出水夾點(diǎn)技術(shù)理論在某煉油廠的計(jì)算實(shí)例，該實(shí)例的實(shí)施可使所需最小新鮮水流量為114.25t/h，總用水量148t/h，共節(jié)約用水量23%。2015年，Mughees W等[13]利用水夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)煉油廠的最小用水量進(jìn)行了分析。基于單一和雙重污染物的方法，在同時(shí)考慮化學(xué)需氧量COD和硬度的情況下，降低了38.8%淡水的百分比，對(duì)數(shù)學(xué)規(guī)劃結(jié)果的分析也用圖解法計(jì)算證明了淡水的準(zhǔn)確需求。

2.4 冶金行業(yè)的應(yīng)用

我國(guó)冶金企業(yè)在噸鋼耗新水指標(biāo)和水的循環(huán)率方面與國(guó)外同行先進(jìn)水平比還有相當(dāng)大的差距，存在著巨大的節(jié)水潛力。張建紅，吳禮云等[14]以首鋼某煉鋼廠節(jié)水改造為例， 給出了用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案。實(shí)踐證明該方案具有可行性，理論上至少可取得62.3%以上的節(jié)水效果;Gao C K等[15]借鑒系統(tǒng)節(jié)能理論中的“能量載體”和“能源價(jià)值”概念，引入“水載體”和“水價(jià)值”的新概念，構(gòu)建鋼鐵生產(chǎn)的用水價(jià)值模型。以中國(guó)鋼鐵集團(tuán)作為試點(diǎn)，對(duì)水的價(jià)值模型的可行性和適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，熱軋卷板使用這種轉(zhuǎn)換方法可節(jié)約用水量是65.88立方米/噸。

2.5 印染行業(yè)的應(yīng)用

印染行業(yè)不但水耗量大，水污染十分嚴(yán)重，廢水中的污染物危害程度大，屬于危害較大行業(yè)，節(jié)水凈水具有十分重要的意義。賴冬麟[16]通過水夾點(diǎn)分析，探討了棉針織染整企業(yè)現(xiàn)有工藝下的最大節(jié)水潛力及假設(shè)通過工藝改進(jìn)下的最大節(jié)水潛力，并優(yōu)化了某企業(yè)的用水網(wǎng)絡(luò)，降低了新鮮水消耗量，提高了廢水回用率，降低了生產(chǎn)成本;常吟琳等[17]針對(duì)我國(guó)棉針織企業(yè)排水特點(diǎn)，采用水夾點(diǎn)技術(shù)使整個(gè)企業(yè)廢水回用率可達(dá)到71.45%，與此同時(shí)在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)層面驗(yàn)證了此項(xiàng)工藝的可行性。鄧燕平[18]以宜興坤風(fēng)印染廠為例，應(yīng)用水夾點(diǎn)理論于印染廠的用水系統(tǒng)，提出了企業(yè)不同的廢水回用措施，使企業(yè)最大廢水回用率達(dá)75%。

3 ?結(jié)論與展望

水夾點(diǎn)技術(shù)已應(yīng)用于多行業(yè)的用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中。水夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，但尚無在高新技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的案例。水夾點(diǎn)技術(shù)方法眾多，學(xué)者一直在進(jìn)行算法的優(yōu)化，但是針對(duì)多雜質(zhì)系統(tǒng)，水夾點(diǎn)技術(shù)仍然存在計(jì)算復(fù)雜的缺陷?？傃灾畩A點(diǎn)技術(shù)要求根據(jù)企業(yè)不同進(jìn)行調(diào)整不同的節(jié)水策略，實(shí)現(xiàn)廢水回用率最大，新鮮水用量最小，對(duì)于水環(huán)境系統(tǒng)的優(yōu)化具有十分重要的實(shí)踐意義，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)深入研究。

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