一种工业用水网络系统优化方法技术方案

本发明专利技术提供了一种工业用水网络系统优化方法，将所有用水操作按照污染物浓度高低进行排序，依次为每个用水操作选取适当的水源，水源包括回用水和新鲜水，根据选取的水源确定该操作进水的污染物浓度和流量，再根据操作的质量传递过程确定其出水的参数，最后将其出水作为一股水源以供给后续操作，对于每个操作，其进水都首先从已知的操作出水中寻求，若回用水源污染物浓度大于操作的入口极限浓度，则采用污染物浓度低的回用水源甚至是新鲜水与其配合的方式，使污染物浓度降低到可供操作使用的水平，这样依次进行，直到所有的用水操作都已经得到足够的水源。本发明专利技术方法简便，避开了先计算最小新鲜水量，再进行设计和简化的繁琐过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种工业用水的循环再利用技术，属于水资源利用

技术介绍
面对目前世界范围内的水资源匮乏问题，提高水的重复利用率是一项最有效、最简单的途径，因此，污水回用技术、工业用水网络优化的研究和推广具有重要意义。水夹点技术(WaterPinch Technology，WPT)就是一种典型的工业系统内水的循环再利用技术，该技术自提出以来，已在工业用水系统节水等改造中得到了成功的应用。水夹点技术是过程集成工程设计领域在环境保护方面的突破。从概念上讲，水夹点技术将过程集成技术应用于废水水量最小化和废水处理系统设计，是质量交换集成技术在用水操作上的典型应用。但是水夹点技术与实际生产之间尚存在一定的差距，且国内外有关水夹点技术的具体应用的报道也十分少见，无法为我国工业节水和用水网络优化提供可靠的理论依据和实践经验，因此水夹点技术在实际工程应用方面还有必要作进一步的研究与探讨。 水夹点技术提供了一种方法首先判别水回用流量的目标，然后找出关键的水回用机会，以便在设计用水网络时尽可能的接近最小流量目标。水夹点技术的核心思想是使水的回用量和出水中污染物的浓度达到最大，并找出设计问题中的瓶颈，预测出设计中的最小用水水量。水夹点技术将用水操作简化为一个从富含污染物的过程流股到水流股之间的质量传递过程。这里污染物包括悬浮固体颗粒、化学需氧量，以及其它约束水回用的水质因子。如同换热网络设计一样，水回用过程集成确定一个水夹点，但二者的不同之处在于水夹点是基于某关键污染物的浓度，而非温度；所含污染物浓度在夹点浓度之上的流股不需新鲜水，而利用现有水流。 水夹点技术将用水操作简化为一个从富含污染物的过程流股到水流的传质过程，如图1所示，Ci，inw和Ci，outw代表水流股中污染物的进出口浓度，Ci，outlim和Ci，inlim代表过程流股中污染物的进出口浓度。用水操作污染物传质模型见图2，图中y轴代表污染物浓度(ppm)，x轴代表污染物传质负荷(kg/h)，传质发生于富污染物过程流股和水流之间，垂直浓度差代表用水操作的推动力。显然，污染物浓度的传质过程发生在流股的污染物浓度大于水流股中污染物浓度的情况。 对于第i个用水操作，其基本约束为 (1)进口污染物浓度Ci，inlim； (2)出口污染物浓度Ci，outlim； (3)污染物传质负荷Δmi，tot。 若用水网络的优化过程在满足上述约束条件的前提下，通过增加操作间的水回用，实现新鲜水用量最小化的过程。则废水流股在入流限制和出流限制为Ci，inlim和Ci，outlim条件下，为达到污染物传质负荷□mi，tot所需的水流量。操作i的极限流量filim的模型函数如下式所示。 在满足基本约束条件的情况下，将所有用水操作同时处理并最大限度的进行水回用，可使新鲜水的用量和产生废水水量大大减少，但杂质的传质质量负荷并不改变。采用这种方式的关键步骤是在一个图表上分别表达每个用水操作，并确定总系统的最小废水流量。常采用的方法为图形法(即浓度组合曲线)和表格法(即浓度间隔图)，以下以表1所示的极限过程数据为例说明两种方法。 表1极限过程数据 1.图形法 (1)在同一个杂质浓度与质量负荷图上画出所有的用水操作。每个操作首尾相连，如图3所示。 (2)在每个用水操作的极限进出口浓度处将浓度轴划分为不同的浓度间隔。 (3)对每个浓度间隔内的所有用水操作的质量负荷进行叠加，根据加和的总量在浓度间隔内重做一条曲线，即浓度组合曲线。 当确定了浓度组合曲线后，即可做出相应的供水线求出最小新鲜水流量对于新鲜水，杂质的起始浓度为零，则供水线必通过坐标原点；根据水夹点技术理论，供水线斜率越大，水流量越小，但为了保证一定的传质推动力，供水线必须处于浓度组合曲线的下方或与其重叠。以原点为中心旋转供水线，当其与浓度组合曲线相切时即为最优供水线，切点即为水夹点，如图4所示。最小新鲜水流量fmin的模型函数如式(2)所示，其中Δmpinch和Cpinch分别代表夹点处的累积质量负荷和夹点浓度。 2.表格方法 图形方法比较直观，易于理解，而表格法适用于计算机编程。首先，将极限进出口浓度按升序排列以形成浓度间隔边界。计算步骤为 (1)对一个给定的浓度间隔k，其内部每个用水操作i的传质负荷mi，k的模型函数如式(3)所示。 式中，Ck+1*和Ck*分别为间隔的上下边界。在间隔k内总的传质负荷mk即为在此间隔内各操作i的传质负荷mi，k的总和，其模型函数如式(4)所示 (2)按间隔升序，依次计算每个间隔结束时的累积质量负荷Δmk的模型函数如式(5)所示 (3)根据上述所求得的数据列表，即为浓度间隔图表。如表2所示。 表2浓度间隔图表 (4)根据累积质量负荷和间隔边界浓度计算每个间隔边界处的流量fk，其模型函数如式(6)所示，流量最大处即为新鲜水夹点之所在。可见，最小新鲜水用量为56.67t/h。 使用计算机实现浓度间隔图表绘制的程序流程图如图5所示。 描述一个用水网络有三种方法方框图、格子图和质含图。对有水回用系统而言，用水网络的设计过程比较复杂，可以借助格子图、质含图等有效工具，运用浓度间隔设计法，设计能实现最小新鲜水用量的初始用水网络。 引入了回路断开方法，可以简化初始设计用水网络和减少用水单元数目。回路断开方法的两个规则是为合并用水单元，将杂质负荷在同一回路中进行转移和仅且只要计算结果不违背所给定的极限过程数据即可转移负荷。 废水量最小化通常有以下四种方法 (1)过程改变，过程改变可以减少对水的内在需求。 (2)水回用，在使用废水不影响操作效果的情况下，一个操作产生的废水直接应用于另外的操作中，可减少新鲜水用量和废水产生量。 (3)再生回用，废水可以通过部分或全部处理，除去阻碍回用的杂质而再生，然后用于其它用水操作中。 (4)再生循环，废水可以通过脱除杂质再生后循环使用。 前面所述的水夹点方法只考虑了水的回用，如进一步考虑再生回用和再生循环等实际情况，则新鲜水的用量将进一步减少。 回用、再生回用和再生循环过程分别如图6、图7和图8所示。 水夹点技术用于计算单污染物系统时，能够方便准确的找到新鲜水夹点并确定最小新鲜水流量。但在设计相应的用水网络时，需借助格子图、质含图等工具并运用回路断开方法简化网络，整个过程相当复杂。同时，随着用水操作数目的增加，其计算量成倍增加。当涉及到通过水再生、回用和循环实现废水量最小化，以及流量、过程改变等问题时，新鲜水夹点和再生水夹点更是难以确定。 水夹点技术用于计算多污染物系统时，需要进行入口浓度转移和出口浓度转移来探讨水回用的可行性，然后基于转移浓度坐标，通过浓度组合曲线和供水线确定表观最小新鲜水流量。同时，通过构造浓度组合曲线或浓度间隔图表可能得不到真正的最小新鲜水流量，原因是在某些场合，达到夹点浓度的水可回用于夹点边界下方的其他操作。通常，仅某一污染物将达到其夹点浓度，这样，此水流股可回用于受另一污染物制约的其他操作。最小新鲜水流量的设计方程及其求解极其繁琐，有时还要考虑夹点间隔水回用，但仍不能保证可以求解出真正的最小新鲜水流量。
技术实现思路
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【技术保护点】
一种工业用水网络系统优化方法，其特征是：　　将所有用水操作按照污染物浓度高低进行排序，依次为每个用水操作选取适当的水源，水源包括回用水和新鲜水，根据选取的水源确定该操作进水的污染物浓度和流量，再根据操作的质量传递过程确定其出水的参数，最后将其出水作为一股水源以供给后续操作，对于每个操作，其进水都首先从已知的操作出水中寻求，若回用水源污染物浓度大于操作的入口极限浓度，则采用污染物浓度低的回用水源甚至是新鲜水与其配合的方式，使污染物浓度降低到可供操作使用的水平，这样依次进行，直到所有的用水操作都已经得到足够的水源，便根据每个用水操作的水源情况画出水回用网络系统并统计新鲜水的用量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王炜亮，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：88[中国|济南]