工業節水綜合理論與實例分析

鐘丹、吳晨光、趙洪賓

哈爾濱工業大學市政環境工程學院給排水系統研究所，150090

　　[摘要] 工業用水約占中國用水總量的四分之一，工業用水節約與廢水減量技術具有特別重要的意義，是世界各國共同關注的重要課題。本文介紹了“節水點”技術的綜合理論，選取了中國石油煉制工業的M廠進行試驗。基于比例質量傳遞關系，確定初始濃度間隔圖；基于水回用的可行性分析，進行濃度轉移，確定最終濃度間隔圖；以最大限度的進行各濃度間隔、各用水操作之間的水回用為前提，基于質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；基于各項計算結果，進行用水網絡設計。通過該項目的實施可使該廠達到最小用水量，節約用水23%。在本文中，給出了“節水點”技術的綜合理論、分析計算過程及結果。
　　[關鍵詞] 工業節水、節水點間隔、最小新鮮水用量、用水網絡

1．理論基礎

1.1 用水操作過程的雜質傳遞
　　在某一用水操作中，雜質通過與水流的接觸進入到水流中，發生雜質的傳遞，而這一過程是極其復雜的，可以將其簡化為：雜質流股和水流股這兩個獨立的流股逆流接觸，實現一次性雜質傳遞，如圖1所示。為了保證雜質的傳遞，雜質流股的雜質濃度必須大于水流股的雜質濃度。

圖1用水操作過程的雜質傳遞

1.2 數據提取
　　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或性質，如生化需氧量（BOD）、懸浮顆粒（SS）等為雜質。對于第i個操作，基本約束有：入口流的雜質濃度、出口流的雜質濃度、雜質的總傳質負荷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，為達到雜質傳質負荷Δm_i,tot所需的水流量，對于第i個操作有以下關系式：

　　　　　　　　 　　　　　　　（1.1）

　　石油煉制工業通常包括3個用水操作：蒸汽氣提塔、加氫脫硫反應器和脫鹽設備。本文中，在M廠選定3個用水操作：蒸汽氣提塔（操作1）、加氫脫硫反應器（操作2）、脫鹽設備（操作3）。對于該多雜質系統，選定H2S（雜質A）、烴類（雜質B）、鹽（雜質C）3種雜質進行研究；雜質H2S的傳遞與雜質烴類和鹽的傳遞成比例，即滿足比例質量傳遞假設。M廠的極限操作數據，如表1所示：

M廠具有極限水流量的極限過程數據　　　　　　　　　 表1

操作i	雜質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 濃度轉移與可行性分析
2.1.1 濃度組合曲線
　　構建一個濃度組合曲線圖有以下步驟：在同一個雜質濃度與質量負荷圖上畫出所有的用水操作；在每個用水操作的極限進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；對每個濃度間隔內所有用水操作的質量負荷進行加和，根據加和總量再在濃度間隔內重新作一曲線；消去原始的用水操作線，只留下在每個濃度間隔內的質量負荷的總和，作出最終的濃度組合曲線。
2.1.2 節水點間隔的確定
　　當確定了系統的濃度組合曲線后，便可確定節水點間隔。
　　 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系：

　　　　　　　　 　　　（2.1）

　　對于新鮮水，其雜質的起始濃度顯然為零，即供水線必然通過坐標原點。根據方程（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中結合圖1加以說明。因此，以原點為中心旋轉供水線，當與濃度組合曲線相接觸時即為最優供水線，首先接觸的點是“節水點”，節水點所在的間隔是節水點間隔。如圖2所示。系統在節水點濃度之上時，不需要新鮮水；達到節水點間隔邊界的水可回用至前面間隔。

圖2 某系統濃度組合曲線及最優供水線

2.1.3 濃度轉移與可行性分析
　　用水系統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。對于多雜質系統，必須確保對任何雜質而言，回用離開某一操作的水是可行的。為此，當對某一參考操作和參考組分作濃度間隔圖時，轉移每個操作的雜質濃度水平，以便確保所有雜質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移。
　　 本文中，選擇雜質A作為參考雜質，操作1為參考操作。圖3為M廠關于雜質A的初始濃度間隔圖。
　　 濃度間隔圖是對應于給定的水回用約束條件下的雜質濃度圖。對于每一操作，圖中括號內的值表示在每一濃度間隔邊界各雜質的濃度。例如，[12，130，300]表示雜質A，B，C的濃度分別為12ppm，130 ppm，300 ppm。

圖3 M廠關于雜質A的初始濃度間隔圖

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

圖4 M廠關于雜質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k的濃度。是以上三個水源的流量加權平均濃度。定義θ_i,n為在濃度間隔邊界n進入操作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水點間隔邊界。
2.2.2 節水點間隔水回用
　　在某些情況下，可以回用已達節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。當考慮到這種情況時，方程（2.3）、（2.5）變為：}

　　　　　　　　 （2.6）

　　　　　 （2.7）

　　當，達到極限流量。

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

　　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
　　（2）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
　　（3）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
　　（4）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
　　（9） 操作3，n=4
　　 W_3A,4=44.88ppm，W_3B,4=104.06ppm，W_3C,4=9800ppm
　　（10） 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。可見，采用節水點技術之后，節約用水量23%。

3． M廠用水網絡設計

3.1 M廠水回用分析
　　依據上面計算結果，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廠用水網絡設計
　　 依據上面計算結果，參考圖5，得到M廠用水網絡框圖，如圖6所示。

圖6 M廠用水網絡框圖

4．結論

　　（1）在節水點濃度之上時，系統不需要新鮮水；達到節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；
　　（3）M廠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%。

參考文獻

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

作者簡介

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