基于水夾點(diǎn)技術(shù)的造紙廠水梯級利用優(yōu)化研究

陳曉彬 劉煥彬 陶勁松，* 李繼庚 梁 瑜 王光明

(1. 華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640;2. 廣州市啟鳴紙業(yè)有限公司，廣東廣州，511462)

造紙是與國民經(jīng)濟(jì)和社會事業(yè)發(fā)展關(guān)系密切的重要基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，同時也是水資源消耗大、廢水排放量高的產(chǎn)業(yè)。如何合理和高效地用水，提高現(xiàn)有水資源的重復(fù)利用率是緩解水資源供需矛盾的根本途徑。

常規(guī)的節(jié)水策略主要是通過直觀定性分析，通常著眼于單個單元操作或局部用水系統(tǒng)，只能達(dá)到一定的節(jié)水目的，不能保證整個用水系統(tǒng)的新鮮水使用量和廢水產(chǎn)生量達(dá)到最小。而以循環(huán)經(jīng)濟(jì)思想和工業(yè)生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)的水系統(tǒng)集成技術(shù)把企業(yè)的整個用水系統(tǒng)作為一個有機(jī)的整體來對待，考慮如何合理分配各用水單元的水量和水質(zhì)，以使系統(tǒng)水的重復(fù)利用率達(dá)到最大，同時廢水的排放量達(dá)到最小［1-3］。梁瑜、陳勝等人［4-6］在對造紙企業(yè)用水現(xiàn)狀進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出了造紙企業(yè)梯級用水模式，并對衛(wèi)生紙廠與牛卡紙廠間實(shí)行梯級用水改造，改造實(shí)踐表明，不同紙種造紙企業(yè)之間的梯級用水方案可行，并能降低兩造紙企業(yè)的新鮮水用量、減少廢水排放量，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可應(yīng)用于規(guī)模化生產(chǎn)。但該研究僅定性探討了兩造紙企業(yè)間梯級用水的可行性，對系統(tǒng)內(nèi)各梯級用水量仍需作進(jìn)一步定量的優(yōu)化分配。水夾點(diǎn)技術(shù)就是一種有效的對全局用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化分配的水系統(tǒng)集成優(yōu)化方法，因其方法簡單、靈活、實(shí)用，易于理解和掌握，在水源節(jié)約及廢水減量等方面應(yīng)用，能收到良好的效益［3，7-12］。

本研究試圖在造紙企業(yè)用水系統(tǒng)梯級利用方案的基礎(chǔ)上，仿照自然界生態(tài)物質(zhì)共生代謝和循環(huán)利用模式，建立造紙廠內(nèi)的高級文化用紙、衛(wèi)生紙和灰紙板車間的三級梯級用水系統(tǒng)。并應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)綜合優(yōu)化各級用水分配，指導(dǎo)造紙廠梯級用水系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)造紙廠內(nèi)高檔紙與低檔紙的用水代謝共生。

1 水夾點(diǎn)技術(shù)

從20 世紀(jì)80 年代開始，水的優(yōu)化分配問題就已被提出，當(dāng)時采用的主要是數(shù)學(xué)規(guī)劃法加超結(jié)構(gòu)法，且針對的是簡單的單組分污染物。1989 年，EI-Halwagi 等人［5］在換熱網(wǎng)絡(luò)思想基礎(chǔ)上，提出了質(zhì)量交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。1994 年，Wang YP 等人［6］正式提出水夾點(diǎn)(Water Pinch)理論，并將其應(yīng)用到單雜質(zhì)的用水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中。Linnhoff March 公司的大量工程實(shí)踐表明，應(yīng)用水夾點(diǎn)技術(shù)可達(dá)到20% ～50%的節(jié)水效果［7］。

水夾點(diǎn)技術(shù)［9］將用水操作簡化為一個從富含雜質(zhì)的過程流股到水流股之間的質(zhì)量傳遞。這里的雜質(zhì)包括懸浮固體顆粒(SS)、化學(xué)耗氧量(COD)以及其他約束水回用的水質(zhì)因子。水回用的過程集成需通過構(gòu)建復(fù)合濃度-負(fù)荷曲線以確定一個夾點(diǎn)，稱之為水夾點(diǎn)。所含雜質(zhì)水平在夾點(diǎn)之上的流股不需要用新鮮水，可回用生產(chǎn)過程中的其他現(xiàn)有水流股。在水夾點(diǎn)分析過程中，需要在用水操作中判別一個預(yù)先的新鮮水消耗和廢水產(chǎn)生的最小值，再通過水回用、再循環(huán)技術(shù)，設(shè)計(jì)一個用水網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)新鮮水消耗和廢水產(chǎn)生量的目標(biāo)值，最終通過有效的工藝改變，改造現(xiàn)有的用水網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)水回用最大化和廢水產(chǎn)生最小化。

2 企業(yè)特征調(diào)研

本研究是以廣東省的一個生產(chǎn)高級文化用紙、衛(wèi)生紙和灰紙板的造紙企業(yè)為研究對象，在對該企業(yè)特征進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，進(jìn)行造紙廠內(nèi)部多產(chǎn)品用水系統(tǒng)耦合共生代謝技術(shù)的研究。該企業(yè)在梯級用水改造前的用水網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示，用水單元生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1所示，極限數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖1 某綜合造紙企業(yè)改造前的用水網(wǎng)絡(luò)圖

表1 改造前用水單元生產(chǎn)數(shù)據(jù)

表2 改造前用水單元極限數(shù)據(jù)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果顯示，生產(chǎn)高級文化用紙、衛(wèi)生紙和灰紙板車間之間，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理論中產(chǎn)品多樣化和共生代謝原則，所需的水質(zhì)要求和產(chǎn)生的中間水也呈現(xiàn)梯度，能仿照自然界生態(tài)物質(zhì)循環(huán)的方式進(jìn)行梯級用水改造，擬用新鮮水來生產(chǎn)高級文化用紙，生產(chǎn)文化用紙后的中間水經(jīng)適當(dāng)處理后作為生產(chǎn)衛(wèi)生紙的水源，生產(chǎn)衛(wèi)生紙排放的中間水經(jīng)適當(dāng)處理后繼續(xù)作為生產(chǎn)灰紙板的水源，做到生產(chǎn)用水按質(zhì)按量分配，從而減少新鮮水用量和廢水排放量。

3 基于水夾點(diǎn)技術(shù)構(gòu)造梯級用水優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)

梯級用水改造前，該造紙廠的3 個車間分別取新鮮水進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)生的廢水直接排至廢水處理工序，新鮮水用量大。對造紙廠進(jìn)行梯級用水改造，把高級文化用紙車間、衛(wèi)生紙車間及灰紙板車間看作3 個用水單元進(jìn)行夾點(diǎn)優(yōu)化計(jì)算，以合理分配各用水單元的新鮮水用量。

3.1 確定水夾點(diǎn)位置

確定水夾點(diǎn)位置有兩種方法，極限負(fù)荷曲線法和問題表法，前者能在圖上直觀地反應(yīng)出夾點(diǎn)的具體位置，后者則是能在構(gòu)建問題表的過程中計(jì)算出夾點(diǎn)的坐標(biāo)，精確地確定水夾點(diǎn)位置。

3.1.1 極限負(fù)荷曲線

利用表2 中各用水單元的極限數(shù)據(jù)即可確定用水單元的極限曲線，為了達(dá)到用水網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化，必須從整體考慮系統(tǒng)的用水情況。因此需要將所有用水單元的用水情況綜合用復(fù)合曲線來分析。圖2 給出了極限曲線構(gòu)造復(fù)合曲線的方法。

每個濃度區(qū)間內(nèi)，將該區(qū)間內(nèi)所有用水單元的COD 負(fù)荷進(jìn)行加和得到該濃度區(qū)間的復(fù)合曲線，該復(fù)合曲線斜率的倒數(shù)(即水的流量)計(jì)算如式(1)所示。

式中，F(xiàn)v為區(qū)間v 中的水流量，t/h;為區(qū)間v 中單元j 的COD 負(fù)荷，kg/h;v為區(qū)間v 中單元j中雜質(zhì)s 的出口濃度，mg/L;為區(qū)間v 中單元j中雜質(zhì)s 的進(jìn)口濃度，mg/L;p 為用水單元個數(shù);μ為濃度區(qū)間個數(shù)。

3.1.2 問題表

復(fù)合曲線可以直觀地指出夾點(diǎn)的位置，用問題表可以更精確地確定水夾點(diǎn)位置。問題表的計(jì)算如表3所示，可知夾點(diǎn)在COD 為1800 mg/L 處，最小新鮮水流量為67 t/h。

3.2 水源分配構(gòu)造梯級用水網(wǎng)絡(luò)

在構(gòu)造水網(wǎng)絡(luò)的過程中，只要依據(jù)“夾點(diǎn)之上不使用新鮮水，夾點(diǎn)之下不排放廢水，不能有跨越夾點(diǎn)的匹配”的原則［9］，就可以使設(shè)計(jì)出的水網(wǎng)絡(luò)的新鮮水用量等于僅考慮直接回用時的目標(biāo)值。

為了進(jìn)行匹配，先按式(2)計(jì)算各單元在各濃度區(qū)間的雜質(zhì)。

?

然后按式(3)計(jì)算出各單元對應(yīng)各濃度區(qū)間COD 負(fù)荷的最小流量。

設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)過程如圖3 所示，改造后的梯級用水網(wǎng)絡(luò)如圖4 所示。

4 節(jié)水潛力分析

經(jīng)過水夾點(diǎn)技術(shù)構(gòu)造新的用水網(wǎng)絡(luò)，企業(yè)新鮮水用量由原來的5470 t/d下降到1584 t/d，平均新鮮水用量由原來的27.5 t 水/t 紙下降到8 t 水/t 紙，下降了71%，年節(jié)水量約121 萬t。具體情況見表4。可見該企業(yè)節(jié)水空間很大，需要進(jìn)行梯級用水改造。

表4 夾點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果與優(yōu)化前實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)比較

5 梯級用水網(wǎng)絡(luò)改造

依據(jù)水夾點(diǎn)技術(shù)分析得到的梯級用水網(wǎng)絡(luò)，該企業(yè)做了如下改造，改造后企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)如圖5 所示。

5.1 高級文化用紙車間節(jié)水改造

(1)新增250 m3屋頂白水池

白水池置于制漿工段水力碎漿機(jī)屋頂上，總長度18 m，寬度為車間橫向墻體的寬度，約10 m，池內(nèi)有效高度1.5 m。白水池分兩格，每格均約為125 m3，白水在每格中逐格溢流。

①高級文化用紙車間機(jī)外白水全部泵送至屋頂白水池中，白水系統(tǒng)處理能力為50 m3/h。根據(jù)用白水的要求不同，在生產(chǎn)中從不同格中取用白水，二段與三段除渣器稀釋、10 m3水力碎漿機(jī)、3 m3水力碎漿機(jī)、2 m3水力碎漿機(jī)、濃調(diào)白水直接從白水池中取用。

②白水在進(jìn)入白水塔之前，增加1 套白水脈沖回收器，白水塔內(nèi)新增攪拌機(jī)1 臺，處理后白水進(jìn)入5#白水池用作洗網(wǎng)水及真空泵冷卻水等;多余部分溢流至衛(wèi)生紙車間。

③對相關(guān)白水管道進(jìn)行改造。

(2)新建白水過渡池

雖然新的白水系統(tǒng)已投入使用，但還存在配套問題，現(xiàn)紙機(jī)上的白水已收集到屋頂白水池使用，還需要建1 個20 m3的過渡池收集2 個脫水機(jī)排出的白水，然后通過液位控制泵輸送到屋頂白水池進(jìn)入系統(tǒng)使用。目的是使所有的白水全部得到回收利用，同時還可以把原來的6#池做漿料儲存池以緩解錯峰時的用漿壓力。

這樣改造后不僅可以提高高級文化用紙車間的白水循環(huán)利用率，還能將高級文化用紙車間過量的白水送到衛(wèi)生紙車間利用，實(shí)現(xiàn)第一梯度梯級利用，提高水資源利用效率。

5.2 衛(wèi)生紙車間節(jié)水改造

(1)高級文化用紙車間溢流白水開始是進(jìn)入1#白水塔處理后進(jìn)行回用，后改為經(jīng)斜篩處理后，進(jìn)入300 m3清水池作為新鮮水使用，并把過濾的纖維等回用到衛(wèi)生紙車間作為填料。

(2)為了降低生產(chǎn)內(nèi)部系統(tǒng)噸紙新鮮水用量，在減少水質(zhì)對產(chǎn)品質(zhì)量影響的前提下充分利用好白水，制漿車間生產(chǎn)廢水經(jīng)改造后的1#白水塔處理后回送到衛(wèi)生紙制漿生產(chǎn)。針對1#白水塔存在的塔體容積小、沉降面積受限、高度不夠、反應(yīng)運(yùn)程短、制約廢水處理量等問題，對2#白水塔進(jìn)行加高改造，使之比1#白水塔再加高2.3 m，即共加高3.5 m，以增加行程、反應(yīng)混合時間和有效容積。2#白水塔加高后，總高度10.5 m，反應(yīng)行程從緩沖槽入口計(jì)起有36.5 m，比1#白水塔增加了5 m，有效容積258 m3，比1#白水塔增加了68 m3，廢水處理能力約為90 ～110 m3/h。

圖5 改造后企業(yè)用水網(wǎng)絡(luò)

改造后，從高級文化用紙車間溢流來的白水得到充分利用，同時也回收利用了衛(wèi)生紙制漿車間的部分廢水。

5.3 灰紙板車間節(jié)水改造

高級文化用紙、衛(wèi)生紙及灰紙板車間廢水經(jīng)斜篩過濾后，集中回收至2000 m3白水池供灰紙板生產(chǎn)使用，濾渣送灰紙板車間作為填料;灰紙板生產(chǎn)除了化學(xué)品稀釋使用新鮮水之外，其他均取自2000 m3白水池，新鮮水用量為3 m3/h。

改造后，衛(wèi)生紙車間產(chǎn)生的廢水和少量高級文化用紙車間的廢水可以收集供灰紙板車間使用，實(shí)現(xiàn)第二梯度梯級利用，將水資源利用效率最大化。

6 改造后評價

6.1 夾點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果與實(shí)際改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合度分析

依據(jù)夾點(diǎn)優(yōu)化梯級用水網(wǎng)絡(luò)，對企業(yè)原有的用水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，改造后企業(yè)新鮮水用量由原來的5470 t/d 下降到2784 t/d，平均噸紙新鮮水用量由原來的27. 5 t 水/t 紙下降到13. 9 t 水/t 紙，下降了49. 1%，年節(jié)水量84 萬t，具體情況見表5。結(jié)果表明，通過梯級用水改造以后，企業(yè)水資源利用狀況得到很好改善，基本和夾點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果相吻合。

表5 夾點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果與改造后實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)比較

6.2 經(jīng)濟(jì)分析

新鮮水成本以0.5 元/t 計(jì)，節(jié)水年經(jīng)濟(jì)效益為:84(萬t/a)×0.5(元/t)=42(萬元/a);因?yàn)楣?jié)約了84 萬t/a 的新鮮水，同時可以節(jié)約84 萬t/a 的廢水處理費(fèi)用，以廢水處理0.8 元/t 計(jì)算，可以節(jié)約資金84(萬t/a)×0.8(元/t)=67.2(萬元/a)。

年回收纖維等固廢物約3500 t/a，以300 元/t計(jì)，年經(jīng)濟(jì)效益為:3500 (t/a)× 300 (元/t)=105(萬元/a)。

新鮮水能耗以0.086 kg 標(biāo)煤/t 水計(jì)，節(jié)水的年節(jié)能量為:84(萬t/a)× 0.086(kg 標(biāo)煤/t 水)=

72.2 t(標(biāo)煤/a)。

7 結(jié) 論

傳統(tǒng)的節(jié)水途徑采取局部單元操作的方法，節(jié)水潛力有限，難以達(dá)到全局用水的合理分配。因而需要以循環(huán)經(jīng)濟(jì)思想和工業(yè)生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)的水系統(tǒng)集成技術(shù)，把企業(yè)的整個用水系統(tǒng)作為一個有機(jī)的整體來對待，充分發(fā)掘系統(tǒng)的節(jié)水潛力。水夾點(diǎn)技術(shù)可以有效地節(jié)約新鮮水用量，減少廢水排放量。實(shí)踐結(jié)果表明，水夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于該造紙廠的梯級用水系統(tǒng)改造有一定的指導(dǎo)意義，通過優(yōu)化改造，全廠新鮮水用量由原來的5470 t/d 下降到2784 t/d，平均噸紙新鮮水用量由原來的27.5 t 水/t 紙下降到13.9 t 水/t 紙，下降了49.1%，年節(jié)水量84 萬t，節(jié)水效果顯著。

［1］ China Paper Association.2010 annual report of China paper industry［J］. China Pulp ＆ Paper Industry，2011，32(11):8.中國造紙協(xié)會. 中國造紙工業(yè)2010 年度報告［J］. 中華紙業(yè)，2011，32(11):8.

［2］ LIANG Yu. Influence of Water Reusing between Tissue Paper Mill and Kraft Paper Mill on Kraft Paper Properties［J］. Paper and Paper Making，2011，30(10):4.梁 瑜. 梯級用水對牛卡紙成紙性能的影響［J］. 紙和造紙，2011，30(10):4.

［3］ LIANG Yu. A feasibility study on water stairs-using between a tissue paper mill and a kraft paper mill［J］. China Pulp ＆ Paper Industry，2011，32(24):31.梁 瑜. 衛(wèi)生紙廠與?？垙S梯級用水的可行性研究［J］. 中華紙業(yè)，2011，32(24):31.

［4］ CHEN Sheng. Study on the Feasibility of Water Cascade Using Between Two Papermaking Mills［J］. China Pulp ＆ Paper，2011，30(10):38.陳 勝. 衛(wèi)生紙?jiān)旒埌姿幚砗蠡赜糜谂？堅(jiān)旒埖纳a(chǎn)試驗(yàn)［J］. 中國造紙，2011，30(10):38.

［5］ EI-Halwagi M M，Manousiouthakis V. Synthesis of Mass-exchange Networks［J］. AIChE J.，1989，35(8):1233.

［6］ Wang Y P and Smith R. Wastewater minimization［J］. Chem Eng Sci.，1994，49(7):981.

［7］ Linnhoff March Corp. Linnhoff March Corp［EB/OL］. http://www.linnhoffmarch.com/.

［8］ Mann J G，Liu Y A. Industrial water reuse and wastewater minimization［M］. Beijing:China Petrochemical Press，2001.Mann J G，Liu Y A. 工業(yè)用水節(jié)約與廢水減量［M］. 北京:中國石化出版社，2001.

［9］ FENG Xiao，LIU Yongzhong，SHEN Renjie，et al. Water system integration optimization——A system synthesis method of saving water and reducing emission［M］. Beijing:Chemical Industry Press，2008.馮 霄，劉永忠，沈人杰，等. 水系統(tǒng)集成優(yōu)化——節(jié)水減排的系統(tǒng)綜合方法［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.