工業(yè)節(jié)水綜合理論與實例分析

鐘丹、吳晨光、趙洪賓

哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院給排水系統(tǒng)研究所，150090

　　[摘要] 工業(yè)用水約占中國用水總量的四分之一，工業(yè)用水節(jié)約與廢水減量技術(shù)具有特別重要的意義，是世界各國共同關(guān)注的重要課題。本文介紹了“節(jié)水點”技術(shù)的綜合理論，選取了中國石油煉制工業(yè)的M廠進(jìn)行試驗?；诒壤|(zhì)量傳遞關(guān)系，確定初始濃度間隔圖；基于水回用的可行性分析，進(jìn)行濃度轉(zhuǎn)移，確定最終濃度間隔圖；以最大限度的進(jìn)行各濃度間隔、各用水操作之間的水回用為前提，基于質(zhì)量與濃度之間的基本公式，通過綜合的分析、計算得出新鮮水用水量、各濃度間隔和操作之間的回用水量和各操作入、出口濃度，最終計算出最小用水量；基于各項計算結(jié)果，進(jìn)行用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。通過該項目的實施可使該廠達(dá)到最小用水量，節(jié)約用水23%。在本文中，給出了“節(jié)水點”技術(shù)的綜合理論、分析計算過程及結(jié)果。
　　[關(guān)鍵詞] 工業(yè)節(jié)水、節(jié)水點間隔、最小新鮮水用量、用水網(wǎng)絡(luò)

1．理論基礎(chǔ)

1.1 用水操作過程的雜質(zhì)傳遞
　　在某一用水操作中，雜質(zhì)通過與水流的接觸進(jìn)入到水流中，發(fā)生雜質(zhì)的傳遞，而這一過程是極其復(fù)雜的，可以將其簡化為：雜質(zhì)流股和水流股這兩個獨立的流股逆流接觸，實現(xiàn)一次性雜質(zhì)傳遞，如圖1所示。為了保證雜質(zhì)的傳遞，雜質(zhì)流股的雜質(zhì)濃度必須大于水流股的雜質(zhì)濃度。

圖1用水操作過程的雜質(zhì)傳遞

1.2 數(shù)據(jù)提取
　　定義供選擇的水源（允許水回用）為入口流；流向廢水處理過程的為出口流；限制水在本操作過程中水源再利用的物質(zhì)或性質(zhì)，如生化需氧量（BOD）、懸浮顆粒（SS）等為雜質(zhì)。對于第i個操作，基本約束有：入口流的雜質(zhì)濃度、出口流的雜質(zhì)濃度、雜質(zhì)的總傳質(zhì)負(fù)荷Δm_i,tot。有了這些約束，可以計算極限水流量。極限水流量就是在給定的入流限制和出流限制條件下，為達(dá)到雜質(zhì)傳質(zhì)負(fù)荷Δm_i,tot所需的水流量，對于第i個操作有以下關(guān)系式：

　　　　　　　　 　　　　　　　（1.1）

　　石油煉制工業(yè)通常包括3個用水操作：蒸汽氣提塔、加氫脫硫反應(yīng)器和脫鹽設(shè)備。本文中，在M廠選定3個用水操作：蒸汽氣提塔（操作1）、加氫脫硫反應(yīng)器（操作2）、脫鹽設(shè)備（操作3）。對于該多雜質(zhì)系統(tǒng)，選定H2S（雜質(zhì)A）、烴類（雜質(zhì)B）、鹽（雜質(zhì)C）3種雜質(zhì)進(jìn)行研究；雜質(zhì)H2S的傳遞與雜質(zhì)烴類和鹽的傳遞成比例，即滿足比例質(zhì)量傳遞假設(shè)。M廠的極限操作數(shù)據(jù)，如表1所示：

M廠具有極限水流量的極限過程數(shù)據(jù)　　　　　　　　　 表1

操作i	雜質(zhì)j	Δmi,totkg/h）	（ppm）	（ppm）	t/h）
操作1	A	22.5	0	450	50
	B	0.85	0	17
	C	2.1	0	42
操作2	A	418.32	350	12000	36
	B	3.6	2.0	125
	C	3.96	5.0	160
操作3	A	2.046	350	45	62
	B	6.2	2.0	230
	C	589	5.0	9800

　　由表1可得，A廠總用水量為：50+36+62=148t/h。

2 M廠最小新鮮水流量計算

2.1 濃度轉(zhuǎn)移與可行性分析
2.1.1 濃度組合曲線
　　構(gòu)建一個濃度組合曲線圖有以下步驟：在同一個雜質(zhì)濃度與質(zhì)量負(fù)荷圖上畫出所有的用水操作；在每個用水操作的極限進(jìn)口濃度和極限出口濃度處劃水平虛線將y軸劃分為不同的濃度間隔，這些水平線即為濃度間隔邊界；對每個濃度間隔內(nèi)所有用水操作的質(zhì)量負(fù)荷進(jìn)行加和，根據(jù)加和總量再在濃度間隔內(nèi)重新作一曲線；消去原始的用水操作線，只留下在每個濃度間隔內(nèi)的質(zhì)量負(fù)荷的總和，作出最終的濃度組合曲線。
2.1.2 節(jié)水點間隔的確定
　　當(dāng)確定了系統(tǒng)的濃度組合曲線后，便可確定節(jié)水點間隔。
　　 操作i的水流量f_i(t/h)和供水線的斜率（slope）之間存在著如下的反比關(guān)系：

　　　　　　　　 　　?。?.1）

　　對于新鮮水，其雜質(zhì)的起始濃度顯然為零，即供水線必然通過坐標(biāo)原點。根據(jù)方程（2.1），新鮮水流量越小，供水線的斜率越大。但為了保證一定的傳質(zhì)推動力，供水線必須總是處于濃度組合曲線的下方或和濃度組合曲線重疊，此理論已在1.1中結(jié)合圖1加以說明。因此，以原點為中心旋轉(zhuǎn)供水線，當(dāng)與濃度組合曲線相接觸時即為最優(yōu)供水線，首先接觸的點是“節(jié)水點”，節(jié)水點所在的間隔是節(jié)水點間隔。如圖2所示。系統(tǒng)在節(jié)水點濃度之上時，不需要新鮮水；達(dá)到節(jié)水點間隔邊界的水可回用至前面間隔。

圖2 某系統(tǒng)濃度組合曲線及最優(yōu)供水線

2.1.3 濃度轉(zhuǎn)移與可行性分析
　　用水系統(tǒng)通過最大限度地回用離開某一操作的水使總體的新鮮水需求最小。對于多雜質(zhì)系統(tǒng)，必須確保對任何雜質(zhì)而言，回用離開某一操作的水是可行的。為此，當(dāng)對某一參考操作和參考組分作濃度間隔圖時，轉(zhuǎn)移每個操作的雜質(zhì)濃度水平，以便確保所有雜質(zhì)不約束某一濃度間隔的水回用至下一濃度間隔，這一方法稱為濃度轉(zhuǎn)移。
　　 本文中，選擇雜質(zhì)A作為參考雜質(zhì)，操作1為參考操作。圖3為M廠關(guān)于雜質(zhì)A的初始濃度間隔圖。
　　 濃度間隔圖是對應(yīng)于給定的水回用約束條件下的雜質(zhì)濃度圖。對于每一操作，圖中括號內(nèi)的值表示在每一濃度間隔邊界各雜質(zhì)的濃度。例如，[12，130，300]表示雜質(zhì)A，B，C的濃度分別為12ppm，130 ppm，300 ppm。

圖3 M廠關(guān)于雜質(zhì)A的初始濃度間隔圖

　　進(jìn)行某些操作的入、出口濃度轉(zhuǎn)移，通過分析計算，M廠的節(jié)水點間隔在n=5（450ppm）的間隔，將操作3出口轉(zhuǎn)移至操作1產(chǎn)生的濃度間隔邊界，得到M廠最終的濃度間隔圖。如圖4所示：

圖4 M廠關(guān)于雜質(zhì)A的最終濃度間隔圖

2.2 最小新鮮水流量
2.2.1 最小新鮮水流量計算
　　對于水源的選取，采用以下順序：優(yōu)先選用同過程的上一個間隔中的回用水，其次選用其他過程中的回用水，最后選擇新鮮水。這可以確保利用最多的回用水和消耗最少的新鮮水。對于這三種的操作，T_ix表示在濃度間隔邊界n，操作i中可用水的流量，W_ij,n表示操作i可回用的流量為T_ix的水流股中雜質(zhì)j的濃度；F_i,n是在濃度間隔邊界n供給（或回用于）操作i的新鮮水流量；q_li,m≤n是在濃度間隔邊界m（m≤n）的操作l供給在濃度間隔邊界n的操作i的流量，W_ijk,m≤n是流量為q_li,m≤n的水流股中雜質(zhì)k的濃度。是以上三個水源的流量加權(quán)平均濃度。定義θ_i,n為在濃度間隔邊界n進(jìn)入操作i的實際流量與操作i的極限流量f_i的比。
　　 則以上各量之間有如下關(guān)系：

　　通過以上方程，由間隔邊界n=1開始相繼計算每一操作的新鮮水需求，出口濃度和出口流量直至節(jié)水點間隔邊界。
2.2.2 節(jié)水點間隔水回用
　　在某些情況下，可以回用已達(dá)節(jié)水點間隔邊界的水至在前面間隔的其他操作。X_{li,n是從節(jié)水點間隔邊界的操作l回用于位于第n個濃度間隔邊界（n＜wsp）操作i的流量。當(dāng)考慮到這種情況時，方程（2.3）、（2.5）變?yōu)椋?/P>}

　　　　　　　　 （2.6）

　　　　　 （2.7）

　　當(dāng)，達(dá)到極限流量。

　　對新鮮水流量節(jié)省最大的間隔進(jìn)行回用，更新操作i在節(jié)水點間隔的濃度，直至不存在其他的回用選擇或沒有水流股可回用于循環(huán)。

　　最后，可計算總的最小新鮮水用量。

2.3 M廠最小新鮮水用量計算
　　通過方程（2.2）—（2.7），計算M廠最小新鮮水用量所得各項結(jié)果如下：
　　（1）操作1，n=1
　　F_1,1=T_1,2=50t/h，
　　W_1A,1=0ppm，W_1B,1=0ppm，W_1C,1=0ppm
　?。?）操作1，n=2
　　F_1,2=0t/h，T_1,3=50t/h，
　　 W_1A,2=12ppm，W_1B,2=0.45ppm，W_1C,2=0ppm
　?。?）操作3，n=2
　　F_3,2=58.11t/h，X_13,2=1.41t/h，T_3,3=59.52t/h，
　　W_3A,2=12ppm，W_3B,2=130ppm,W_3C,2=300ppm
　?。?）操作1，n=3
　　 T_1,4=50t/h，
　　 W_1A,3=380ppm，W_1B,3=14.36ppm,W_1C,3=35.47ppm
　　 （5）操作2，n=3
　　 F_2,3=5.76t/h，T_2,4=5.76t/h，
　　 W_2A,3=380ppm，W_2B,3=25ppm,W_2C,3=50ppm
　　 （6）操作3，n=3
　　 F_3,3=0.38t/h，T_3,4=59.9t/h，
　　 W_2A,3=39.73ppm，W_3B,3=87.92ppm，W_3C,3=8281.74ppm
　　 （7）操作1，n=4
　　 W_1A,4=450ppm,W_1B,4=17ppm,W_1C,4=42ppm
　　 （8）操作2，n=4
　　 F_2,4=0t/h，q_12,4=35t/h，T_2,5=40.76t/h，
　　 W_2A,4=437.5ppm，W_2B,4=3.75ppm，W_2C,4=4.13ppm
　?。?） 操作3，n=4
　　 W_3A,4=44.88ppm，W_3B,4=104.06ppm，W_3C,4=9800ppm
　?。?0） 操作2，n=5
　　 W_2A,5=11998.23ppm，W_2B,5=114.53ppm，W_2C,5=145.99ppm
　　 M廠所需最小新鮮水流量為：F=ΣF_i,n=50+58.11+0.38+5.76=114.25t/h。
　　 原用水量148t/h?？梢?，采用節(jié)水點技術(shù)之后，節(jié)約用水量23%。

3． M廠用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1 M廠水回用分析
　　依據(jù)上面計算結(jié)果，得到M廠水回用的示意圖，如圖5所示。在n=4間隔邊界，操作1的水可回用至操作2；在節(jié)水點間隔邊界，操作1的水可回用至在前面間隔的操作3。

圖5 M廠水回用示意圖

3.2 M廠用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
　　 依據(jù)上面計算結(jié)果，參考圖5，得到M廠用水網(wǎng)絡(luò)框圖，如圖6所示。

圖6 M廠用水網(wǎng)絡(luò)框圖

4．結(jié)論

　?。?）在節(jié)水點濃度之上時，系統(tǒng)不需要新鮮水；達(dá)到節(jié)水點間隔邊界的水可回用至前面間隔；
　　（2）對于水源的選取，優(yōu)先選用同過程的上一個間隔中的回用水，其次選用其他過程中的回用水，最后選擇新鮮水。這可以確保利用最多的回用水和消耗最少的新鮮水；
　?。?）M廠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%。

參考文獻(xiàn)

《工業(yè)用水節(jié)約與廢水減量》，譯自“Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization”，中國石化出版社

作者簡介

鐘丹，哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院給排水系統(tǒng)研究所，博士，生于1981年7月，主要從事節(jié)水方面的研究。郵政地址：哈爾濱市南崗區(qū)海河路202號哈工大二校區(qū)2624信箱，電話：0451-88528331，傳真：0451-86283086，E-mail：zhongdan2001@163.com