CN102425207A - 一种新鲜水梯级利用和水网络优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水资源节约技术领域，本发明提供了一种新鲜水梯级利用和用水网络优化的计算方法，所述方法包括：一是通过对用水单元操作进行分析，确定某些关键杂质；二是通过水夹点技术，作出某些关键杂质浓度组合曲线，得到新鲜水夹点，找出新鲜水最小量;三是水网络优化技术，获得最小新鲜水用量和用水单元梯级利用的优化网络，改造现有的用水网络以使水回用最大化和废水产生最小化。通过新鲜水梯级利用和水网络优化，可实现节水减排，降低用水和污水处理成本，是一种易实施、高效、成本回收周期短的节水减排手段。
Description
技术领域
本发明涉及水资源节约技术领域，特别涉及新鲜水梯级利用和水网络优化技术。
背景技术
随着经济社会发展，能源、资源和环境问题日益突出。水资源短缺是困扰人类生存和企业发展的热点问题，影响到经济社会的可持续发展。企业的水资源节约不仅可以为企业节约成本，而且具有重要的社会和环境效应。废水排放对环境的污染同样也己经成为制约可持续发展的一个重大课题。冶金、石油、化工、有色、建筑等企业是用水大户，也是排污大户。有数据表明，国内工业企业单位GDP用水量是国外的3倍，排水量是国外的8倍，不仅浪费水资源，污染环境，而且严重影响企业经济效益的提高。因此，节水、减污、增效是关系到我国工业企业能否生存并实现可持续发展的当务之急。
发明内容
本发明提供一种新鲜水梯级利用和用水网络优化方法，所述方法包括：一是通过对用水单元操作进行分析，确定某些关键杂质；二是通过水夹点技术，作出某些关键杂质浓度组合曲线，得到新鲜水夹点，找出新鲜水最小量;三是水网络优化技术，获得最小新鲜水用量和用水单元梯级利用的优化网络，改造现有的用水网络以使水回用最大化和废水产生最小化。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
（1）用水单元操作分析
工业用水操作分析的一种简单的方法应是将该操作过程描述为如图1所示的从富杂质过程流股到水流的传质模型。在这种情况下，两股过程流股从相反的方向逆流接触。富杂质流股模型的传质过程如图1所示，横轴表示杂质负荷，纵轴表示杂质浓度，图1包括过程流股线，供水流股线。在富杂质过程流股模型中，杂质从用水操作传递到水流中的质量负荷等价于在一定时间间隔内过程流杂质从高浓度降至低浓度的质量负荷。过程流股和供水流股中的杂质浓度及杂质负荷的变化可分别用过程流股线和供水线表示。过程流股线斜率的倒数表示物流量，供水线斜率的倒数表示供水量。供水线必须总处于过程流股线下方，即总存在一个浓度差使杂质由过程流股向水流传递。
（2）用水模型
为有效地从包含水回用的用水操作中提取过程流股数据，从而使废水产生量最小，我们在此定义供选择的水源（允许水回用）为入口流，流向废水处理过程的为出口流。限制水在本操作中水源再利用的物质或性质，如悬浮物等为杂质。采用这种步骤来分析用水操作，我们还需确定本操作中的约束条件，并确定基于该约束条件下的水极限流量。对于第 
个操作，其基本约束有：(1)入口的杂质浓度水平
；(2)出口流的杂质浓度水平
；(3)杂质的总传质负荷
。水极限流量就是在先给定的入口流限制和出口流限制
和
条件下，为达到杂质传质负荷
所需的水流量。
有了这些约束条件，可以计算极限水流量，对于第i个操作有以下关系式：
其中
为过程极限出口浓度，
为过程i极限入口浓度，
为最小新鲜水流量。
本模型的一个重要特点就是将平衡约束变为最大的进出口浓度，极限浓度表示了杂质流股和水流间发生传质的最大可能浓度。也就是说，如果由平衡约束得到极限入口浓度，当水流在极限入口浓度下进入时，传质推动力在入口处不为零。在这种情况下，传质推动力达到最小值。
常规的节水策略常着眼于单个的单元操作或局部用水网络，只能达到局部节水的目的，不能使整个用水系统的新鲜水用量和废水产量最小化。水夹点技术着眼于整个用水系统，利用单元模型构造水夹点。
如图2所示，水进入过程中与物料进行质量传递，将物料中的杂质带走，产生了浓度为
的废水。此过程可看作两股物流即系统物流(富杂质流股)和水流之间的质量传递。
图3为各物料线与供水线构成的浓度极限曲线，从图中可以看出，每一条物料线对应一条供水线，可见不同的物料需要不同的供水。
为了达到全局最优化的新鲜水流量，需要将所有用水单元的情况用复合曲线来分析，如图4和5所示：将3个用水单元的极限曲线（图4）复合为一条极限复合曲线（图5）。
本模型的一个重要特点就是将平衡约束变为最大的进出口浓度。极限浓度表示了富杂质过程流股和水流间发生传质的最大可能浓度。
值得一提的是，极限入、出口浓度的数据采集主要是根据实验或经验获得。影响极限浓度曲线大小的因素很多，如杂质的物理、化学特性，操作温度、压力，杂质间的影响，设备结构，物流间的接触方式等。复杂的影响因素给实际生产中数据的采集带来很大的困难，加之一般过程工业工艺条件千差万别，逐个获得工艺生产设备的精确极限入、出口浓度难度很大，这就需要在选取工艺设备浓度数据的时候进行筛选，分出主次、逐层分析，找出关键的用水单元。
在此模型中，最常见的是具有水回用的集成系统，确定新鲜水流量最小目标就是寻找水夹点。为使用水操作过程的废水生产量最小化，可以利用水回用和过程集成技术，从新鲜供水的杂质进口浓度为零开始到所有操作的杂质出口平均浓度作出系统中所有用水操作的浓度组合曲线。该曲线由一系列线段组成，分布于递增的浓度间隔上，表达了所有操作的杂质总的质量负荷。以原点为中心（即零进口浓度和零质量负荷），将供水线反时针旋转，直到和浓度组合曲线接触，以确定新鲜水夹点。因为系统在新鲜水夹点之上不需要新鲜水，此点对废水产生量最小化尤为重要。
附图说明
图1是传质负荷与杂质浓度之间的关系图；
图2是用水单元模型图；
图3是极限曲线图；
图4是极限曲线；
图5是极限复合曲线；
图6是本发明实施例的用水系统（以固体悬浮物为主要杂质）的杂质浓度组合曲线图；
图7是本发明实施例的用水系统（以固体悬浮物为主要杂质）进行水夹点技术优化处理后的管网图；
图8是本发明实施例的用水系统（以CODcr为主要杂质）的杂质浓度组合曲线；
图9是本发明实施例的图9 用水系统（以CODcr为主要杂质）进行水夹点技术优化处理后的管网图；
图10是本发明实施例的图10水夹点技术分析优化后水资源利用图；
图11为用水系统数据采集示意图；
图12为用水系统过程数据示意图。
具体实施方式
本发明提出的新鲜水梯级利用和用水网络优化方法，结合附图和实施例说明如下。
本研究选择某碳素厂为研究对象，对该厂的进行了调研。碳素厂分为一期、二期和三期工程。每期工程都包括煅烧设备冷却水、成型设备冷却水和回转窑冲灰水。每期工程中，煅烧设备冷却水和成型设备冷却水独立循环，回转窑冲灰水回到净水厂中和净化后回用。三期工程较一期和二期工程的特点为，设备冷却水蓄水池都为密闭水池，相对干净。
根据该厂提供用水系统的相关数据，将该用水系统分为九个用水单元，分别是一二三期煅烧设备冷却水、一二三期成型设备冷却水和一二三期回转窑冲灰水。从给定的数据分析，水质主要污染物为悬浮物和CODcr，故选定用水系统中悬浮物和CODcr作为关键杂质，分别进行水夹点技术优化分析，得出节水优化方案，达到节能减排目的，提高企业经济效益。
（1）悬浮物为主要杂质的水夹点技术优化
考虑固体悬浮物作为主要杂质，依据提供用水数据分析用水系统的水平衡，综合各个环节出水水质表，得到用水系统过程数据如图11。
图11用水系统数据采集表（以固体悬浮物为主要杂质）
与上表对应的供水曲线如图6所示。其中斜直线为供水线。
如图7所示，水夹点分析结果为：最小供水量Fmin = 607.75 te/hr，夹点浓度为80.00 ppm，平均出口浓度为269.29 ppm。
根据原数据，水夹点技术之前直接利用水量F=F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7+F8+F9=170+150+200+65+50+35+100+50+50 = 870 te/hr, 而使用水夹点技术之后的用水总量为607.75 te/hr，较原用水量减少了30.1%。
（2）CODcr为主要杂质的水夹点技术优化
考虑CODcr作为主要杂质，依据提供用水数据分析用水系统的水平衡，综合各个环节出水水质表，得到用水系统过程数据如图12。
图12用水系统数据采集表（以CODcr为主要杂质）
根据上表得供水曲线如下图8，图中斜直线为最小供水线。
经水夹点分析和优化，获得的优化管网图如图9所示。
如图9所示，水夹点分析结果为：最小供水量Fmin = 555.25 te/hr，夹点浓度为80.00 ppm，平均出口浓度为308.80 ppm。
综合节水效益分析可知，没有水夹点技术之前直接利用水量F=F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7+F8+F9=170+150+200+65+50+35+100+ 50+50 = 870 te/hr，而使用水夹点技术之后的用水总量为555.25 te/hr，较优化前用水量减少了36.2%。
（3） 优化后的水资源分配图
通过比较分析图7和图9可见，以固体悬浮物为主要杂质的水网络优化系统用水在另一种控制杂质——CODcr满足的条件下仍然可以实现。因此，综合这两种控制杂质的水夹点分析，该用水系统可以以固体悬浮物为主要控制杂质进行水夹点技术分析，同时考虑到了CODcr杂质的满足。
该用水系统最小新鲜水消耗量为607.75 te/hr，夹点浓度在80.00 ppm处。根据供水平衡原则—水平衡方程，供水系统应该收支平衡。所以用水系统中的最小新鲜水消耗量应该等于最小排污量。所以，当采取水夹点技术后，通过原有的处理回用技术，利用净水站对该用水系统的水进行循环利用，如图10所示，其中各个支流的流量根据水夹点网络优化计算的结果进行控制。
（4） 节水及经济效益分析
优化后的水消耗总量为607.75te/h，较优化前总水量的870te/hr，减少262.25te/hr，节水30.1%。若节省的水都为新鲜水，年节约水费为262.25te/hr*300天/年*24h/天*4元/吨=755.28万元；若考虑到所有水都经过净水厂处理回用，该污水处理节约成本为262.25te/hr*300天/年*24h/天*1元/吨=188.82万元，水资源节约相当可观。
Claims (3)
1.一种新鲜水梯级利用和用水网络优化方法，其特征在于，所述方法包括：对用水操作单元进行分析，确定某些关键杂质，利用水夹点技术，构建某关键杂质浓度组合曲线，得到新鲜水夹点位置，该位置对应的用水量即为该杂质条件下最小新鲜水用量；利用水夹点优化技术，构建该杂质条件下的水网络优化图；对比分析多种关键杂质条件下的优化后的水网络，选取某一种关键杂质条件下的优化水网络，该优化水网络能够兼顾其他杂质条件下的用水操作需求。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，某一关键杂质条件下都对应一新鲜水用量最小的优化水网络。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对比分析多种关键杂质条件下的优化水网络，确定某一种关键杂质条件下的优化水网络能够同时兼顾其他杂质条件下的用水要求。
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Cited By (3)
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| CN104699927A (zh) * | 2013-12-06 | 2015-06-10 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种具有分布式性质调级器水网络设计方法 |
| CN105198025A (zh) * | 2015-10-22 | 2015-12-30 | 西安交通大学 | 一种余热驱动热泵的含盐废水蒸发结晶系统集成设计方法 |
| CN113435797A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-09-24 | 中冶节能环保有限责任公司 | 一种工业企业优化用水方法、系统、电子设备和存储介质 |
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2011
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