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五维水平衡与工业节水

论文类型 其他 发表日期 2001-12-01
来源 《工业用水与废水》2001年第6期
作者 朱志文
关键词 工业用水 节水 水平衡
摘要 通过对工业系统冷却用水的分析,指出节水不仅要从用水量方面考虑,还要与水的温升、水质、气象和水文有机地结合起来,从而提出了“五维水平衡”的概念。

朱志文
(北京钢铁设计研究总院,北京100053)

  摘要:通过对工业系统冷却用水的分析,指出节水不仅要从用水量方面考虑,还要与水的温升、水质、气象和水文有机地结合起来,从而提出了“五维水平衡”的概念。
  关键词:工业用水;节水;水平衡
  中图分类号:TU991.64
  文献标识码:B
  文章编号:1009-2455(200U0-0014-03

引言

  根据水利部的“水资源公报”,1998年,我国取水总量已达544O亿m3,其中农业、工业和生活用水分别为 3770、1130和540亿m3,比例各为69%。21%和10%。取水总量已接近可用水资源量的70%。
  尽管我国工业的取水量仅占取水总量的21%,但它对国民经济的持续发展至关重要;而且我国工业外排废水对水体的污染却不容忽视。为了保持我国宏观经济稳定,实现经济和社会的可持续发展,实现水资源的合理配置,推动水环境走向良性循环,节水极为关键。因此,节约工业用水乃当务之急。
  在水资源匿乏和水体严重污染严峻的现实面前,工业的取水总量必须严格加以控制,力图实现零增长,甚至是负增长,面对这一艰巨的任务,虽然传统的节水模式能起一定的作用,却难以挑起这副重担。因此,工业的节水,必须突破传统的模式,找到新的支点,从理论和实践上加以发展和创新。

1 五维水平衡理论的提出

  传统的节水理论和技术基本上都是建立在水量这一维的基础之上,尽管在设计中也时有涉及水的温升和水质,但是,往往未能充分发挥其潜能。因此,虽然它对我国的节水发挥了一定的作用,但是,由于困于一维的局限性,在节水的深度和广度的开掘和拓展受到了很大的限制。这里首次提出的五维水平衡理论,就是以全新的视角,多层次、全方位来审视现行的节水理论和技术。

2 五维水平衡的原理

  五维水平衡不是只局限在水量上做文章,而且还要把水的温升、水质、气象和水文完整地、有机地联系起来,把握梳理与节水有关的各个方面,进行总体研究和综合平衡。
  在工业节水中,还包括了两方面的内涵,一是节约取水量(即新水);一是节约用水量(即循环水)。两者相互渗透,关系密切。而在两者中,前者尤为重要。因为节约取水量,就是少占用水资源,而且还同步减少了排人水体的工业废水;而后者则仅涉及节约企业水处理设施的投资和运行费。
  设取水量、用水量和重复利用率分别为Qm、Q和R,这三者的关系如下式所示:
      Qm=Q(100-R)%
  在五维水平衡中,除了水量外,它与其它因素的关系分述如下。
2.1 水的温升
  对于循环水系统来说,水的温升是一个关键因素。因为,在工业用水中,循环冷却水占2/3以上。其中,我国的电力、石油、化工和冶金的冷却水占总量的 99%~85.4%。而这部分循环水是用来进行热交换、用以带走热量。
  设带走的热量、水的温升和水量分别为Qr、Δt和Q,这三者的关系如下式所示:
  Qr=Q△t
  显然,合理地提高水的温升,就可以相应减少水量。。
  我国某企业一用户,其冷却水量为 14.4 × 104m3/d,设计的给水和回水水温分别为 33 T和 41t,水的温升为ST;而实际上多年夏季运行的平均绚水和回水水温,分别仅为 31.4 ℃和 34.7℃,水的温升只有3.3℃。如果按设计的温升进行控制,其用水量就可以减少 58.8%。按全国同类用户目前的用水量来推算,不少企业水的温升仅为1℃左右。个中潜力可见一斑。
2.2 水质
  在循环水运行过程中,水中的 Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、MnFe2+、AI3+”等等,其中主要是Ca2+和Mg2+将同重碳酸根等起作用,生成碳酸钙、氢氧化镁等难溶化合物,沉积在热交换装备的壁面上形成水垢。
  Ca2+、Mg2+的碳酸盐在水中的溶解度随着水温的升高而降低,钙的碳酸盐尤为明显。当在循环水系统中投加水质稳定剂后,就可以保证循环水既不结垢也不腐蚀。在这一前提下,就可以适当提高水的温升。水的温升提高了,也就可以减少水量。
2.3 气象条件
  在五维水平衡的诸因素中,气象(主要是干球温度和湿球温度)是核心。因为循环水经过热交换之后,必须经过冷却装置冷却后方可循环使用。而循环水在冷却过程中,水的蒸发损失及补充新水的多少,与气温(包括干、湿球温度)关系极为密切。
  通常每一地区一年内的气温都不同。而设计所选用的冷却塔设计参数总是按照最不利的情况设定的,即按照夏季(或最热月)的干、湿球温度及其保证率来确定的。但是一年之内的干、湿球温度除夏季域最热月)外,特别是冬季相对较低。尤其在东北。西北和华北地区尤为明显。此时,循环冷却水往往可以不经过冷却塔冷却(或者循环冷却水虽然进人冷却塔,但是冷却塔的风机不运行),就可以满足工艺所需的给水水温的要求。
  循环水在冷却过程中,夏季蒸发散热占总散热量的90%以上;冬季,接触散热的比重增加到50%,而严寒天气甚至可增加到 70%,也就是说,冬季的蒸发散热仅相当于夏季的 55.6%-30%。因此,利用这一自然规律,我们就可以把取水量降下来。
  水量为Qm、蒸发水量为Qc和循环水的浓缩倍数为N,三者的关系如下式所示:
  Qm=QcN/(N-I)
  从上式中可知,取水量与蒸发水量成正比;而浓缩倍数越高,则取水量就越小。而循环水的浓缩倍数,一般都是在设计中通过技术经济比较确定的。因此,对于某一具体的循环水系统来说,完全可以把浓缩倍数当作常数。由于循环水在冷却的过程中,冬季的蒸发散热还不到夏季的 1/3。也就是说,冬季的蒸发水量和取水量都比夏季减少了2/3以上。
  同理,在春季和秋季,循环水的蒸发水量介于夏季和冬季之间,因此,其取水量也介于夏季和冬季之间。
  其实,对于工业企业来说,设计所选用的干、湿球温度,一般都是按保证率为90%(个别行业的保证率为95%)的多年夏季平均数取值。可见,即使是在整个夏季,其取水量也只是在一小部分时段内无潜可挖,而在其它时段内仍有一定的潜力。
  某企业一用户,其1995-1999年逐日的给水水温、回水水温和补充新水量与当地逐日的干、湿球温度的过程线见图1。

  从图1可以看出,干、湿球温度全年的走势呈驼峰状,其驼峰出现在7、8月;而给水水温、回水水温和取水量的走势虽有变化,但变化的幅度非常小,其中给水水温和回水水温的变化不大的原因,是为了贯彻经济运行的节能管理目标,只要水温能满足工艺生产之需时,循环冷却水虽然上冷却塔,但是冷却塔的风机停止运行);而取水量变化不大的原因是这一循环系统过多的排污,致使其浓缩倍数不到1.2。这是由于该循环水系统采用了并不经济合理的串级补水(由于后一级所需的补水量与前一级的排污量不适应造成的,导致前一级的排污量过大)。合理的串级补水,应该是根据各循环水系统的最佳浓缩倍数,来确定各循环水系统的排污量,其排污量作为下一级的补充水,而下一级的补充水的不足部分则应由新水补充。
  从图 1可以看出,取水量的峰值约为8 040m3/d。如果按前已述及的冬季的蒸发水量和取水量比夏季减少2/3的结论来推理,冬季取水量的谷值应为 2 680 m3/d。这样,我们就可以得到一条理想的取水量过程线。它的走势基本上也呈驼峰状,与干、湿球温度相似。
  比较图1中的理想取水量和实际取水量过程线,显示出这一企业的取水量可节约29%,每年节约取水量的水费和药剂费可达200万元。
2.4 水文
  我国水资源不仅在空间,而且还在时间上的分布都很不均匀。从降水的地域上来看,我国全年降水量的等值线基本上是从东南向西北逐渐减少的。
  从降水的时间上来看,我国的夏季是降水量最多的季节。
  也就是说,我国大部分地区水资源(包括地表水和地下水)的丰、枯也呈季节性的变化。它也近似驼峰状。因此,在水资源的合理调配中,夏季水资源相对充沛时,客观上对水的需求量又大,适当多用一点水,冬季则少用一些水坝u可解决枯水期水量不足的问题。
  但事实上,即使在冬季水资源非常有限和取水困难的条件下,有的企业冬季的取水量和外排废水量并未减少,而有的企业的取水量,反而因采暖而有所增加。

3 五维水平衡的节水效益

  综上所述,如果运用五维水平衡的节水模式,对于工业企业来说,其节水效益是很可观的。仅以钢铁工业为例,取水量和用水量至少可减少25%。若按1999年全国钢铁企业的用水计算,每年节水的经济效益可达18亿元(其取水、用水和外排废水排污费的平均单价分别按0.5、0.25和0.1元/m3计算,日后的单价肯定会大幅度上调)。而且吨钢的取水指标、用水指标和外排废水指标可分别降至对21.59m、144.21m和 14.97m3
  北方某钢铁企业用二个多亿,兴建了一座污水处理场。处理能力为21.6 x10m3/d,其中生活废水与生产废水的比例为1:9。其污水处理的运行成本为0.55元/m3(该企业的补充新水成本也仅为0.65元/m3)。目前,处理后的水回用的还不到45%,大部分水仍然还得排放到水体中去。显然,如果把投资用于企业的循环水改造,把吨钢取水指标压缩到11m3的话,进人这一污水处理场的全部生产废水就会消失,就只剩下 2.16 × 10m3/d的生活废水了。
  可见我们在考虑兴建污水处理场(包括污水回用的内容在内)的时候,事先更应考虑如何全力以赴地卡住取水的“脖子”,千方百计地提高水的利用率。这也是五维水平衡的基本观念和核心。
  五维水平衡的原理和技术,几乎也能适用于一切用水领域。就拿我国“十五”计划可能要上马的“南水北调”中线工程为例。其年均调水量为145亿m3,其中工业用水占36.3%,总投资为631.74亿元,全线平均投资为3.76-5.33元/m3,全线工业成本水价、微利水价和工业还贷水价分别为0.329元/m3;0.639元/m3和0.949元/m3。此外,以北京为例,调入70m3/s的水后,就会产生约 50 m3/s人的污水。因此,北京不仅要分担一部分工程投资外,还得兴建4~5个高碑店污水处理场及其配套工程(总投资近100亿元)。依此类推,如果中线工程开工之日,按用环保“三同时”的要求,还得花比主体工程本身还多的钱,来兴建污水处理场。考虑这一因素后,上述的三种水价肯定还得翻番。

4 结语

  五维水平衡既源于传统的一维水平衡,又高于一维水平衡。它在进行水平衡时,不仅与水量,还要与水的温升、水质、气象和水文有机地联系起来,把节水的理论和技术升华到一个日臻完美的高度。如果把五维水平衡的五个方面的内容,综合运用起来,至少可以使我国工业的取水量和外排废水量减少30%。
  五维水平衡的强大生命力在于它能适用于任何时候、任何地区,而且几乎可以不投入资金,只要全面规划,强化管理,精心运作,不断总结,就可以在节水上取得阶段性的成果,并获得极好的经济效益。


作者简介:朱志文(1935-),男,教授级高工。电话:(010)63526688 -2635,电子信箱:zhuzhiwen@ceris.net.on。

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