水夾點(diǎn)技術(shù)及其工程應(yīng)用綜述

孟立紅，喬 琦，劉景洋

（中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(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

（中國環(huán)境科學(xué)研究院國家環(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)用水與減少廢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)在我國的研究起步較晚。1999年姚平經(jīng)、華賁等人將美國人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科學(xué)界的重視。隨著我國水資源的日益短缺，國家對(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)在我國的推廣起到了很大的促進(jìn)作用。同期，我國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)在我國鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用具有很大意義。在2010年全國能源與熱工學(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)在我國還屬于起步階段，相信隨著國內(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

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