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水夾點(diǎn)技術(shù)及其工程應(yīng)用綜述

2012-01-27 08:06:44孟立紅劉景洋
關(guān)鍵詞:夾點(diǎn)雜質(zhì)節(jié)水

孟立紅,喬 琦,劉景洋

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)

水夾點(diǎn)技術(shù)及其工程應(yīng)用綜述

孟立紅,喬 琦,劉景洋

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院國(guó)家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012)

水夾點(diǎn)技術(shù)是針對(duì)企業(yè)用水系統(tǒng),設(shè)計(jì)新鮮用水量最小、廢水排放量最小進(jìn)而達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的一種過程集成技術(shù),是近年來企業(yè)節(jié)水減排研究的熱點(diǎn)技術(shù)之一。本文概括地介紹了水夾點(diǎn)技術(shù)的提出與發(fā)展以及國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)在水系統(tǒng)集成優(yōu)化應(yīng)用方面的進(jìn)展;對(duì)重點(diǎn)行業(yè)水夾點(diǎn)技術(shù)的工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了剖析;從可用性和效果上分析了水夾點(diǎn)技術(shù)簡(jiǎn)潔直觀、易于理解的優(yōu)點(diǎn);指出了在多雜質(zhì)系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題與局限性;探討了這一技術(shù)與其他分析工具相結(jié)合應(yīng)用于企業(yè)水系統(tǒng)優(yōu)化的途徑。

水夾點(diǎn)技術(shù);節(jié)水減排;工程應(yīng)用;系統(tǒng)優(yōu)化

我國(guó)水資源日益匱乏,水污染日趨嚴(yán)重,在這樣一個(gè)嚴(yán)峻的形勢(shì)下,節(jié)約工業(yè)用水與減少?gòu)U水排放量成為了緊迫任務(wù)。從20世紀(jì)80年代開始,全世界普遍開始研究工業(yè)用水節(jié)約的新理論與新技術(shù),經(jīng)過了二十余載的探索,越來越多的水夾點(diǎn)技術(shù)運(yùn)用于企業(yè)節(jié)水減排,并且已經(jīng)取得了一定的成果[1-3]。從深度上,水夾點(diǎn)技術(shù)針對(duì)的是單雜質(zhì)的用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化;從廣度上,過去的研究主要集中在石化行業(yè)、煉油廠及鋼鐵業(yè)等行業(yè)。水夾點(diǎn)技術(shù)為我國(guó)工業(yè)節(jié)水減排工作做出了巨大貢獻(xiàn),但是,用于多雜質(zhì)水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化還存在一定的局限性[4、5]。在已有研究的基礎(chǔ)上,本文總結(jié)了水夾點(diǎn)技術(shù)結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃法在水系統(tǒng)集成優(yōu)化上的應(yīng)用,并對(duì)這一集成技術(shù)進(jìn)行了更為深入的探討。

1 水夾點(diǎn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外水夾點(diǎn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

夾點(diǎn)技術(shù)最初由Bobo Linnhoff提出,是一種換熱網(wǎng)絡(luò)合成技術(shù),主要用于解決換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的瓶頸問題—溫度夾點(diǎn)問題,屬過程集成技術(shù)早期的一個(gè)重要進(jìn)展。由于傳質(zhì)和傳熱過程的類似性,夾點(diǎn)技術(shù)的基本理論逐漸應(yīng)用于用水網(wǎng)絡(luò)中,用于求解用水系統(tǒng)新鮮水最小用量和廢水最小排放量。

1980年,Takama等人[6]以煉油廠為實(shí)例將水夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于水分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,從而實(shí)現(xiàn)了新鮮水消耗和廢水產(chǎn)生均減少20%,總成本減少接近50%的效果。此后過程工業(yè)水分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法便引起了科學(xué)界的重視和廣泛興趣。Ei-Halwagi等人[7]在1989年提出了貧流股和富流股之間雜質(zhì)的傳遞問題,并將用水網(wǎng)絡(luò)和質(zhì)量變換網(wǎng)絡(luò)中雜質(zhì)的傳遞進(jìn)行了類比。1994年Wang和Smith[8、9]正式提出了“水夾點(diǎn)”技術(shù)這一概念,同時(shí)提出了極限水曲線、極限水復(fù)合曲線等新概念,至此形成了一種比較完善的水系統(tǒng)集成優(yōu)化方法。從此,水夾點(diǎn)技術(shù)的研究成為熱點(diǎn),運(yùn)用這一技術(shù)對(duì)工業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析與探討大量涌現(xiàn),有關(guān)論文也相繼問世。

1997年,Olesen等人[10]基于Wang和Smith的夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的方法,這種方法限制用水單元不多于5個(gè)且應(yīng)用于單雜質(zhì)的用水網(wǎng)絡(luò)。Kuo和Smith[11]針對(duì)已有研究提出了通過重復(fù)使用目標(biāo)的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)多雜質(zhì)用水網(wǎng)絡(luò),但是在實(shí)踐應(yīng)用中也較為困難。

綜上所述,水夾點(diǎn)技術(shù)通常在求解單雜質(zhì)問題時(shí)能夠取得較好的效果,但在解決多雜質(zhì)問題上有一定的局限性。針對(duì)這個(gè)問題,Wang和Smith提出了“濃度轉(zhuǎn)移”的方法,但在實(shí)際應(yīng)用中被證實(shí)這種方法非常復(fù)雜,僅能處理小規(guī)模問題。此后,陸續(xù)有學(xué)者逐漸將其他用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的方法與水夾點(diǎn)技術(shù)相結(jié)合,在一定程度上解決了水夾點(diǎn)技術(shù)只適用于單雜質(zhì)用水系統(tǒng)的局限性問題。水夾點(diǎn)技術(shù)的工程應(yīng)用也隨之完善成熟起來。

1.2 國(guó)內(nèi)水夾點(diǎn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

水夾點(diǎn)技術(shù)在我國(guó)的研究起步較晚。1999年姚平經(jīng)、華賁等人將美國(guó)人James G.Mann和劉裔安所著的《Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization》(《工業(yè)用水節(jié)約與廢水減量》)[5]譯來才真正引起了我國(guó)科學(xué)界的重視。隨著我國(guó)水資源的日益短缺,國(guó)家對(duì)節(jié)水技術(shù)的大力支持,有關(guān)水夾點(diǎn)技術(shù)發(fā)表的論文日益增多,研究者的隊(duì)伍也逐步擴(kuò)大。同期,碩士及博士研究生學(xué)位論文中水夾點(diǎn)技術(shù)的研究也日益增多。但由于水夾點(diǎn)技術(shù)研究屬跨學(xué)科的邊緣學(xué)科,研究難度較大,目前這方面的研究在我國(guó)仍處于初始探索階段。

1999年,在James G.Mann和劉裔安的譯文《工業(yè)用水節(jié)約與廢水減量》[5]中,總結(jié)了水夾點(diǎn)技術(shù)的研究應(yīng)用成果,首次對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用提供了全面指導(dǎo),并總結(jié)了該領(lǐng)域研究應(yīng)用的最新發(fā)展,為水夾點(diǎn)技術(shù)在我國(guó)的推廣起到了很大的促進(jìn)作用。同期,我國(guó)其他的一些研究者也相繼開展了有關(guān)研究。馮霄等在2002年就水系統(tǒng)集成優(yōu)化方面提出了一種新的用水網(wǎng)絡(luò)—基于中水道的水網(wǎng)絡(luò),隨后又提出可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)水質(zhì)的要求來解決瓶頸,使系統(tǒng)用水量明顯減少,并繼續(xù)討論了水夾點(diǎn)技術(shù)中再生濃度的確定原則,進(jìn)一步深化了水夾點(diǎn)技術(shù)在工業(yè)用水中的應(yīng)用[12、13]。李英、姚平經(jīng)[4]鑒于水分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的應(yīng)用還有許多限制,重點(diǎn)討論了現(xiàn)存的諸多問題,探討了質(zhì)量集成的思想,為水夾點(diǎn)技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃法的結(jié)合應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。張建紅、湯小玲、Mann J G等[1、2、14]分別探討了水夾點(diǎn)技術(shù)的工程應(yīng)用,通過實(shí)例證明了水夾點(diǎn)技術(shù)在我國(guó)工業(yè)發(fā)展中應(yīng)用的可行性。

2 水夾點(diǎn)技術(shù)的工程應(yīng)用

2.1 石化行業(yè)的應(yīng)用

水夾點(diǎn)技術(shù)現(xiàn)階段在國(guó)內(nèi)的工程實(shí)例應(yīng)用中,涉及最多的是石化行業(yè),已有研究表明:1)在流量恒定和流量改變條件下,優(yōu)化后的用水網(wǎng)絡(luò)較原有用水網(wǎng)絡(luò)節(jié)約新鮮用水量分別在13.72%~19.17%和14.81%~22.87%;2)平均節(jié)水潛力達(dá)到了14%~30%。

1996年至1997年,Mann[14]在中國(guó)臺(tái)灣石油化工業(yè)5個(gè)制造廠成功應(yīng)用了水夾點(diǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)水回用和廢水量最小化,結(jié)果表明水夾點(diǎn)技術(shù)能使水回用從18.6%增加到37%,這是目前為止在學(xué)術(shù)界公開發(fā)表的報(bào)告中最全面的技術(shù)案例研究。

梁偉、苗磊等人[15]將水夾點(diǎn)技術(shù)原理直接轉(zhuǎn)換成一個(gè)可以實(shí)際應(yīng)用的軟件,從而簡(jiǎn)化了應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)繁瑣的建模與計(jì)算分析,達(dá)到了把理論直接轉(zhuǎn)換為實(shí)踐的目的。以某石化企業(yè)為例,通過軟件的應(yīng)用分析可知,系統(tǒng)出口雜質(zhì)濃度最大時(shí)用水?dāng)?shù)據(jù)、常規(guī)分析優(yōu)化后系統(tǒng)用水?dāng)?shù)據(jù)、用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化系統(tǒng)用水流程數(shù)據(jù),與系統(tǒng)原設(shè)計(jì)用水?dāng)?shù)據(jù)比較,結(jié)果利用水夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化后比原設(shè)計(jì)節(jié)水48.7%,比常規(guī)優(yōu)化技術(shù)節(jié)水14.6%。水夾點(diǎn)技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性和抽象性,運(yùn)用軟件計(jì)算后大大減少了建模過程中的難度和復(fù)雜性,具有很大的可推廣性。

朱慎華[16]通過將常規(guī)分析優(yōu)化后系統(tǒng)的用水?dāng)?shù)據(jù)、用水夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化后系統(tǒng)的用水?dāng)?shù)據(jù)與系統(tǒng)原設(shè)計(jì)的用水?dāng)?shù)據(jù)比較,得出常規(guī)分析優(yōu)化節(jié)水率17.62%、水夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化節(jié)水率31.03%的結(jié)果,表明水夾點(diǎn)技術(shù)比常規(guī)節(jié)水優(yōu)化技術(shù)節(jié)水16.3%。

2008年,王煒亮[17]運(yùn)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,結(jié)果表明,在流量恒定和流量改變的條件下,通過用水網(wǎng)絡(luò)初始優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)約的新鮮水用量分別為17.17%和13.72%。對(duì)初始設(shè)計(jì)用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,回用管路數(shù)分別由14條和16條減少為11條和8條,優(yōu)化后的用水網(wǎng)絡(luò)分別節(jié)約新鮮水用量17.25 %和14.81%。

2.2 煉油行業(yè)的應(yīng)用

1980年,Takama等[6]以煉油廠為實(shí)例進(jìn)行了水分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)后,與常規(guī)方法相比,新鮮水消耗和廢水產(chǎn)生均減少了20%,年費(fèi)用降低55%。

Wang等[8、9]采用水夾點(diǎn)技術(shù)以煉油廠的實(shí)例說明水回用比沒有水回用費(fèi)用降低20%,而再生回用則降低26%。

陳麗等人[18]將水夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于某煉油廠,最終節(jié)約除鹽水14.47t/h,效益約為81.032萬元/年(按除鹽水7元/t計(jì))。

湯小玲等人[2]在某煉油廠進(jìn)行實(shí)證研究,將具有流量變化和回用的焦化用水網(wǎng)絡(luò)于2003年5月實(shí)施,只對(duì)出水流程進(jìn)行改造,同時(shí)增加了一臺(tái)污水提升泵及配套管線、管件,污水提升泵為間歇運(yùn)行方式,自動(dòng)啟動(dòng),以水位來控制。新鮮水耗量節(jié)約240t/d,廢水排放量降低240t/d,一年可節(jié)約費(fèi)用212,284.8元,不到9個(gè)月就可回收全部投資。

2.3 鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用

張建紅等人[1]將水夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于某煉鋼廠,得出的用水網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案是可行的,并取得了30%的節(jié)水效果。這一方案的提出與實(shí)施,對(duì)于水夾點(diǎn)技術(shù)在我國(guó)鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用具有很大意義。在2010年全國(guó)能源與熱工學(xué)術(shù)年會(huì)上,郭寧等人[3]基于夾點(diǎn)單體技術(shù)和數(shù)學(xué)規(guī)劃法相結(jié)合的思想,針對(duì)鋼鐵業(yè)充分挖掘我國(guó)鋼鐵企業(yè)節(jié)水減排潛力,并對(duì)最大限度節(jié)約工業(yè)用水進(jìn)行了展望。

2.4 小結(jié)

除了以上提及行業(yè)的應(yīng)用,水夾點(diǎn)技術(shù)在其他行業(yè)比如電廠[19]、鈦白粉廠[20]等也有個(gè)別應(yīng)用,也都取得了一定的節(jié)水效果。通過以上研究實(shí)例可以看出,水夾點(diǎn)技術(shù)在工程上已得到了較為廣泛的應(yīng)用,并取得了較為明顯的節(jié)水效果,體現(xiàn)出了以下優(yōu)點(diǎn):1)物理概念強(qiáng),易于理解;2)求解過程使用圖表,簡(jiǎn)潔直觀;3)對(duì)于單雜質(zhì)系統(tǒng)而言,可以求得全局最優(yōu)解。但在實(shí)際的工程應(yīng)用中,也出現(xiàn)了一些問題,如以上提及的優(yōu)點(diǎn)只適用于單雜質(zhì)系統(tǒng),一般不適用于多雜質(zhì)系統(tǒng);此方法僅能給出新鮮水目標(biāo)值,而在構(gòu)造用水網(wǎng)絡(luò)時(shí),需要人為經(jīng)驗(yàn)參與進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

(1)再生濃度的確定問題

應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)設(shè)計(jì)用水網(wǎng)絡(luò)時(shí),它的特點(diǎn)是預(yù)先建立一個(gè)優(yōu)化可行的新鮮水最小流量目標(biāo),再根據(jù)最優(yōu)目標(biāo)來確定詳細(xì)的用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),其中再生濃度需要在生產(chǎn)工藝用水網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中測(cè)試出精確值。但在建立新鮮水最小流量目標(biāo)時(shí)再生濃度的確定,往往是在生產(chǎn)實(shí)踐之前,憑借經(jīng)驗(yàn)或數(shù)據(jù)分析求解,再根據(jù)這個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)用水網(wǎng)絡(luò),這可能和實(shí)際操作產(chǎn)生的再生濃度產(chǎn)生偏差,使生產(chǎn)系統(tǒng)不能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷,浪費(fèi)資金,或者系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行不能滿足生產(chǎn)工藝水質(zhì)要求。因此,提出一種可以驗(yàn)證效果的分析方法是十分必要的。

(2)工藝用水雜質(zhì)的簡(jiǎn)化問題

到目前為止,水夾點(diǎn)技術(shù)通常在分析單雜質(zhì)用水系統(tǒng)時(shí)能取得較好的效果,但在多雜質(zhì)用水系統(tǒng)分析中遇到了困難。而很多情況下,用水水質(zhì)不僅含一種污染物,BOD、COD、SS等都是水污染的重要指標(biāo)。在用水操作中,可以根據(jù)具體工藝水質(zhì)用途進(jìn)行水質(zhì)分類,選擇在生產(chǎn)用水中起決定作用的雜質(zhì)作為目標(biāo)去處理,把多雜質(zhì)用水系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單雜質(zhì)用水系統(tǒng)。例如:在有機(jī)廢水中可以選擇COD作為水質(zhì)指標(biāo),這樣就簡(jiǎn)化了水夾點(diǎn)設(shè)計(jì)新鮮水最小流量目標(biāo)。但雜質(zhì)間的相關(guān)性如何,如何簡(jiǎn)化還是一個(gè)亟待解決的問題。

3 結(jié)論

通過應(yīng)用實(shí)例可以看出,運(yùn)用水夾點(diǎn)技術(shù)后的水網(wǎng)絡(luò)節(jié)水效果顯著。對(duì)比常規(guī)節(jié)水方法,水夾點(diǎn)技術(shù)有明顯的優(yōu)勢(shì),但對(duì)于復(fù)雜的水網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)過程中面臨了諸多繁復(fù),包括計(jì)算過程和管路改造都有一定的局限性。

鑒于以上問題,近年來一些專家學(xué)者開始尋求一種更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法,在夾點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出通過建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化,即數(shù)學(xué)規(guī)劃法。在優(yōu)化的模型中含有三方面的描述,即要進(jìn)行優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)(新鮮水流量、成本函數(shù)等)、等式約束和不等式約束等。這種方法既可用于單雜質(zhì)系統(tǒng),又可用于多雜質(zhì)系統(tǒng),在工程應(yīng)用中也已經(jīng)取得了一定的成效。在馮霄等人的一些文獻(xiàn)書籍中可以看出,多雜質(zhì)系統(tǒng)一般也只做到了兩到三種雜質(zhì),對(duì)于更多的雜質(zhì)系統(tǒng),現(xiàn)在還沒有成熟的簡(jiǎn)化模型。針對(duì)現(xiàn)有的一些問題,可以設(shè)想,將雜質(zhì)悉數(shù)列舉,通過統(tǒng)計(jì)分析方法分析各雜質(zhì)對(duì)于水質(zhì)要求的影響程度以及各雜質(zhì)之間的相關(guān)性,把對(duì)水質(zhì)影響程度高的雜質(zhì)剔出來,影響度低的雜質(zhì)剔除去,把相關(guān)性強(qiáng)的幾種雜質(zhì)折合成一種雜質(zhì),相關(guān)性弱的雜質(zhì)單獨(dú)列出作為一種雜質(zhì),最終達(dá)到簡(jiǎn)化的目的。屆時(shí),可以考慮將這一技術(shù)推廣至石化行業(yè)外一些水質(zhì)復(fù)雜行業(yè)的節(jié)水減排應(yīng)用中。

水夾點(diǎn)技術(shù)在我國(guó)還屬于起步階段,相信隨著國(guó)內(nèi)對(duì)于工業(yè)企業(yè)節(jié)水減排要求的提高,水夾點(diǎn)技術(shù)在我國(guó)的研究和推廣會(huì)逐步提高。

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Review on Water Pinch-point Technology and Its Engineering Application

MENG Li-hong, QIAO Qi, LIU Jing-yang

X703

A

1006-5377(2012)05-0035-04

國(guó)家“水體污染控制與治理”科技重大專項(xiàng)(2009ZX07208-002);國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2010DFB90590)。

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