钢铁工业用水过程可视化及节水评价

刘丹丹，解建仓，朱 琪，黄泳华，顾佳卫

（西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048）

近年来，联合工业企业的繁荣为社会积累丰富物质资料的同时也加剧了用水短缺的矛盾，工业用水效率和管理水平的提高对工业节水来讲是巨大的飞跃。相关研究主要包括模拟工业供水系统建立多目标模型优化用水过程，开发水平衡测试软件和废水回收系统，建立用水成本的数学模型等[1]1。对于钢铁工业而言，节水技术的核心是提高水的利用效率，主要措施包括积极推广应用水少或不用水的工艺技术装备，多元化取水，强化串级用水，进行水的闭路循环利用，建立企业多水种的循环系统，加强对蒸汽系统冷凝水回收的工作力度[2]。存在的问题是重视节水技术却忽略了过程化管理，而细化用水过程则是过程化管理的前提。

随着强监管政策的进一步落实，对钢铁工业用水过程的清晰表达提出了更高的要求。复杂用水过程的描述和理解给企业决策者对优化问题的认识带来一定难度，不同企业的工业用水过程也由于用水流程的差异及地理位置等因素的不同，而不尽相同[1]1。那么，如何做好强监管理念下的监督管理，给研究者提出了更高的要求，首先，要清晰描述用水过程，给管理者提供一种可视可信的方式可以监管到每个企业内部具体用水过程，然后基于用水过程展开评价，寻找节水优化落脚点。

为描述清楚复杂的钢铁工业用水过程，基于综合集成平台提出将过程可视化描述，将繁复的数据或用水过程转变为简单、易懂的可视化信息，再通过钢铁工业中的焦化用水过程展现，采用过程化的思路查看用水情况，依据考核指标判断工业用水节水情况，寻找可以优化的工艺过程，解决企业用水管理中的问题。

1 钢铁工业用水过程概述

1.1 工业用水现状

工业用水一般是指工、矿企业在生产过程中，用于制造、加工、冷却、空调、净化、洗涤等方面的用水，主要特点是用水量增长快，利用率低，废水排放量大等。虽然工业用水量上升趋势不大，但用水量基数大，就代表性的评价指标（即重复利用率、工业万元产值取水量）而言，工业用水重复利用率上升趋势明显，工业万元增加值用水量逐年降低，但二者和国外先进水平相比还存在较大差距。由此可见，我国工业节水水平还有待提升。

1.2 钢铁工业用水过程概述

钢铁工业在生产过程中因产出不同对水量水质的要求也不同，各个环节消耗和产生的水量也存在很大差别，但都包含多个紧密联系的用水过程，在生产中属于耗水和排水大户。

钢铁工业主要生产工艺包括焦化、烧结、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等工艺[3]。其中焦化生产主要是用煤炼制合格的焦炭，同时回收煤气和化工产品；烧结生产是将铁矿粉、燃料、熔剂、氧化铁皮等按一定比例配料，混匀，在烧结机上点火燃烧结成块状烧结矿，并除去有害杂质；炼铁生产是将铁矿石还原成生铁；炼钢生产是对铁水的成分和温度进行进一步调整，使加工后的钢水符合钢材性能及后续工序的要求；连铸工艺是将合格钢水凝固成具有一定形状和尺寸的合格连铸坯，然后送轧制工艺将钢坯加工成钢材成品。钢铁工业生产工艺中的用水过程如图1 所示。

在整个钢铁生产过程中，各个工艺之间的排污水可以串级利用。用水系统在用水过程中对需要补充的水的水质要求不同，有的要求补充工业新水，有的可以补充低水质水，有的对补充水的水质基本没有要求。

1.3 焦化工艺用水过程概述

钢铁工业生产过程包含多个工艺流程，每个工艺流程依据生产特点有特定的用水过程，其中，焦化生产不仅是钢铁工业重要的一环，也在其他工业行业占据重要组成部分；此外，与其他工艺用水过程相比，焦化生产给水类型众多，而如何经济有效地处理焦化废水也是挖掘工业节水潜力的落脚点，因此本研究以焦化工艺为例介绍具体用水过程中的供排情况，具有一定的代表性。焦化工艺的用水主要有炼焦和焦处理、煤气净化、化工产品回收和精制等过程的用水，主要用水过程如图2 所示。

图1 钢铁工业用水过程

图2 焦化工艺用水过程

1）煤焦系统用水分析。焦化厂的煤焦系统有备煤、炼焦和焦处理 3 个过程，包括以下 4 类用水：

a. 焦炉本体用水。焦炉本体用水主要有煤气上升管、生产技术和循环氨水事故等的用水，对水质要求低。

b. 熄焦用水。熄焦用水是针对湿法熄焦而言的，一般多采用封闭循环供水，对水质要求很低，可用其他系统的排水，而且熄焦排水可循环使用。

c. 除尘用水。焦化生产中的除尘用水都在煤焦系统内，有干式和湿式 2 种除尘方法，2 种方法都可采用的地方主要有普通焦炉装煤和干熄焦槽加料除尘。

d. 设备冷却用水。设备冷却用水主要集中在备煤、干熄焦和干式除尘等系统。

2）煤气净化系统用水分析。煤气净化过程中的工艺用水主要是工艺介质的冷却和冷凝分缩用水，根据被冷却介质的要求，冷却水多为净循环冷却水和低温水（循环制冷水和地下水）。

3）化工产品回收和精制系统用水分析。化工产品回收和精制过程中的用水分为工艺介质冷却和过程的用水。化工产品回收和精制过程产生一定量的焦化废水，废水中含有大量有害和富营养化的物质，须先经生产工艺过程综合处理，然后送生化处理。

2 钢铁工业用水可视化描述

2.1 可视化实现技术

基于钢铁工业用水流程，分析管线的连接方式和特点，通过综合集成平台[4]将钢铁工业用水工艺过程图形化，用户在用水过程环境中，可以直观可视地查看用水过程每个环节点的取、用、回用、排和用水平衡等水量的分析情况，最终进行用水节水评价。

主要通过知识图、组件、Web Service、数据库等技术及 SOA 体系，分别建立知识图库、组件库、数据库，然后运用数据资源整合及集成技术实现钢铁工业用水可视化管理，建立一个可视化的用水过程的环境，实现节水主题化，计算方法、模型组件化，用水过程图形化。

2.2 钢铁工业用水过程描述

1）可视化工艺图中元素概化。钢铁工业节水可视化流程图包含以下 2 种元素：

a. 点状元素。点状元素指流程图中的结点，主要分为 2 类，一类是工业节水流程中的实体设备，如水焦炉装置、阀门等，将其形状概化，并添加至流程相应位置；另一类是在工业节水流程中产生水量变化的过程，将其在工业节水流程图中概化为计算节点。

b. 线状元素。线状元素指流程图中的线段，是工业节水流程图中的水流向和水量相关关系的节点间有向线段，反映流程中设备之间的水量流通关系。

2）可视化工艺图流程描述。对钢铁工业节水的流程描述主要基于图中的点状与线状元素之间的关系。点状元素表示工艺流程中各个设备或者水量的变化结点，线状元素表示输水管道等水量输送路线，用线状元素将点状元素串联起来，使得整个工艺流程直观可视。

2.3 钢铁工业用水过程可视化实现

通过对某钢铁企业的生产工艺进行分析，确定该企业主要生产工艺有水厂水处理、炼焦、焦化余热发电、烧结、制氧等工艺[1]1。在分析给、用、排水过程的基础上以知识图嵌套的方式可以描述用水过程。以用水工艺过程为主题驱动的节水管理，将各个用水工艺过程分别描述，对工艺用水过程的每个环节点分别进行用水平衡水量的分析，得出各个环节的取、用、回用、排水量，分析过程中的重复利用效率[5]。具体的搭建过程以焦化工艺为例进行详细介绍，通过可视化描述，然后添加基础组件，实现基本查询功能。

根据需求定制好服务组件后，基于综合集成平台搭建用水管理系统，用来反映钢铁企业用水过程，主界面中包括各工艺之间的顺序及输水管道的情况，如图3 所示。其中不同颜色的线路代表着不同的水管，以箭头指示管道内取、用、补、排水的流程走向。并在线路中链接了节点组件，点击焦化工艺“用水管”“排水管”“回用水管”“二次回用水管”等节点，可查看焦化工艺整体用水结果，使得可视化效果更为直观。

图3 钢铁企业节水技术及高效用水管理系统主界面

在调控平台上订制以用水工艺为主题的知识图，在平台上展示各个组件的运行情况，实现对钢铁企业各用水工艺过程的可视化描述。焦化工艺用水管理中以用水工艺过程为主题的工艺用水管理系统的主界面如图4 所示，图中矩形框代表着钢铁企业每一项取用水工艺环节，将其封装成组件添加到相应的节点。在不同水管线路中添加节点组件，量化取用排水，由水量平衡分析，计算得到各工艺环节的损耗水量。其中不同颜色的线路代表着不同的水管，以箭头指示管道内取用水的流程走向。

图4 焦化工艺用水管理

选择时间，点击相应的节点，可以查看相应的工艺用水情况，如选择时间 2016-04，点击洗精煤的“用水管”“排水管”“回用水管”等节点，可查看“洗精煤”这个重点用水设备整体用水结果，可以查看该设备的用、排、回用水量及相应的节水工艺。

点击“工艺用水量平衡分析”“取用水分类统计”“排水量分类统计”“回用水分类统”可查看整个焦化工艺细化后的用水过程，如用、排水量，以及重复利用和损耗的水量，焦化工艺细化后的用水工程界面如图5 所示。

3 钢铁工业节水评价

对于钢铁工业而言，强监管是建设节水型企业的有利推手，加大节水监管力度，强化用水水平评价，优化工业用水结构对于用水效率的提高有极大的促进作用。对于考核监督，强监管是深入到用水节点的过程化管理，让用水过程变得透明可见，有利于消除钢铁行业管理盲区，动态调整生产策略，为开展事中事后监管、维护公平市场环境奠定了基础。强监管依赖于节水评价，而用水过程可视化表达是节水评价的前提，基于此开展钢铁工业节水评价。

3.1 强监管评价思路

钢铁工业用水过程的强监管，就是要厘清水资源各项职责，明晰取水和用水、监督与管理责任，特别是企业取用水许可证的获取，逐级落实督察工作责任，依法监管，采取各种监督措施，不断加大水资源监管工作力度并及时有效处理违规行为，例如工业废水的违规排放，此外，加强各生产单位间供水的组织和协调，分类供水，强化用途管制[6]。

针对钢铁工业用水过程，以节水优先为首要目标的过程化管理就是要深入各环节内部，将涉及到水量输入输出的设备和管道作为重点监管对象，各部门（例如设备采购、技术质量等部门）和生产单位责权利分明，通过强监管寻找焦化、炼铁等工艺的优化节点。通过节水评价寻找可以改进的用水工艺或更换的用水设备等。依据国家标准 GB T 7119—2006《节水型企业评价导则》，结合钢铁工业考核办法，列举出的现阶段与之相关的节水型企业评价指标如表1 所示，选取不同的组合方式，将其作为可视化知识图节点的评价依据。

图5 焦化工艺细化后的用水过程

表1 钢铁企业节水评价指标

3.2 焦化用水节水评价

焦化工艺在洗精煤和焦炉装置这 2 个设备中有水量的损失，依靠知识图中定制的组件可以计算出损失量，此外，知识图中用水设备图例中“节水工艺的选择”，对应有节水工艺介绍，可以看出有节水潜力的设备包括洗精煤、焦炉装置、熔焦、煤气脱氮、蒸苯，焦化工艺知识图上的这些设备对应节点上，定制了节水工艺的模型选择。“洗精煤”可优化的模型有常规和水力 2 种旋流器，焦炉装置的优化模型有常规和焦化脱硫净化水技改 2 种模型，熔焦装置的模型选择有干法和湿法 2 种熄焦模型。流经这些设备的污水最终经过污水处理站处理后，一部分经过排水管排出，另一部分进入循环水系统重新流入设备参与下一阶段的用水过程。对于污水处理站水处理过程，优化模型包括常规，以及焦化废水膜、废水微波、废水芬顿氧化等模型。

将焦化工艺细分到重点用水设备上，水流经的设备包括：煤气终冷、粗苯加工、煤气脱氮、煤油氮水分类、燃油加工、焦炭加工、洗精煤、焦炉装置、煤气脱苯、煤气初冷、蒸苯。把这些设备通过不同颜色的循环水给水管、补水管，二次利用、生活污水排水管等连接起来，点击时钟图标，接入数据并通过节点上的组件计算每个设备的取、排、回用水量。

以某钢铁企业焦化厂 2016 年 4 月的某次用水过程为例进行节水评价，具体过程如下：

1）水量计算。通过点击知识图上的取、排、回用水等分类统计矩形框，获得设备的取、排、耗水量，点击损失水量图表，获得单个设备的损失水量。这四部分水量要满足表达式：取水量-耗水量-排水量 = 损失水量，点击工艺用水量平衡分析矩形框可以查看计算结果，得到分析计算界面，其中，总水量分析计算如表2 所示。

由表2 中的统计数据可以看出，在产品产量一定的情况下，取、耗水量越小越好，在本例知识图的基础上改变节水工艺也可以改变水量计算结果，可以搭建单位产品取水量、废水达标排放率、用水综合漏损率等代表节水评价的综合指标，以提高评价的准确性。

2）重复利用率考核。本例利用重复利用率考核指标进行节水评价，点击知识图中的重复利用率矩形框，得到计算结果。计算结果中类型列是将每台设备的重复利用率指标与行业标准或企业预设值进行比对，如果计算值小于预设值，说明存在可以优化的过程，将该部分标红。图中标红的地方表示发现该工艺存在一定的节水潜力，通过替换节水工艺，如将“洗精煤”的节水工艺由常规换成水力旋流器，测试结果如表3 所示，提示变蓝，表示这部分节水达到平均水平。

表2 总水量平衡分析计算表m3/t

表3 总重复利用率测试表

4 结语

基于综合集成平台技术以组件和知识图的方式对钢铁工业中的焦化工艺用水进行实例分析，深入探究该工艺的用水过程后得出以下结论：

1）对于钢铁工业用水过程而言，节水评价是提高用水效率的有效途径。对用水过程进行动态可视化管理，并且以重复利用率为考核指标进行评价用以判断节水效果，对工业强监管的过程化管理有重要的指导作用。

2）与传统的节水评价相比，基于综合集成平台的做法有着很大的优越性。虽然二者都是构建指标体系进行判断，但传统做法在不同的情景下需要根据具体情况做大量重复的工作，例如，节水评价每换一种方法都要将数据带入重新计算，耗时耗力；而组件定制更为灵活且复用程度高，对于不同情景的适应性更好，在节水评价组件库中可以封装多个评价方法组件，若需要改变计算方法，只需要点击更换即可，数据按箭头所指方向流入、流出，不需要过多处理。

3）通过综合集成平台，不同的业务需求可以定制不同的组件，绘制不同的知识图，由此本研究对于钢铁行业的研究成果对其它工业行业有很大的借鉴意义。

4）实际工作中，在综合集成平台上完成事件的描述和处理是可行可信的，极大缩短了反应时间。在以后的研究中，可以从组件开发水平和平台运行效率展开研究并不断积累，让服务过程可视可见。