水夾點技術及其工程應用綜述

孟立紅，喬 琦，劉景洋

（中國環境科學研究院國家環境保護生態工業重點實驗室，北京 100012）

水夾點技術及其工程應用綜述

孟立紅，喬 琦，劉景洋

（中國環境科學研究院國家環境保護生態工業重點實驗室，北京 100012）

水夾點技術是針對企業用水系統，設計新鮮用水量最小、廢水排放量最小進而達到經濟效益最優的一種過程集成技術，是近年來企業節水減排研究的熱點技術之一。本文概括地介紹了水夾點技術的提出與發展以及國內外重點在水系統集成優化應用方面的進展；對重點行業水夾點技術的工程應用實例進行了剖析；從可用性和效果上分析了水夾點技術簡潔直觀、易于理解的優點；指出了在多雜質系統應用中存在的問題與局限性；探討了這一技術與其他分析工具相結合應用于企業水系統優化的途徑。

水夾點技術;節水減排;工程應用;系統優化

我國水資源日益匱乏，水污染日趨嚴重，在這樣一個嚴峻的形勢下，節約工業用水與減少廢水排放量成為了緊迫任務。從20世紀80年代開始，全世界普遍開始研究工業用水節約的新理論與新技術，經過了二十余載的探索，越來越多的水夾點技術運用于企業節水減排，并且已經取得了一定的成果[1-3]。從深度上，水夾點技術針對的是單雜質的用水網絡優化；從廣度上，過去的研究主要集中在石化行業、煉油廠及鋼鐵業等行業。水夾點技術為我國工業節水減排工作做出了巨大貢獻，但是，用于多雜質水網絡系統的優化還存在一定的局限性[4、5]。在已有研究的基礎上，本文總結了水夾點技術結合數學規劃法在水系統集成優化上的應用，并對這一集成技術進行了更為深入的探討。

1 水夾點技術的研究現狀

1.1 國外水夾點技術的研究現狀

夾點技術最初由Bobo Linnhoff提出，是一種換熱網絡合成技術，主要用于解決換熱網絡系統中的瓶頸問題—溫度夾點問題，屬過程集成技術早期的一個重要進展。由于傳質和傳熱過程的類似性，夾點技術的基本理論逐漸應用于用水網絡中，用于求解用水系統新鮮水最小用量和廢水最小排放量。

1980年，Takama等人[6]以煉油廠為實例將水夾點技術應用于水分配網絡設計中，從而實現了新鮮水消耗和廢水產生均減少20%，總成本減少接近50%的效果。此后過程工業水分配網絡的設計方法便引起了科學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的傳遞問題，并將用水網絡和質量變換網絡中雜質的傳遞進行了類比。1994年Wang和Smith[8、9]正式提出了“水夾點”技術這一概念，同時提出了極限水曲線、極限水復合曲線等新概念，至此形成了一種比較完善的水系統集成優化方法。從此，水夾點技術的研究成為熱點，運用這一技術對工業用水網絡優化設計的分析與探討大量涌現，有關論文也相繼問世。

1997年，Olesen等人[10]基于Wang和Smith的夾點技術設計了一種新的方法，這種方法限制用水單元不多于5個且應用于單雜質的用水網絡。Kuo和Smith[11]針對已有研究提出了通過重復使用目標的設計方法實現多雜質用水網絡，但是在實踐應用中也較為困難。

綜上所述，水夾點技術通常在求解單雜質問題時能夠取得較好的效果，但在解決多雜質問題上有一定的局限性。針對這個問題，Wang和Smith提出了“濃度轉移”的方法，但在實際應用中被證實這種方法非常復雜，僅能處理小規模問題。此后，陸續有學者逐漸將其他用水網絡設計的方法與水夾點技術相結合，在一定程度上解決了水夾點技術只適用于單雜質用水系統的局限性問題。水夾點技術的工程應用也隨之完善成熟起來。

1.2 國內水夾點技術的研究現狀

水夾點技術在我國的研究起步較晚。1999年姚平經、華賁等人將美國人James G．Mann和劉裔安所著的《Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization》（《工業用水節約與廢水減量》）[5]譯來才真正引起了我國科學界的重視。隨著我國水資源的日益短缺，國家對節水技術的大力支持，有關水夾點技術發表的論文日益增多，研究者的隊伍也逐步擴大。同期，碩士及博士研究生學位論文中水夾點技術的研究也日益增多。但由于水夾點技術研究屬跨學科的邊緣學科，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《工業用水節約與廢水減量》[5]中，總結了水夾點技術的研究應用成果，首次對該項技術的應用提供了全面指導，并總結了該領域研究應用的最新發展，為水夾點技術在我國的推廣起到了很大的促進作用。同期，我國其他的一些研究者也相繼開展了有關研究。馮霄等在2002年就水系統集成優化方面提出了一種新的用水網絡—基于中水道的水網絡，隨后又提出可以通過適當調節關鍵環節對水質的要求來解決瓶頸，使系統用水量明顯減少，并繼續討論了水夾點技術中再生濃度的確定原則，進一步深化了水夾點技術在工業用水中的應用[12、13]。李英、姚平經[4]鑒于水分配網絡設計的應用還有許多限制，重點討論了現存的諸多問題，探討了質量集成的思想，為水夾點技術和數學規劃法的結合應用奠定了堅實基礎。張建紅、湯小玲、Mann J G等[1、2、14]分別探討了水夾點技術的工程應用，通過實例證明了水夾點技術在我國工業發展中應用的可行性。

2 水夾點技術的工程應用

2.1 石化行業的應用

水夾點技術現階段在國內的工程實例應用中，涉及最多的是石化行業，已有研究表明：1）在流量恒定和流量改變條件下，優化后的用水網絡較原有用水網絡節約新鮮用水量分別在13.72%～19.17%和14.81%～22.87%；2）平均節水潛力達到了14%～30%。

1996年至1997年，Mann[14]在中國臺灣石油化工業5個制造廠成功應用了水夾點技術來實現水回用和廢水量最小化，結果表明水夾點技術能使水回用從18.6%增加到37%，這是目前為止在學術界公開發表的報告中最全面的技術案例研究。

梁偉、苗磊等人[15]將水夾點技術原理直接轉換成一個可以實際應用的軟件，從而簡化了應用水夾點技術繁瑣的建模與計算分析，達到了把理論直接轉換為實踐的目的。以某石化企業為例，通過軟件的應用分析可知，系統出口雜質濃度最大時用水數據、常規分析優化后系統用水數據、用水網絡設計軟件優化系統用水流程數據，與系統原設計用水數據比較，結果利用水夾點技術優化后比原設計節水48.7%，比常規優化技術節水14.6%。水夾點技術具有相當的復雜性和抽象性，運用軟件計算后大大減少了建模過程中的難度和復雜性，具有很大的可推廣性。

朱慎華[16]通過將常規分析優化后系統的用水數據、用水夾點技術優化后系統的用水數據與系統原設計的用水數據比較，得出常規分析優化節水率17.62%、水夾點技術優化節水率31.03%的結果，表明水夾點技術比常規節水優化技術節水16.3%。

2008年，王煒亮[17]運用水夾點技術對某石化企業進行用水網絡優化研究，結果表明，在流量恒定和流量改變的條件下，通過用水網絡初始優化設計節約的新鮮水用量分別為17.17%和13.72%。對初始設計用水網絡進行優化，回用管路數分別由14條和16條減少為11條和8條，優化后的用水網絡分別節約新鮮水用量17.25 %和14.81%。

2.2 煉油行業的應用

1980年，Takama等[6]以煉油廠為實例進行了水分配網絡設計，應用水夾點技術后，與常規方法相比，新鮮水消耗和廢水產生均減少了20%，年費用降低55%。

Wang等[8、9]采用水夾點技術以煉油廠的實例說明水回用比沒有水回用費用降低20%，而再生回用則降低26%。

陳麗等人[18]將水夾點技術應用于某煉油廠，最終節約除鹽水14.47t/h，效益約為81.032萬元/年（按除鹽水7元/t計）。

湯小玲等人[2]在某煉油廠進行實證研究，將具有流量變化和回用的焦化用水網絡于2003年5月實施，只對出水流程進行改造，同時增加了一臺污水提升泵及配套管線、管件，污水提升泵為間歇運行方式，自動啟動，以水位來控制。新鮮水耗量節約240t/d，廢水排放量降低240t/d，一年可節約費用212,284.8元，不到9個月就可回收全部投資。

2.3 鋼鐵行業的應用

張建紅等人[1]將水夾點技術應用于某煉鋼廠，得出的用水網絡優化方案是可行的，并取得了30%的節水效果。這一方案的提出與實施，對于水夾點技術在我國鋼鐵行業的應用具有很大意義。在2010年全國能源與熱工學術年會上，郭寧等人[3]基于夾點單體技術和數學規劃法相結合的思想，針對鋼鐵業充分挖掘我國鋼鐵企業節水減排潛力，并對最大限度節約工業用水進行了展望。

2.4 小結

除了以上提及行業的應用，水夾點技術在其他行業比如電廠[19]、鈦白粉廠[20]等也有個別應用，也都取得了一定的節水效果。通過以上研究實例可以看出，水夾點技術在工程上已得到了較為廣泛的應用，并取得了較為明顯的節水效果，體現出了以下優點：1）物理概念強，易于理解；2）求解過程使用圖表，簡潔直觀；3）對于單雜質系統而言，可以求得全局最優解。但在實際的工程應用中，也出現了一些問題，如以上提及的優點只適用于單雜質系統，一般不適用于多雜質系統；此方法僅能給出新鮮水目標值，而在構造用水網絡時，需要人為經驗參與進行網絡優化。

（1）再生濃度的確定問題

應用水夾點技術設計用水網絡時，它的特點是預先建立一個優化可行的新鮮水最小流量目標，再根據最優目標來確定詳細的用水網絡設計，其中再生濃度需要在生產工藝用水網絡運行中測試出精確值。但在建立新鮮水最小流量目標時再生濃度的確定，往往是在生產實踐之前，憑借經驗或數據分析求解，再根據這個參數設計用水網絡，這可能和實際操作產生的再生濃度產生偏差，使生產系統不能達到設計負荷，浪費資金，或者系統超負荷運行不能滿足生產工藝水質要求。因此，提出一種可以驗證效果的分析方法是十分必要的。

（2）工藝用水雜質的簡化問題

到目前為止，水夾點技術通常在分析單雜質用水系統時能取得較好的效果，但在多雜質用水系統分析中遇到了困難。而很多情況下，用水水質不僅含一種污染物，BOD、COD、SS等都是水污染的重要指標。在用水操作中，可以根據具體工藝水質用途進行水質分類，選擇在生產用水中起決定作用的雜質作為目標去處理，把多雜質用水系統簡化為單雜質用水系統。例如：在有機廢水中可以選擇COD作為水質指標，這樣就簡化了水夾點設計新鮮水最小流量目標。但雜質間的相關性如何，如何簡化還是一個亟待解決的問題。

3 結論

通過應用實例可以看出，運用水夾點技術后的水網絡節水效果顯著。對比常規節水方法，水夾點技術有明顯的優勢，但對于復雜的水網絡，設計過程中面臨了諸多繁復，包括計算過程和管路改造都有一定的局限性。

鑒于以上問題，近年來一些專家學者開始尋求一種更優的網絡優化方法，在夾點技術的基礎上提出通過建立數學模型進行優化，即數學規劃法。在優化的模型中含有三方面的描述，即要進行優化的目標函數（新鮮水流量、成本函數等）、等式約束和不等式約束等。這種方法既可用于單雜質系統，又可用于多雜質系統，在工程應用中也已經取得了一定的成效。在馮霄等人的一些文獻書籍中可以看出，多雜質系統一般也只做到了兩到三種雜質，對于更多的雜質系統，現在還沒有成熟的簡化模型。針對現有的一些問題，可以設想，將雜質悉數列舉，通過統計分析方法分析各雜質對于水質要求的影響程度以及各雜質之間的相關性，把對水質影響程度高的雜質剔出來，影響度低的雜質剔除去，把相關性強的幾種雜質折合成一種雜質，相關性弱的雜質單獨列出作為一種雜質，最終達到簡化的目的。屆時，可以考慮將這一技術推廣至石化行業外一些水質復雜行業的節水減排應用中。

水夾點技術在我國還屬于起步階段，相信隨著國內對于工業企業節水減排要求的提高，水夾點技術在我國的研究和推廣會逐步提高。

[1]張建紅，吳禮云，劉正發，等.水夾點技術在煉鋼廠的應用[J].中國冶金， 2009，（12）：37-42.

[2]湯小玲，戴友芝.水夾點技術在節水減排中的應用[J].煉油技術與工程， 2004，（10）：56-58.

[3]郭寧，高成康，蔡九菊，等.我國鋼鐵企業用水系統優化的進展及展望[C].2010全國能源與熱工學術年會論文集，2010：376-379.

[4]李英，姚平經.水夾點分析與數學規劃法相結合的用水網絡優化設計[J].化工學報，2004，（02）：220-225.

[5]姚平經，華賁，項曙光，等.工業用水節約與廢水減量[M].北京：中國石化出版社，2001：105-216.

[6]TakamaN，KuriyamaT，ShirokoK，etal.Optimalwaterallocationinapetroleumrefinery[J].Computers&ChemicalEngineering1980：4 （4）：251-258.

[7]Etiégni，L.，M.Wakoli，etal.（1999）.“Designofanefficienttanninextracteffluenttreatmentsystem.”WaterScienceandTechnology39（10-11）：321-324.

[8]WangY，SmithR.Wastewaterminimisation[J].ChemicalEngineeringScience，1994：49（7）：981-1006.

[9]WangY，SmithR.Designofdistributedeffluenttreatmentsystems[J].ChemicalEngineeringScience1994，49（18）：3127-3145.

[10]OlesenS，PolleyG.Asimplemethodologyforthedesignofwaternetworkshandlingsinglecontaminants[J].ChemicalEngineeringResearchandDesign，1997，75（4）：420-426.

[11]KuoWCJ，SmithR.Effluenttreatmentsystemdesign[J].ChemicalEngineeringScience1997，52（23）：4273-4290.

[12]馮霄，王斌，劉永忠.水系統瓶頸的確定及解瓶頸[J].華北電力大學學報，2003，（05）：13-16.

[13]馮霄，王斌.考慮再生循環的水系統集成概述[J].華北電力大學學報，2004，（06）：17-19.

[14]MannJG，LiuYA.IndustrialWaterReuseandWastewaterMinimization[M].McGraw-Hill，1999.

[15]梁偉，苗磊，張洪林，等.水網絡設計優化軟件在工業節水中的應用[J].礦冶，2006，（04）：65-68.

[16]朱慎華.應用夾點技術優化裝置用水設計[J].齊魯石油化工，2002， （04）：308-311，275-276.

[17]王煒亮.水夾點技術用于石化行業水網絡優化研究[J].環境科學與技術， 2008，（02）：140-143.

[18]陳麗.水夾點技術在煉油廠的應用[J].計算機與應用化學，2009，（09）：1153-1158.

[19]吳驊鳴.電廠負荷優化分配和循環水系統優化運行的研究[D]，浙江大學，2004.

[20]米小娟，徐竟成，黃菊文，等.水系統優化在某鈦白粉廠的應用—數學規劃法[J].化工進展，2011，（06）：1384-1387，1390.

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（2009ZX07208-002）；國際科技合作項目（2010DFB90590）。