基于生態網絡分析法的煤化工水網絡結構解析

程 蕾,郝增超,曾維華(北京師范大學環境學院,北京 100875)

基于生態網絡分析法的煤化工水網絡結構解析

程 蕾,郝增超,曾維華*(北京師范大學環境學院,北京 100875)

由于煤化工水網絡結構的復雜性,水網絡的用水/排水去向以及結構的整體性分析已成為系統集成優化的基礎工作.選取某典型煤制烯烴項目的水網絡體系為研究案例,采用生態網絡分析法深度解析煤化工水網絡體系的結構和用水效率.采用生態分析方法中的通量分析和效用分析對選取的煤化工水網絡結構進行研究.通量分析的結果顯示,在該煤化工水網絡結構中,通量占比最大的節點分別為第一冷卻水站(35.70%)和第二冷卻水站(26.35%).效用分析中用網絡共生指數(M)來衡量系統結構的穩定性,計算得到該案例中M值為0.97 ,接近于1.從生態學的視角來看,網絡中各節點之間呈現競爭與共生的強度相當,網絡協作性較好.

生態網絡分析；煤化工；水網絡；結構解析；共生指數

煤化工行業的發展一直因為其高水耗、高污染的特點受到水資源的制約問題日益嚴重.我國煤炭資源和水資源總體呈逆向分布,由于產業布局受煤炭資源主導,使得產業發展中水資源配置的問題尤為凸顯.目前我國水資源和水環境問題成為煤化工產業發展最關鍵的瓶頸,應運而生的“廢水零排放”的目標又因為煤化工行業存在的一系列技術經濟等各方面的問題而備受爭議[1-2].

目前關于煤化工行業的節水減排工作主要是關注煤化工工藝的優化、廢水深度處理技術的開發從而來提高廢水的回用率[3],缺乏整體全局性的分析.從整體上關于煤化工水網絡體系優化的研究主要是水網絡集成優化理論[4-5],這方面的理論研究已經比較成熟,然而實際應用相對較少.楊友麒等[6-7]提出的基于過程系統工程的節水三步曲是目前這方面的顯著研究成果之一,但是該方法體系全套應用成本相對龐大,還需在煤化工企業中進一步推廣.實施整體性的水網絡體系的集成優化,需要對水網絡結構進行深入的剖析和解讀,從系統的角度對煤化工項目的整個水網絡結構進行整體性分析,考慮工程中所有不同水質的水流動過程,以圖的形式將整個流動過程表示出來,從而形成一個復雜的拓撲結構譜圖.同時需要采用一些結構分析的方法如結構解析模型、生態網絡分析等,結合投入產出以及生態學方面的理論,對煤化工水網絡結構進行逐步剖析.其中,生態網絡分析最早是起源于生態系統的結構分析方法[8],目前廣泛應用于城市能量流動以及社會經濟[9-10]等方面的社會經濟網絡結構分析.在工業領域,生態網絡分析方法多應用于生態工業園區的物質流動分析和穩定性分析[11-13].

煤化工水網絡體系是一個龐大的系統,各個組分之間有著復雜的直接或間接的聯系,呈現出的網絡結構可類比于環境生態網絡,在網絡內部進行著新陳代謝.水在代謝過程中出現各種變化,一旦某個組分的不利作用增強(即不利于水量的補充),整個水代謝系統就會出現紊亂;同時,與其相關的其它組分的有利作用如果可以抵消不利作用,則整個系統可以正常代謝實現水量的補充.本文基于此,從生態學的角度運用生態網絡分析法研究煤化工水網絡體系的網絡結構及用水效率,系統甄別現有煤化工企業內部結構存在的問題,從而為煤化工水網絡體系優化研究開拓新的視野,為煤化工行業的節水減排工作提供理論支持和技術借鑒.

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文主要從某個煤制烯烴項目的企業內部水平衡入手,建立基于水量變化的水網絡結構圖,分析網絡結構中各個節點之間的間接的潛在關系,以及各節點消耗水量的占比以及整體網絡體系穩定性和效率.本文數據主要來自對該項目的實地調研,采用水平衡核算的方法最終得到具體各股水流的通量.

1.2 生態網絡分析法

網絡分析的基礎是鄰接矩陣[14]An×n=(aij)和流量平衡矩陣Fn×n=(fij),其中 n為網絡節點數,若aij=1意味著節點i到j之間是有邊連接的,此時fij代表它們之間的單位時間內流量的大小.在網絡中,還存在著輸入、輸出和節點的內部存儲,分別以矢量 z,y,x來表示.那么,網絡的平衡約束可以表示為[15]：

式中：Tj即為通過節點j的凈輸入(輸出)量,任意節點的總輸入量和總輸出量是相等的.根據鄰接矩陣或流量平衡矩陣的不同迭代方式,網絡分析分為結構分析、通量分析、儲存分析和利用分析4個子類別.

1.2.1 通量分析 通量分析的基礎是流量密度矩陣G.通過G的迭代可以獲得兩點之間通過一定長度路徑的間接流量密度和綜合流量密度[16].

式中：Tj為通過節點j的凈通量.G0表示單位矩陣,它意味著流從某一節點出又回到相同的節點中;矩陣G1意味著網絡中的任何節點之間都是直接流;Gm(m≥2)意味著節點之間存在 m長度的間接流,N即為兩點之間通過長度為m的綜合流量密度矩陣[15].

無量綱綜合流矩陣 N通過右乘對角化通量矢量(T)以轉換N的縱向量成為有量綱的矩陣Y.通過計算矩陣Y的每個縱向量總數和,矩陣Y的列向量即得出[17].

W可以反映出節點j對整個系統的貢獻情況,從而得到每個節點的貢獻并以此確定每個節點的比重.

1.2.2 效用分析 網絡效用分析是用于表征網絡系統中不同組分間的定性定量關系[18],主要分析節點i和j之間的凈通量,即相互之間的利用程度.公式如式(6)：

對其進行迭代,則得到總利用密度矩陣U：

式中：D為直接效用矩陣,U為無量綱綜合效用矩陣.采用這些分析可用來研究生態網絡的一些主要性質,如：間接效應,放大效應、網絡均質性,以及網絡協作性.

指定矩陣 U的任意兩個節點之間的生態關系表示為 suij,則一對節點之間的直接關系可通過一對直接利用矩陣給出.如：(su21,su12) = (+,?)表示節點2利用節點1,如果(su21,su12) = (?,+),則是節點 2被節點 1利用.即 (0,0)表示中立狀態, (?,?)表示競爭關系, (+,+)表示共生關系[19].效用分析的最終目的是研究系統的共生狀態,引入共生指數M以定量系統的整個共生情況,J (U)代表積極關系數量與消極關系數量的比率.

其中：

如果 M＞1,則矩陣正號數目大于負號數目,說明系統的節點之間建立了更多積極的關系,各節點之間的共生互利關系較多,網絡協作性較好.相反,如果負號多于正號,則系統建立了更多消極的關系,節點之間競爭關系比較多,網絡協作性較差.

2 案例分析

2.1 網絡結構概況

本文選取的網絡結構圖主要依據是項目環評報告中的水平衡圖,并加以總結概括,從網絡分析的角度將水平衡圖中涉及到的所有工程環節概括為生產工藝環節和公用工程.整個水網絡系統(圖1)共包含20個網絡節點,主要分為生產工藝環節和公共工程,其中公用工程又包括循環水系統和供水環節以及其它公用裝置.在水網絡結構圖(圖2)中,主要供水環節中的生產水系統給生產工藝環節的節點提供新鮮補充用水,回用水系統主要是進行中水的深度處理,并為循環水系統以及除鹽水站提供補充用水,循環水系統主要為各生產環節提供循環冷卻水,各生產工藝環節則需要耗用一定的新鮮用水或者回用水,同時產生一定量的廢水,并且產生的中間廢水可以進入另一個生產環節進行重復利用,另外生產過程中每個工藝環節都會需要大量的循環冷卻水.因為這些不同水質和水量的水流在各個節點之間流入流出,各節點之間以直接或間接的方式互相關聯.統;

圖1 水網絡系統示意Fig.1 Thesystematic diagram of water network

圖2 水網絡結構示意Fig.2 The structural diagram of water network

2.2 通量分析

通過對該水網絡結構的直接流量矩陣迭代計算得到的比重分布如圖3所示.整體體系中占最大比重的節點分別為節點○14第一冷卻水站(,35.70%)、節點○15第二冷卻水站(26.35%),兩者之和比例占到了 62.05%,其次是節點⑩空分空壓環節,占比為13.18%、節點⑨丙烯制冷+聚丙烯環節占比 10%.由網絡結構模型來看,第一冷卻水站提供5個主要工藝環節的循環冷卻水,提供的循環冷卻水量有65747t/h,占總循環冷卻水量41.4%.循環冷卻水是該水網絡體系中流量最大的一種水流.同時該環節處其它損失水量達到745t/h,需要回用水裝置補充水量278t/h,新鮮水補充量 1103t/h,并向清凈下水裝置排放污水338t/h.同樣第二冷卻水站為 5個主要工藝環節提供循環冷卻水 56456t/h,占總循環冷卻水量35.3%,該處其它損失量有 206t/h,排放廢水為285t/h,需要新鮮水補充水量 1137t/h.而節點⑨和節點⑩都是由2個子環節合并而成的,用到的循環冷卻水也就相對單個工藝環節較多,因為循環冷卻水的貢獻,從而最終占比也就較大.

圖3 水量變化各節點所占比重Fig.3 The proportion of each node during water variations

結合對水平衡網絡中循環冷卻水分布的初步分析可以發現,各節點總體通量所占比重與循環冷卻水消耗比重排序具有一定的同步性,因為相對其它新鮮用水以及廢水排放量,循環冷卻水量遠遠大于新鮮用水或回用水量,那么循環水量對整體水代謝系統的通量影響也是最大的.也就是節水的關鍵首先應是減少循環冷卻水的用量,實施工程節水改造的首要應該是從第一冷卻水站、第二冷卻水站開始,進而再從整體上對水網絡進行優化配置.

2.3 網絡協作性分析

通過對水網絡結構的直接流量矩陣的迭代計算,得到無量綱綜合效用矩陣U,從而可通過該效用矩陣的符號矩陣表 1來表征各個節點之間的生態關系.

在該煤化工水網絡系統中,如果兩個環節需要消耗同一個供水環節的來水,那么這兩個節點之間便存在著一定程度的競爭關系,同時用水環節與供水環節也呈現著利用關系,如果該用水環節產生的廢水經過回收處理之后再被其它供水環節回收利用,那么此時用水環節與供水環節之間便呈現了共生關系.

在表1中,空白處的值均為0,表征的是對應的兩個節點之間不存在生態關系中的任何一種關系((suij,suji) = (0,0)),也即③甲醇單元、⑨丙烯制冷+聚丙烯、⑩空分+空壓、○12酸堿站4個節點都與其他節點不存在生態關系.由網絡結構圖2也可以看出節點③甲醇單元、節點⑩空分+空壓均只與節點○15第二冷卻水站交換循環冷卻水,與其它節點之間即沒有連接,同樣節點⑨丙烯制冷+聚丙烯只與節點○14第一冷卻水站交換循環冷卻水,節點○12酸堿站只與○16第三冷卻水站交換循環冷卻水.其它16個節點相互形成120對生態關系,其中處于共生關系(淺灰色填充標出, (suij,suji) = (+,+))的有30對,處于競爭關系(深灰色填充, (suij,suji) = (-,-))的有32對,其他的則都為利用關系((suij,suji) = (+,-)或(suij,suji) = (-,+)),共58對.由此可以得出在該煤化工水網絡體系中主要的生態關系是利用關系,實際中煤化工廢水回用體系是一個復雜的系統,各個生產環節之間聯系緊密,在水量與水質的變化過程中互相影響.通過效用分析法得出的大量節點之間的生態關系為利用關系,從側面說明從側面說明該煤化工企業內部的水回用環節比較多.同時系統中競爭關系和共生關系的比例相當,均占總生態關系的25%左右,一方面在該水網絡體系中的網絡節點主要都是用水環節,用水環節之間必然因為新鮮補充水、循環水之間的分配表現出競爭關系.而因為生產環節之間的廢水的直接或間接的回用,相關的網絡節點呈現生態學意義上的共生關系.由此計算出共生指數,M=J(U)=S+/S =128/132= 0.97＜1,該數值十分接近于 1,從生態學的視角來看網絡中呈現競爭與共生的強度相當,網絡的協作性比較好.但是共生指數值小于 1,說明系統中各節點之間呈現的消極關系強于積極關系[23],而這也符合了煤化工企業耗水量大,耗水環節多的特征.

表1 水代謝系統中各節點關系Table 1 The relationship among various nodes in the water metabolism system

根據調研獲取的生產數據,該煤化工企業生產過程中的噸產品水耗在50t/t左右,中水回用率73%,廢水回用率為 39.3%,相比于煤化工行業的噸產品水耗 24～74t/t[21],該煤制烯烴項目的耗水量很大,相比于煤化工行業的平均中水回用率60%,該項目的中水回用率比較高,但是廢水回用率比較低.綜合得出,該煤化工項目耗水量大,新鮮用水效率不夠高,雖然中水回用率已經比較高,但是整體的廢水回用率不高,該煤化工企業沒有充分實現廢水的循環多級利用,做到低水低用、高水高用.

煤化工行業的節水減排是一項復雜的系統工程,進行水平衡分析摸清工業的用水分布是實施節水工作的基礎,具體企業的節水應該是在項目的設計階段就開始實施節水規劃.結合本案例分析結果,該煤化工企業的主要耗水都是循環冷卻水站的水分蒸發量,如果采用空冷技術的將大大減低循環水蒸發損失量.廢水回用率的提高不僅需要完善用水工藝,更需要廢水的適當處理,針對性的處理特定限制因素污染物,避免回用水的過度處理.

3 結論

3.1 生態網絡分析方法作為一種投入產出分析法,適用于煤化工企業復雜系統的水網絡結構解析,既可以科學而詳細的分析出企業內部的主要耗水環節,又可以整體上評價企業的用水效率和穩定性.

3.2 通量分析的結果顯示,在該煤化工水網絡結構中,通量占比最大的節點分別為節點○14第一冷卻水站(35.70%)、節點○15第二冷卻水站(26.35%).說明該煤化工企業節水的關鍵首先應是減少循環冷卻水的用量,實施工程節水改造的首要應該是從第一冷卻水站、第二冷卻水站開始,以及從整體上對其的優化配置.

3.3 效用分析結果顯示該煤化工水網絡結構體系的共生指數為 0.97,數值略微小于 1,說明該體系的網絡協作性很好,整個水網絡體系比較穩定.水網絡體系中呈現的主要生態關系是利用關系,從側面說明該煤化工企業內部的水回用環節比較多,結合實際工程狀況,可知這主要是循環水的重復利用導致的.

3.4 該煤化工企業的主要耗水都是循環冷卻水站的水分蒸發量,建議可采用空冷技術,減低循環水蒸發損失量.煤化工企業要減少新鮮水耗,提高廢水回用率,不僅需要進行用水工藝的優化,更重要的是從全局角度進行水系統集成優化管理.

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Analysis of the water network structure of coal chemical industry based on ecological network analysis.

CHENGLei, HAO Zeng-chao, ZENG Wei-hua*(School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2363～2368

Due to the complicity of the water network,the systematic analysis of water use/drainage and structure of the water network is fundamental for integrated system optimizations.In this paper, the water network system of a typical coal-to-olefins project was selected as a case study to analyse the structure and water use efficiency of the water network system based on the ecological network analysis method. Specifically, the network flux analysis and utility analysis were employed for the structure analysis of the selected water network. Results of flux analysis showed that the first cooling water station had the largest proportion of 35.70%, followed by the second cooling water station with a proportion of 26.35%. For the utility analysis, the networkmutualism index (M) was adapted as the measure of the network structural stability. For the case study, the M value was obtained as 0.97, which was very close to one. From the perspective of ecology, the strength of competition and symbiosis was approximately equivalent, indicating strong collaboration among nodes in this network.

ecological network analysis；coal chemical；water network；structure analysis；mutualism index

X703

A

1000-6923(2017)06-2363-06

程 蕾(1993-),女,湖北黃岡人,北京師范大學碩士研究生,主要從事環境規劃與管理研究.

2016-09-19

典型脆弱生態修復與保護研究重大專項(2016YFC050350403-1)

* 責任作者, 教授, zengwh@bnu.edu.cn