基于生态网络分析法的煤化工水网络结构解析

程 蕾,郝增超,曾维华(北京师范大学环境学院,北京 100875)

基于生态网络分析法的煤化工水网络结构解析

程 蕾,郝增超,曾维华*(北京师范大学环境学院,北京 100875)

由于煤化工水网络结构的复杂性,水网络的用水/排水去向以及结构的整体性分析已成为系统集成优化的基础工作.选取某典型煤制烯烃项目的水网络体系为研究案例,采用生态网络分析法深度解析煤化工水网络体系的结构和用水效率.采用生态分析方法中的通量分析和效用分析对选取的煤化工水网络结构进行研究.通量分析的结果显示,在该煤化工水网络结构中,通量占比最大的节点分别为第一冷却水站(35.70%)和第二冷却水站(26.35%).效用分析中用网络共生指数(M)来衡量系统结构的稳定性,计算得到该案例中M值为0.97 ,接近于1.从生态学的视角来看,网络中各节点之间呈现竞争与共生的强度相当,网络协作性较好.

生态网络分析；煤化工；水网络；结构解析；共生指数

煤化工行业的发展一直因为其高水耗、高污染的特点受到水资源的制约问题日益严重.我国煤炭资源和水资源总体呈逆向分布,由于产业布局受煤炭资源主导,使得产业发展中水资源配置的问题尤为凸显.目前我国水资源和水环境问题成为煤化工产业发展最关键的瓶颈,应运而生的“废水零排放”的目标又因为煤化工行业存在的一系列技术经济等各方面的问题而备受争议[1-2].

目前关于煤化工行业的节水减排工作主要是关注煤化工工艺的优化、废水深度处理技术的开发从而来提高废水的回用率[3],缺乏整体全局性的分析.从整体上关于煤化工水网络体系优化的研究主要是水网络集成优化理论[4-5],这方面的理论研究已经比较成熟,然而实际应用相对较少.杨友麒等[6-7]提出的基于过程系统工程的节水三步曲是目前这方面的显著研究成果之一,但是该方法体系全套应用成本相对庞大,还需在煤化工企业中进一步推广.实施整体性的水网络体系的集成优化,需要对水网络结构进行深入的剖析和解读,从系统的角度对煤化工项目的整个水网络结构进行整体性分析,考虑工程中所有不同水质的水流动过程,以图的形式将整个流动过程表示出来,从而形成一个复杂的拓扑结构谱图.同时需要采用一些结构分析的方法如结构解析模型、生态网络分析等,结合投入产出以及生态学方面的理论,对煤化工水网络结构进行逐步剖析.其中,生态网络分析最早是起源于生态系统的结构分析方法[8],目前广泛应用于城市能量流动以及社会经济[9-10]等方面的社会经济网络结构分析.在工业领域,生态网络分析方法多应用于生态工业园区的物质流动分析和稳定性分析[11-13].

煤化工水网络体系是一个庞大的系统,各个组分之间有着复杂的直接或间接的联系,呈现出的网络结构可类比于环境生态网络,在网络内部进行着新陈代谢.水在代谢过程中出现各种变化,一旦某个组分的不利作用增强(即不利于水量的补充),整个水代谢系统就会出现紊乱;同时,与其相关的其它组分的有利作用如果可以抵消不利作用,则整个系统可以正常代谢实现水量的补充.本文基于此,从生态学的角度运用生态网络分析法研究煤化工水网络体系的网络结构及用水效率,系统甄别现有煤化工企业内部结构存在的问题,从而为煤化工水网络体系优化研究开拓新的视野,为煤化工行业的节水减排工作提供理论支持和技术借鉴.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文主要从某个煤制烯烃项目的企业内部水平衡入手,建立基于水量变化的水网络结构图,分析网络结构中各个节点之间的间接的潜在关系,以及各节点消耗水量的占比以及整体网络体系稳定性和效率.本文数据主要来自对该项目的实地调研,采用水平衡核算的方法最终得到具体各股水流的通量.

1.2 生态网络分析法

网络分析的基础是邻接矩阵[14]An×n=(aij)和流量平衡矩阵Fn×n=(fij),其中 n为网络节点数,若aij=1意味着节点i到j之间是有边连接的,此时fij代表它们之间的单位时间内流量的大小.在网络中,还存在着输入、输出和节点的内部存储,分别以矢量 z,y,x来表示.那么,网络的平衡约束可以表示为[15]：

式中：Tj即为通过节点j的净输入(输出)量,任意节点的总输入量和总输出量是相等的.根据邻接矩阵或流量平衡矩阵的不同迭代方式,网络分析分为结构分析、通量分析、储存分析和利用分析4个子类别.

1.2.1 通量分析 通量分析的基础是流量密度矩阵G.通过G的迭代可以获得两点之间通过一定长度路径的间接流量密度和综合流量密度[16].

式中：Tj为通过节点j的净通量.G0表示单位矩阵,它意味着流从某一节点出又回到相同的节点中;矩阵G1意味着网络中的任何节点之间都是直接流;Gm(m≥2)意味着节点之间存在 m长度的间接流,N即为两点之间通过长度为m的综合流量密度矩阵[15].

无量纲综合流矩阵 N通过右乘对角化通量矢量(T)以转换N的纵向量成为有量纲的矩阵Y.通过计算矩阵Y的每个纵向量总数和,矩阵Y的列向量即得出[17].

W可以反映出节点j对整个系统的贡献情况,从而得到每个节点的贡献并以此确定每个节点的比重.

1.2.2 效用分析 网络效用分析是用于表征网络系统中不同组分间的定性定量关系[18],主要分析节点i和j之间的净通量,即相互之间的利用程度.公式如式(6)：

对其进行迭代,则得到总利用密度矩阵U：

式中：D为直接效用矩阵,U为无量纲综合效用矩阵.采用这些分析可用来研究生态网络的一些主要性质,如：间接效应,放大效应、网络均质性,以及网络协作性.

指定矩阵 U的任意两个节点之间的生态关系表示为 suij,则一对节点之间的直接关系可通过一对直接利用矩阵给出.如：(su21,su12) = (+,−)表示节点2利用节点1,如果(su21,su12) = (−,+),则是节点 2被节点 1利用.即 (0,0)表示中立状态, (−,−)表示竞争关系, (+,+)表示共生关系[19].效用分析的最终目的是研究系统的共生状态,引入共生指数M以定量系统的整个共生情况,J (U)代表积极关系数量与消极关系数量的比率.

其中：

如果 M＞1,则矩阵正号数目大于负号数目,说明系统的节点之间建立了更多积极的关系,各节点之间的共生互利关系较多,网络协作性较好.相反,如果负号多于正号,则系统建立了更多消极的关系,节点之间竞争关系比较多,网络协作性较差.

2 案例分析

2.1 网络结构概况

本文选取的网络结构图主要依据是项目环评报告中的水平衡图,并加以总结概括,从网络分析的角度将水平衡图中涉及到的所有工程环节概括为生产工艺环节和公用工程.整个水网络系统(图1)共包含20个网络节点,主要分为生产工艺环节和公共工程,其中公用工程又包括循环水系统和供水环节以及其它公用装置.在水网络结构图(图2)中,主要供水环节中的生产水系统给生产工艺环节的节点提供新鲜补充用水,回用水系统主要是进行中水的深度处理,并为循环水系统以及除盐水站提供补充用水,循环水系统主要为各生产环节提供循环冷却水,各生产工艺环节则需要耗用一定的新鲜用水或者回用水,同时产生一定量的废水,并且产生的中间废水可以进入另一个生产环节进行重复利用,另外生产过程中每个工艺环节都会需要大量的循环冷却水.因为这些不同水质和水量的水流在各个节点之间流入流出,各节点之间以直接或间接的方式互相关联.统;

图1 水网络系统示意Fig.1 Thesystematic diagram of water network

图2 水网络结构示意Fig.2 The structural diagram of water network

2.2 通量分析

通过对该水网络结构的直接流量矩阵迭代计算得到的比重分布如图3所示.整体体系中占最大比重的节点分别为节点○14第一冷却水站(,35.70%)、节点○15第二冷却水站(26.35%),两者之和比例占到了 62.05%,其次是节点⑩空分空压环节,占比为13.18%、节点⑨丙烯制冷+聚丙烯环节占比 10%.由网络结构模型来看,第一冷却水站提供5个主要工艺环节的循环冷却水,提供的循环冷却水量有65747t/h,占总循环冷却水量41.4%.循环冷却水是该水网络体系中流量最大的一种水流.同时该环节处其它损失水量达到745t/h,需要回用水装置补充水量278t/h,新鲜水补充量 1103t/h,并向清净下水装置排放污水338t/h.同样第二冷却水站为 5个主要工艺环节提供循环冷却水 56456t/h,占总循环冷却水量35.3%,该处其它损失量有 206t/h,排放废水为285t/h,需要新鲜水补充水量 1137t/h.而节点⑨和节点⑩都是由2个子环节合并而成的,用到的循环冷却水也就相对单个工艺环节较多,因为循环冷却水的贡献,从而最终占比也就较大.

图3 水量变化各节点所占比重Fig.3 The proportion of each node during water variations

结合对水平衡网络中循环冷却水分布的初步分析可以发现,各节点总体通量所占比重与循环冷却水消耗比重排序具有一定的同步性,因为相对其它新鲜用水以及废水排放量,循环冷却水量远远大于新鲜用水或回用水量,那么循环水量对整体水代谢系统的通量影响也是最大的.也就是节水的关键首先应是减少循环冷却水的用量,实施工程节水改造的首要应该是从第一冷却水站、第二冷却水站开始,进而再从整体上对水网络进行优化配置.

2.3 网络协作性分析

通过对水网络结构的直接流量矩阵的迭代计算,得到无量纲综合效用矩阵U,从而可通过该效用矩阵的符号矩阵表 1来表征各个节点之间的生态关系.

在该煤化工水网络系统中,如果两个环节需要消耗同一个供水环节的来水,那么这两个节点之间便存在着一定程度的竞争关系,同时用水环节与供水环节也呈现着利用关系,如果该用水环节产生的废水经过回收处理之后再被其它供水环节回收利用,那么此时用水环节与供水环节之间便呈现了共生关系.

在表1中,空白处的值均为0,表征的是对应的两个节点之间不存在生态关系中的任何一种关系((suij,suji) = (0,0)),也即③甲醇单元、⑨丙烯制冷+聚丙烯、⑩空分+空压、○12酸碱站4个节点都与其他节点不存在生态关系.由网络结构图2也可以看出节点③甲醇单元、节点⑩空分+空压均只与节点○15第二冷却水站交换循环冷却水,与其它节点之间即没有连接,同样节点⑨丙烯制冷+聚丙烯只与节点○14第一冷却水站交换循环冷却水,节点○12酸碱站只与○16第三冷却水站交换循环冷却水.其它16个节点相互形成120对生态关系,其中处于共生关系(浅灰色填充标出, (suij,suji) = (+,+))的有30对,处于竞争关系(深灰色填充, (suij,suji) = (-,-))的有32对,其他的则都为利用关系((suij,suji) = (+,-)或(suij,suji) = (-,+)),共58对.由此可以得出在该煤化工水网络体系中主要的生态关系是利用关系,实际中煤化工废水回用体系是一个复杂的系统,各个生产环节之间联系紧密,在水量与水质的变化过程中互相影响.通过效用分析法得出的大量节点之间的生态关系为利用关系,从侧面说明从侧面说明该煤化工企业内部的水回用环节比较多.同时系统中竞争关系和共生关系的比例相当,均占总生态关系的25%左右,一方面在该水网络体系中的网络节点主要都是用水环节,用水环节之间必然因为新鲜补充水、循环水之间的分配表现出竞争关系.而因为生产环节之间的废水的直接或间接的回用,相关的网络节点呈现生态学意义上的共生关系.由此计算出共生指数,M=J(U)=S+/S =128/132= 0.97＜1,该数值十分接近于 1,从生态学的视角来看网络中呈现竞争与共生的强度相当,网络的协作性比较好.但是共生指数值小于 1,说明系统中各节点之间呈现的消极关系强于积极关系[23],而这也符合了煤化工企业耗水量大,耗水环节多的特征.

表1 水代谢系统中各节点关系Table 1 The relationship among various nodes in the water metabolism system

根据调研获取的生产数据,该煤化工企业生产过程中的吨产品水耗在50t/t左右,中水回用率73%,废水回用率为 39.3%,相比于煤化工行业的吨产品水耗 24～74t/t[21],该煤制烯烃项目的耗水量很大,相比于煤化工行业的平均中水回用率60%,该项目的中水回用率比较高,但是废水回用率比较低.综合得出,该煤化工项目耗水量大,新鲜用水效率不够高,虽然中水回用率已经比较高,但是整体的废水回用率不高,该煤化工企业没有充分实现废水的循环多级利用,做到低水低用、高水高用.

煤化工行业的节水减排是一项复杂的系统工程,进行水平衡分析摸清工业的用水分布是实施节水工作的基础,具体企业的节水应该是在项目的设计阶段就开始实施节水规划.结合本案例分析结果,该煤化工企业的主要耗水都是循环冷却水站的水分蒸发量,如果采用空冷技术的将大大减低循环水蒸发损失量.废水回用率的提高不仅需要完善用水工艺,更需要废水的适当处理,针对性的处理特定限制因素污染物,避免回用水的过度处理.

3 结论

3.1 生态网络分析方法作为一种投入产出分析法,适用于煤化工企业复杂系统的水网络结构解析,既可以科学而详细的分析出企业内部的主要耗水环节,又可以整体上评价企业的用水效率和稳定性.

3.2 通量分析的结果显示,在该煤化工水网络结构中,通量占比最大的节点分别为节点○14第一冷却水站(35.70%)、节点○15第二冷却水站(26.35%).说明该煤化工企业节水的关键首先应是减少循环冷却水的用量,实施工程节水改造的首要应该是从第一冷却水站、第二冷却水站开始,以及从整体上对其的优化配置.

3.3 效用分析结果显示该煤化工水网络结构体系的共生指数为 0.97,数值略微小于 1,说明该体系的网络协作性很好,整个水网络体系比较稳定.水网络体系中呈现的主要生态关系是利用关系,从侧面说明该煤化工企业内部的水回用环节比较多,结合实际工程状况,可知这主要是循环水的重复利用导致的.

3.4 该煤化工企业的主要耗水都是循环冷却水站的水分蒸发量,建议可采用空冷技术,减低循环水蒸发损失量.煤化工企业要减少新鲜水耗,提高废水回用率,不仅需要进行用水工艺的优化,更重要的是从全局角度进行水系统集成优化管理.

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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,湖北黄冈人,北京师范大学硕士研究生,主要从事环境规划与管理研究.

2016-09-19

典型脆弱生态修复与保护研究重大专项(2016YFC050350403-1)

* 责任作者, 教授, zengwh@bnu.edu.cn