工业节水综合理论与实例分析

工业节水综合理论与实例分析

钟丹、吴晨光、赵洪宾

哈尔滨工业大学市政环境工程学院给排水系统研究所，150090

　　[摘要] 工业用水约占中国用水总量的四分之一，工业用水节约与废水减量技术具有特别重要的意义，是世界各国共同关注的重要课题。本文介绍了“节水点”技术的综合理论，选取了中国石油炼制工业的M厂进行试验。基于比例质量传递关系，确定初始浓度间隔图；基于水回用的可行性分析，进行浓度转移，确定最终浓度间隔图；以最大限度的进行各浓度间隔、各用水操作之间的水回用为前提，基于质量与浓度之间的基本公式，通过综合的分析、计算得出新鲜水用水量、各浓度间隔和操作之间的回用水量和各操作入、出口浓度，最终计算出最小用水量；基于各项计算结果，进行用水网络设计。通过该项目的实施可使该厂达到最小用水量，节约用水23%。在本文中，给出了“节水点”技术的综合理论、分析计算过程及结果。
　　[关键词] 工业节水、节水点间隔、最小新鲜水用量、用水网络

1．理论基础

1.1 用水操作过程的杂质传递
　　在某一用水操作中，杂质通过与水流的接触进入到水流中，发生杂质的传递，而这一过程是极其复杂的，可以将其简化为：杂质流股和水流股这两个独立的流股逆流接触，实现一次性杂质传递，如图1所示。为了保证杂质的传递，杂质流股的杂质浓度必须大于水流股的杂质浓度。

图1用水操作过程的杂质传递

1.2 数据提取
　　定义供选择的水源（允许水回用）为入口流；流向废水处理过程的为出口流；限制水在本操作过程中水源再利用的物质或性质，如生化需氧量（BOD）、悬浮颗粒（SS）等为杂质。对于第i个操作，基本约束有：入口流的杂质浓度、出口流的杂质浓度、杂质的总传质负荷Δm_i,tot。有了这些约束，可以计算极限水流量。极限水流量就是在给定的入流限制和出流限制条件下，为达到杂质传质负荷Δm_i,tot所需的水流量，对于第i个操作有以下关系式：

　　　　　　　　 　　　　　　　（1.1）

　　石油炼制工业通常包括3个用水操作：蒸汽气提塔、加氢脱硫反应器和脱盐设备。本文中，在M厂选定3个用水操作：蒸汽气提塔（操作1）、加氢脱硫反应器（操作2）、脱盐设备（操作3）。对于该多杂质系统，选定H2S（杂质A）、烃类（杂质B）、盐（杂质C）3种杂质进行研究；杂质H2S的传递与杂质烃类和盐的传递成比例，即满足比例质量传递假设。M厂的极限操作数据，如表1所示：

M厂具有极限水流量的极限过程数据　　　　　　　　　 表1

操作i	杂质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厂总用水量为：50+36+62=148t/h。

2 M厂最小新鲜水流量计算

2.1 浓度转移与可行性分析
2.1.1 浓度组合曲线
　　构建一个浓度组合曲线图有以下步骤：在同一个杂质浓度与质量负荷图上画出所有的用水操作；在每个用水操作的极限进口浓度和极限出口浓度处划水平虚线将y轴划分为不同的浓度间隔，这些水平线即为浓度间隔边界；对每个浓度间隔内所有用水操作的质量负荷进行加和，根据加和总量再在浓度间隔内重新作一曲线；消去原始的用水操作线，只留下在每个浓度间隔内的质量负荷的总和，作出最终的浓度组合曲线。
2.1.2 节水点间隔的确定
　　当确定了系统的浓度组合曲线后，便可确定节水点间隔。
　　 操作i的水流量f_i(t/h)和供水线的斜率（slope）之间存在着如下的反比关系：

　　　　　　　　 　　　（2.1）

　　对于新鲜水，其杂质的起始浓度显然为零，即供水线必然通过坐标原点。根据方程（2.1），新鲜水流量越小，供水线的斜率越大。但为了保证一定的传质推动力，供水线必须总是处于浓度组合曲线的下方或和浓度组合曲线重叠，此理论已在1.1中结合图1加以说明。因此，以原点为中心旋转供水线，当与浓度组合曲线相接触时即为最优供水线，首先接触的点是“节水点”，节水点所在的间隔是节水点间隔。如图2所示。系统在节水点浓度之上时，不需要新鲜水；达到节水点间隔边界的水可回用至前面间隔。

图2 某系统浓度组合曲线及最优供水线

2.1.3 浓度转移与可行性分析
　　用水系统通过最大限度地回用离开某一操作的水使总体的新鲜水需求最小。对于多杂质系统，必须确保对任何杂质而言，回用离开某一操作的水是可行的。为此，当对某一参考操作和参考组分作浓度间隔图时，转移每个操作的杂质浓度水平，以便确保所有杂质不约束某一浓度间隔的水回用至下一浓度间隔，这一方法称为浓度转移。
　　 本文中，选择杂质A作为参考杂质，操作1为参考操作。图3为M厂关于杂质A的初始浓度间隔图。
　　 浓度间隔图是对应于给定的水回用约束条件下的杂质浓度图。对于每一操作，图中括号内的值表示在每一浓度间隔边界各杂质的浓度。例如，[12，130，300]表示杂质A，B，C的浓度分别为12ppm，130 ppm，300 ppm。

图3 M厂关于杂质A的初始浓度间隔图

　　进行某些操作的入、出口浓度转移，通过分析计算，M厂的节水点间隔在n=5（450ppm）的间隔，将操作3出口转移至操作1产生的浓度间隔边界，得到M厂最终的浓度间隔图。如图4所示：

图4 M厂关于杂质A的最终浓度间隔图

2.2 最小新鲜水流量
2.2.1 最小新鲜水流量计算
　　对于水源的选取，采用以下顺序：优先选用同过程的上一个间隔中的回用水，其次选用其他过程中的回用水，最后选择新鲜水。这可以确保利用最多的回用水和消耗最少的新鲜水。对于这三种的操作，T_ix表示在浓度间隔边界n，操作i中可用水的流量，W_ij,n表示操作i可回用的流量为T_ix的水流股中杂质j的浓度；F_i,n是在浓度间隔边界n供给（或回用于）操作i的新鲜水流量；q_li,m≤n是在浓度间隔边界m（m≤n）的操作l供给在浓度间隔边界n的操作i的流量，W_ijk,m≤n是流量为q_li,m≤n的水流股中杂质k的浓度。是以上三个水源的流量加权平均浓度。定义θ_i,n为在浓度间隔边界n进入操作i的实际流量与操作i的极限流量f_i的比。
　　 则以上各量之间有如下关系：

　　通过以上方程，由间隔边界n=1开始相继计算每一操作的新鲜水需求，出口浓度和出口流量直至节水点间隔边界。
2.2.2 节水点间隔水回用
　　在某些情况下，可以回用已达节水点间隔边界的水至在前面间隔的其他操作。X_{li,n是从节水点间隔边界的操作l回用于位于第n个浓度间隔边界（n＜wsp）操作i的流量。当考虑到这种情况时，方程（2.3）、（2.5）变为：}

　　　　　　　　 （2.6）

　　　　　 （2.7）

　　当，达到极限流量。

　　对新鲜水流量节省最大的间隔进行回用，更新操作i在节水点间隔的浓度，直至不存在其他的回用选择或没有水流股可回用于循环。

　　最后，可计算总的最小新鲜水用量。

2.3 M厂最小新鲜水用量计算
　　通过方程（2.2）—（2.7），计算M厂最小新鲜水用量所得各项结果如下：
　　（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厂所需最小新鲜水流量为：F=ΣF_i,n=50+58.11+0.38+5.76=114.25t/h。
　　 原用水量148t/h。可见，采用节水点技术之后，节约用水量23%。

3． M厂用水网络设计

3.1 M厂水回用分析
　　依据上面计算结果，得到M厂水回用的示意图，如图5所示。在n=4间隔边界，操作1的水可回用至操作2；在节水点间隔边界，操作1的水可回用至在前面间隔的操作3。

图5 M厂水回用示意图

3.2 M厂用水网络设计
　　 依据上面计算结果，参考图5，得到M厂用水网络框图，如图6所示。

图6 M厂用水网络框图

4．结论

　　（1）在节水点浓度之上时，系统不需要新鲜水；达到节水点间隔边界的水可回用至前面间隔；
　　（2）对于水源的选取，优先选用同过程的上一个间隔中的回用水，其次选用其他过程中的回用水，最后选择新鲜水。这可以确保利用最多的回用水和消耗最少的新鲜水；
　　（3）M厂所需最小新鲜水流量为114.25t/h，总用水量148t/h。共节约用水量23%。

参考文献

《工业用水节约与废水减量》，译自“Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization”，中国石化出版社

作者简介

钟丹，哈尔滨工业大学市政环境工程学院给排水系统研究所，博士，生于1981年7月，主要从事节水方面的研究。邮政地址：哈尔滨市南岗区海河路202号哈工大二校区2624信箱，电话：0451-88528331，传真：0451-86283086，E-mail：zhongdan2001@163.com