水夹点技术及其工程应用综述

孟立红，乔 琦，刘景洋

（中国环境科学研究院国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012）

水夹点技术及其工程应用综述

孟立红，乔 琦，刘景洋

（中国环境科学研究院国家环境保护生态工业重点实验室，北京 100012）

水夹点技术是针对企业用水系统，设计新鲜用水量最小、废水排放量最小进而达到经济效益最优的一种过程集成技术，是近年来企业节水减排研究的热点技术之一。本文概括地介绍了水夹点技术的提出与发展以及国内外重点在水系统集成优化应用方面的进展；对重点行业水夹点技术的工程应用实例进行了剖析；从可用性和效果上分析了水夹点技术简洁直观、易于理解的优点；指出了在多杂质系统应用中存在的问题与局限性；探讨了这一技术与其他分析工具相结合应用于企业水系统优化的途径。

水夹点技术;节水减排;工程应用;系统优化

我国水资源日益匮乏，水污染日趋严重，在这样一个严峻的形势下，节约工业用水与减少废水排放量成为了紧迫任务。从20世纪80年代开始，全世界普遍开始研究工业用水节约的新理论与新技术，经过了二十余载的探索，越来越多的水夹点技术运用于企业节水减排，并且已经取得了一定的成果[1-3]。从深度上，水夹点技术针对的是单杂质的用水网络优化；从广度上，过去的研究主要集中在石化行业、炼油厂及钢铁业等行业。水夹点技术为我国工业节水减排工作做出了巨大贡献，但是，用于多杂质水网络系统的优化还存在一定的局限性[4、5]。在已有研究的基础上，本文总结了水夹点技术结合数学规划法在水系统集成优化上的应用，并对这一集成技术进行了更为深入的探讨。

1 水夹点技术的研究现状

1.1 国外水夹点技术的研究现状

夹点技术最初由Bobo Linnhoff提出，是一种换热网络合成技术，主要用于解决换热网络系统中的瓶颈问题—温度夹点问题，属过程集成技术早期的一个重要进展。由于传质和传热过程的类似性，夹点技术的基本理论逐渐应用于用水网络中，用于求解用水系统新鲜水最小用量和废水最小排放量。

1980年，Takama等人[6]以炼油厂为实例将水夹点技术应用于水分配网络设计中，从而实现了新鲜水消耗和废水产生均减少20%，总成本减少接近50%的效果。此后过程工业水分配网络的设计方法便引起了科学界的重视和广泛兴趣。Ei-Halwagi等人[7]在1989年提出了贫流股和富流股之间杂质的传递问题，并将用水网络和质量变换网络中杂质的传递进行了类比。1994年Wang和Smith[8、9]正式提出了“水夹点”技术这一概念，同时提出了极限水曲线、极限水复合曲线等新概念，至此形成了一种比较完善的水系统集成优化方法。从此，水夹点技术的研究成为热点，运用这一技术对工业用水网络优化设计的分析与探讨大量涌现，有关论文也相继问世。

1997年，Olesen等人[10]基于Wang和Smith的夹点技术设计了一种新的方法，这种方法限制用水单元不多于5个且应用于单杂质的用水网络。Kuo和Smith[11]针对已有研究提出了通过重复使用目标的设计方法实现多杂质用水网络，但是在实践应用中也较为困难。

综上所述，水夹点技术通常在求解单杂质问题时能够取得较好的效果，但在解决多杂质问题上有一定的局限性。针对这个问题，Wang和Smith提出了“浓度转移”的方法，但在实际应用中被证实这种方法非常复杂，仅能处理小规模问题。此后，陆续有学者逐渐将其他用水网络设计的方法与水夹点技术相结合，在一定程度上解决了水夹点技术只适用于单杂质用水系统的局限性问题。水夹点技术的工程应用也随之完善成熟起来。

1.2 国内水夹点技术的研究现状

水夹点技术在我国的研究起步较晚。1999年姚平经、华贲等人将美国人James G．Mann和刘裔安所著的《Industrial Water Reuse and Wastewater Minimization》（《工业用水节约与废水减量》）[5]译来才真正引起了我国科学界的重视。随着我国水资源的日益短缺，国家对节水技术的大力支持，有关水夹点技术发表的论文日益增多，研究者的队伍也逐步扩大。同期，硕士及博士研究生学位论文中水夹点技术的研究也日益增多。但由于水夹点技术研究属跨学科的边缘学科，研究难度较大，目前这方面的研究在我国仍处于初始探索阶段。

1999年，在James G．Mann和刘裔安的译文《工业用水节约与废水减量》[5]中，总结了水夹点技术的研究应用成果，首次对该项技术的应用提供了全面指导，并总结了该领域研究应用的最新发展，为水夹点技术在我国的推广起到了很大的促进作用。同期，我国其他的一些研究者也相继开展了有关研究。冯霄等在2002年就水系统集成优化方面提出了一种新的用水网络—基于中水道的水网络，随后又提出可以通过适当调节关键环节对水质的要求来解决瓶颈，使系统用水量明显减少，并继续讨论了水夹点技术中再生浓度的确定原则，进一步深化了水夹点技术在工业用水中的应用[12、13]。李英、姚平经[4]鉴于水分配网络设计的应用还有许多限制，重点讨论了现存的诸多问题，探讨了质量集成的思想，为水夹点技术和数学规划法的结合应用奠定了坚实基础。张建红、汤小玲、Mann J G等[1、2、14]分别探讨了水夹点技术的工程应用，通过实例证明了水夹点技术在我国工业发展中应用的可行性。

2 水夹点技术的工程应用

2.1 石化行业的应用

水夹点技术现阶段在国内的工程实例应用中，涉及最多的是石化行业，已有研究表明：1）在流量恒定和流量改变条件下，优化后的用水网络较原有用水网络节约新鲜用水量分别在13.72%～19.17%和14.81%～22.87%；2）平均节水潜力达到了14%～30%。

1996年至1997年，Mann[14]在中国台湾石油化工业5个制造厂成功应用了水夹点技术来实现水回用和废水量最小化，结果表明水夹点技术能使水回用从18.6%增加到37%，这是目前为止在学术界公开发表的报告中最全面的技术案例研究。

梁伟、苗磊等人[15]将水夹点技术原理直接转换成一个可以实际应用的软件，从而简化了应用水夹点技术繁琐的建模与计算分析，达到了把理论直接转换为实践的目的。以某石化企业为例，通过软件的应用分析可知，系统出口杂质浓度最大时用水数据、常规分析优化后系统用水数据、用水网络设计软件优化系统用水流程数据，与系统原设计用水数据比较，结果利用水夹点技术优化后比原设计节水48.7%，比常规优化技术节水14.6%。水夹点技术具有相当的复杂性和抽象性，运用软件计算后大大减少了建模过程中的难度和复杂性，具有很大的可推广性。

朱慎华[16]通过将常规分析优化后系统的用水数据、用水夹点技术优化后系统的用水数据与系统原设计的用水数据比较，得出常规分析优化节水率17.62%、水夹点技术优化节水率31.03%的结果，表明水夹点技术比常规节水优化技术节水16.3%。

2008年，王炜亮[17]运用水夹点技术对某石化企业进行用水网络优化研究，结果表明，在流量恒定和流量改变的条件下，通过用水网络初始优化设计节约的新鲜水用量分别为17.17%和13.72%。对初始设计用水网络进行优化，回用管路数分别由14条和16条减少为11条和8条，优化后的用水网络分别节约新鲜水用量17.25 %和14.81%。

2.2 炼油行业的应用

1980年，Takama等[6]以炼油厂为实例进行了水分配网络设计，应用水夹点技术后，与常规方法相比，新鲜水消耗和废水产生均减少了20%，年费用降低55%。

Wang等[8、9]采用水夹点技术以炼油厂的实例说明水回用比没有水回用费用降低20%，而再生回用则降低26%。

陈丽等人[18]将水夹点技术应用于某炼油厂，最终节约除盐水14.47t/h，效益约为81.032万元/年（按除盐水7元/t计）。

汤小玲等人[2]在某炼油厂进行实证研究，将具有流量变化和回用的焦化用水网络于2003年5月实施，只对出水流程进行改造，同时增加了一台污水提升泵及配套管线、管件，污水提升泵为间歇运行方式，自动启动，以水位来控制。新鲜水耗量节约240t/d，废水排放量降低240t/d，一年可节约费用212,284.8元，不到9个月就可回收全部投资。

2.3 钢铁行业的应用

张建红等人[1]将水夹点技术应用于某炼钢厂，得出的用水网络优化方案是可行的，并取得了30%的节水效果。这一方案的提出与实施，对于水夹点技术在我国钢铁行业的应用具有很大意义。在2010年全国能源与热工学术年会上，郭宁等人[3]基于夹点单体技术和数学规划法相结合的思想，针对钢铁业充分挖掘我国钢铁企业节水减排潜力，并对最大限度节约工业用水进行了展望。

2.4 小结

除了以上提及行业的应用，水夹点技术在其他行业比如电厂[19]、钛白粉厂[20]等也有个别应用，也都取得了一定的节水效果。通过以上研究实例可以看出，水夹点技术在工程上已得到了较为广泛的应用，并取得了较为明显的节水效果，体现出了以下优点：1）物理概念强，易于理解；2）求解过程使用图表，简洁直观；3）对于单杂质系统而言，可以求得全局最优解。但在实际的工程应用中，也出现了一些问题，如以上提及的优点只适用于单杂质系统，一般不适用于多杂质系统；此方法仅能给出新鲜水目标值，而在构造用水网络时，需要人为经验参与进行网络优化。

（1）再生浓度的确定问题

应用水夹点技术设计用水网络时，它的特点是预先建立一个优化可行的新鲜水最小流量目标，再根据最优目标来确定详细的用水网络设计，其中再生浓度需要在生产工艺用水网络运行中测试出精确值。但在建立新鲜水最小流量目标时再生浓度的确定，往往是在生产实践之前，凭借经验或数据分析求解，再根据这个参数设计用水网络，这可能和实际操作产生的再生浓度产生偏差，使生产系统不能达到设计负荷，浪费资金，或者系统超负荷运行不能满足生产工艺水质要求。因此，提出一种可以验证效果的分析方法是十分必要的。

（2）工艺用水杂质的简化问题

到目前为止，水夹点技术通常在分析单杂质用水系统时能取得较好的效果，但在多杂质用水系统分析中遇到了困难。而很多情况下，用水水质不仅含一种污染物，BOD、COD、SS等都是水污染的重要指标。在用水操作中，可以根据具体工艺水质用途进行水质分类，选择在生产用水中起决定作用的杂质作为目标去处理，把多杂质用水系统简化为单杂质用水系统。例如：在有机废水中可以选择COD作为水质指标，这样就简化了水夹点设计新鲜水最小流量目标。但杂质间的相关性如何，如何简化还是一个亟待解决的问题。

3 结论

通过应用实例可以看出，运用水夹点技术后的水网络节水效果显著。对比常规节水方法，水夹点技术有明显的优势，但对于复杂的水网络，设计过程中面临了诸多繁复，包括计算过程和管路改造都有一定的局限性。

鉴于以上问题，近年来一些专家学者开始寻求一种更优的网络优化方法，在夹点技术的基础上提出通过建立数学模型进行优化，即数学规划法。在优化的模型中含有三方面的描述，即要进行优化的目标函数（新鲜水流量、成本函数等）、等式约束和不等式约束等。这种方法既可用于单杂质系统，又可用于多杂质系统，在工程应用中也已经取得了一定的成效。在冯霄等人的一些文献书籍中可以看出，多杂质系统一般也只做到了两到三种杂质，对于更多的杂质系统，现在还没有成熟的简化模型。针对现有的一些问题，可以设想，将杂质悉数列举，通过统计分析方法分析各杂质对于水质要求的影响程度以及各杂质之间的相关性，把对水质影响程度高的杂质剔出来，影响度低的杂质剔除去，把相关性强的几种杂质折合成一种杂质，相关性弱的杂质单独列出作为一种杂质，最终达到简化的目的。届时，可以考虑将这一技术推广至石化行业外一些水质复杂行业的节水减排应用中。

水夹点技术在我国还属于起步阶段，相信随着国内对于工业企业节水减排要求的提高，水夹点技术在我国的研究和推广会逐步提高。

[1]张建红，吴礼云，刘正发，等.水夹点技术在炼钢厂的应用[J].中国冶金， 2009，（12）：37-42.

[2]汤小玲，戴友芝.水夹点技术在节水减排中的应用[J].炼油技术与工程， 2004，（10）：56-58.

[3]郭宁，高成康，蔡九菊，等.我国钢铁企业用水系统优化的进展及展望[C].2010全国能源与热工学术年会论文集，2010：376-379.

[4]李英，姚平经.水夹点分析与数学规划法相结合的用水网络优化设计[J].化工学报，2004，（02）：220-225.

[5]姚平经，华贲，项曙光，等.工业用水节约与废水减量[M].北京：中国石化出版社，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]冯霄，王斌，刘永忠.水系统瓶颈的确定及解瓶颈[J].华北电力大学学报，2003，（05）：13-16.

[13]冯霄，王斌.考虑再生循环的水系统集成概述[J].华北电力大学学报，2004，（06）：17-19.

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

[15]梁伟，苗磊，张洪林，等.水网络设计优化软件在工业节水中的应用[J].矿冶，2006，（04）：65-68.

[16]朱慎华.应用夹点技术优化装置用水设计[J].齐鲁石油化工，2002， （04）：308-311，275-276.

[17]王炜亮.水夹点技术用于石化行业水网络优化研究[J].环境科学与技术， 2008，（02）：140-143.

[18]陈丽.水夹点技术在炼油厂的应用[J].计算机与应用化学，2009，（09）：1153-1158.

[19]吴骅鸣.电厂负荷优化分配和循环水系统优化运行的研究[D]，浙江大学，2004.

[20]米小娟，徐竟成，黄菊文，等.水系统优化在某钛白粉厂的应用—数学规划法[J].化工进展，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

国家“水体污染控制与治理”科技重大专项（2009ZX07208-002）；国际科技合作项目（2010DFB90590）。