水夾點技術在用水網絡優化中的工程應用

路超 耿甜甜 趙亞珊

摘要：水夾點技術以追求新鮮水用量和廢水產生量最小為設計目標，是一種用水網絡優化技術之一。本文介紹了幾種水夾點的算法，并對不同行業的應用現狀進行了綜述，以期對用水網絡優化的應用方面提供一些技術支持。

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.

關鍵詞：水夾點;用水網絡;工程應用

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

中圖分類號：X703 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）11-0179-03

0 ?引言

水資源短缺和水環境惡化已經成為制約經濟發展的主要因素，嚴重影響人民的生活質量和社會安定。提高過程工業（包括化學、石化、煉油、制藥和冶金等工業）水的重復率，在我國保護環境和經濟可持續發展方面具有重要意義。

1994年，英國Manchester大學科學技術研究所的Wang和Smith等人在研究化工過程中廢水最小化問題時，首次提出了水夾點技術[1]。水夾點技術由熱夾點技術引申而來，兩者在傳質和傳熱方面具有相似性。熱夾點在換熱網絡中是一個溫度點，不同的是水夾點是基于某關鍵雜質的濃度，而不是溫度。熱夾點的特性是：“夾點以上不用冷源，夾點以下不用熱源，處于熱夾點溫度以上的物料可用處于熱夾點溫度以下物料冷卻，不用另外用其它冷源冷卻，處于熱夾點以下的物料不用熱源加熱僅用熱物料加熱即可。”與熱夾點相對應的水夾點的具有的特性是：“用水工藝過程中夾點以上位置的工藝過程用水不必用新鮮水，夾點以下位置工藝過程用水只能用新鮮水。在工業用水系統中節能減排的大量工作相當于降低夾點位置，使新鮮水用量減少，排水量減少。”水夾點技術采用圖示的方法對水系統進行分析和優化，對于用水網絡的設計具有重要的指導意義。

自水夾點技術提出以來，國內外學者從理論的角度，對水夾點技術進行了深入的研究。但由于該技術在實際應用中存在一系列缺陷，諸如其依靠傳質模型計算復雜及其所設計出的初始用水網絡結構較為復雜等，進而在實際系統用水改造中的應用受到限制，使得是國內外在水夾點的具體實際應用方面的文獻相對較少[2]。本文對水夾點的計算方法進行簡要的介紹，重點綜述了再各行業的應用狀況，以期對水夾點法在用水網絡優化的應用方面提供一些技術支持。

1 ?水夾點的研究方法

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

自水夾點技術被首次提出，水夾點技術的研究一直被廣泛關注。學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缺點。下文分別對這幾種方法進行介紹。

1.1 濃度組合曲線法

濃度組合曲線法是最早的水夾點技術方法，主要是通過將所有用水單元的情況構造復合曲線，將新鮮水的用量構造最優的供水線，為保證一定的傳質推動力，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，供水線不斷與復合曲線靠近去尋找夾點，當供水線的某點與復合曲線開始重合時，重合的位置就是所謂的“水夾點”。此時出口濃度達到最大，新鮮水用量達到最小，就可以確定用水系統的節水瓶頸。如圖2為濃度組合曲線圖，水夾點所對應的新鮮水流量就代表了整個系統的新鮮水的最小用量。構造完濃度組合曲線，確定水夾點之后，在應用格子圖法對水系統進行水量分配。

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，用水系統的新鮮水用量和廢水排放量也會不斷減少，直到在某處兩條組合曲線匯合，那時廢水排放量和新鮮水用量均最小，夾點即為兩組合曲線相接觸的點。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，確定用水系統節水瓶頸，從而指導設計最優用水系統或對現有用水系統進行改進。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S組合曲線，使其完全在D組合曲線下方且有惟一交點，該交點即為夾點。新鮮水用量是指S組合曲線向右水平移動距離，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，具有應用過程簡練和簡單易懂的特點，且應用前景十分可觀。

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絡結構。通過在用水系統中添加一個或兩個中間水道，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系統的有效手段，結構簡單，且易于控制。但由于這種用水網絡中的過程只能從水道取水，且排水只能送往一級水道，結構上受到了一定的限制，因此其所需的最小新鮮水量較常規水回用網絡的最小新鮮水量略大了一些。通過引入中間水道，不僅簡化了用水系統的網絡結構，也有利于各用水過程進口水質的控制，大大改善了常規水回用網絡中用水過程之間相互影響不易控制的缺點。

2 ?水夾點的工程應用

水夾點技術可用于用水網絡的優化，本文從石化、煤化工、煉油、冶金、印染行業對水夾點技術的工程應用實例進行介紹。

2.1 石化行業的應用

目前我國石化行業加工噸原油所耗的鮮水量是發達國家的5-6倍，作為用水大戶和廢水排放大戶，污水處理能力與國際水平相比還有一定差距，節水改造勢在必行。清華大學韓政[5]以水平衡數據為基礎，通過水夾點技術改造大連石化公司，使該公司用水、排水指標均達到國內先進水平;王煒亮[6]等用水夾點技術對某石化企業進行用水網絡優化研究，優化后的用水網絡分別節約新鮮水用量18.79%和22.47%。耿立東[7]等將多污染因子水配合回用網絡分析方法應用于某石化企業，該方法大大簡化了用水網絡設計，取得了17.76%節水效果。

2.2 煤化工行業的應用

我國煤炭資源和水資源呈逆向分布，極不均衡。煤化行業是用水大戶，又多處于內蒙、新疆等水資源匱乏地區，過度取水則會造成生態破壞，節水減排迫在眉睫。劉志學[8]針對國內設計院設計的用水網絡系統不優化、水耗偏高等缺點，分析原因做出改進，實現效益與指標的同步提升，取得非常好的節水效果和經濟效益。鄢凱[9]對煤化工工業園區的用水單元和用水網絡進行調查和分析，利用水夾點技術的圖形法繪制出極限復合曲線，取得了一定的節水經濟效益。

2.3 煉油行業的應用

煉油廠同樣是耗水大戶，對水的質量要求不盡相同，可供使用水源的品質和價格也不同。因此開展煉油企業用水網絡全局優化研究，對國家可持續發展、企業降耗增效具有重要的現實意義。郭宏新[10]提出的以水夾點理論為基礎的過程集成技術適用于整個煉油廠或者區域用水網絡的系統集成優化設計，結果表明采用污水回用可節省21.5%的費用污水回用+水再生比單獨的回用節省47.6%的費用;2006年初，采用水夾點集成理念，大慶石化分公司對具有“直用直排，末端集中序列處理”的缺點的水系統進行總體規劃，盡可能將進入系統的水多次利用、清污分流、分散再生、污水回用，達到了良好的節水效果[11];袁一星等[12]給出水夾點技術理論在某煉油廠的計算實例，該實例的實施可使所需最小新鮮水流量為114.25t/h，總用水量148t/h，共節約用水量23%。2015年，Mughees W等[13]利用水夾點技術對煉油廠的最小用水量進行了分析。基于單一和雙重污染物的方法，在同時考慮化學需氧量COD和硬度的情況下，降低了38.8%淡水的百分比，對數學規劃結果的分析也用圖解法計算證明了淡水的準確需求。

2.4 冶金行業的應用

我國冶金企業在噸鋼耗新水指標和水的循環率方面與國外同行先進水平比還有相當大的差距，存在著巨大的節水潛力。張建紅，吳禮云等[14]以首鋼某煉鋼廠節水改造為例， 給出了用水網絡優化方案。實踐證明該方案具有可行性，理論上至少可取得62.3%以上的節水效果;Gao C K等[15]借鑒系統節能理論中的“能量載體”和“能源價值”概念，引入“水載體”和“水價值”的新概念，構建鋼鐵生產的用水價值模型。以中國鋼鐵集團作為試點，對水的價值模型的可行性和適用性進行評價。結果表明，熱軋卷板使用這種轉換方法可節約用水量是65.88立方米/噸。

2.5 印染行業的應用

印染行業不但水耗量大，水污染十分嚴重，廢水中的污染物危害程度大，屬于危害較大行業，節水凈水具有十分重要的意義。賴冬麟[16]通過水夾點分析，探討了棉針織染整企業現有工藝下的最大節水潛力及假設通過工藝改進下的最大節水潛力，并優化了某企業的用水網絡，降低了新鮮水消耗量，提高了廢水回用率，降低了生產成本;常吟琳等[17]針對我國棉針織企業排水特點，采用水夾點技術使整個企業廢水回用率可達到71.45%，與此同時在經濟和技術層面驗證了此項工藝的可行性。鄧燕平[18]以宜興坤風印染廠為例，應用水夾點理論于印染廠的用水系統，提出了企業不同的廢水回用措施，使企業最大廢水回用率達75%。

3 ?結論與展望

水夾點技術已應用于多行業的用水網絡優化中。水夾點技術的應用前景廣闊，但尚無在高新技術領域應用的案例。水夾點技術方法眾多，學者一直在進行算法的優化，但是針對多雜質系統，水夾點技術仍然存在計算復雜的缺陷。總言之，水夾點技術要求根據企業不同進行調整不同的節水策略，實現廢水回用率最大，新鮮水用量最小，對于水環境系統的優化具有十分重要的實踐意義，應當繼續深入研究。

參考文獻：

[1]周楓，徐宏勇，蔡蘭坤.基于數學優化算法的多雜質用水網絡優化綜述[J].工業水處理，2014（6）：10-13.

[2]尹芳.新型水夾點技術的應用和研究[D].大連：大連理工大學，2000.

[3]梁卓，李英，劉名揚，等.融合水夾點分析的具有中間水道用水網絡設計[J].西安交通大學學報，2017，51（04）：149-154.

[4]馮霄，王斌.節水減污過程水系統集成技術[J].中國能源，2002（01）：22-24.

[5]韓政.煉化企業水系統集成優化研究[D].北京：清華大學，2011.

[6]王煒亮，李光明，馬伯文，等.石化行業水資源優化利用網絡分析[J].工業水處理，2007，02：71-74.

[7]耿立東，李光明，齊賀，等.多污染因子水配合回用網絡分析[J].工業水處理，2010，30（02）：64-67.

[8]劉志學.水夾點理論在現代煤化工中的應用前景[J].煤炭加工與綜合利用，2016（06）：6-8，19.

[9]鄢凱.煤化工園區單雜質水網絡系統集成的探討[J].山東化工，2016，45（16）：133-137，141.

[10]郭宏新.采用過程集成技術設計優化煉油廠用水網絡[J]. 煉油技術與工程，2004（01）：31-36.

[11]陳麗.水夾點技術在煉油廠的應用[J].計算機與應用化學，2009，26（09）：1153-1158.

[12]袁一星，鐘丹，高金良，等.水夾點技術在煉油廠的應用實例[J].工業用水與廢水，2009，40（03）：49-52.

[13]Mughees W，Al-Ahmad M. Application of Water Pinch Technology in Minimization of Water Consumption at a Refinery[J]. Computers & Chemical Engineering， 2015，73 ：34-42.

[14]張建紅，吳禮云，劉正發，等.水夾點技術在煉鋼廠的應用[J].中國冶金，2009，19（12）：37-42.

[15]Gao C K， Zhang M H， Wei Y X， et al. Construction and analysis of “water carrier”and “water value” in the iron and steel production[J]. Journal of Cleaner Production，2016，139：540-547.

[16]賴冬麟.典型棉針織染整企業水網絡的分析與設計[D]. 唐山：河北工程大學，2012.

[17]常吟琳，周律，辛怡穎，等.基于水網絡優化的棉針織印染廢水回用技術研究[J].中國給水排水，2013，29（23）：106-110.

[18]鄧燕平.棉印染行業節能減排研究[D].蘇州：蘇州科技學院，2010.