陳喬平, 閆紅杰 葛世恒 周孑民

(1. 中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2. 中國(guó)鋁業(yè)公司 河南分公司，鄭州 450041)

以系統(tǒng)的觀點(diǎn)對(duì)流程工業(yè)進(jìn)行能耗分析對(duì)于提高企業(yè)能源利用效率、降低能耗具有重要意義。以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)能耗分析可以從“量”的角度分析企業(yè)能源利用狀況，挖掘企業(yè)節(jié)能潛力；而利用理論從“品質(zhì)”角度對(duì)系統(tǒng)能耗進(jìn)行分析，則可以幫助企業(yè)更有針對(duì)性地進(jìn)行節(jié)能改造，達(dá)到節(jié)能降耗目的[1?2]。由于分析兼顧能的“動(dòng)態(tài)”與“靜態(tài)”特性，又可將能的“質(zhì)”與“量”有機(jī)地結(jié)合，能夠反映能的真正價(jià)值，對(duì)于優(yōu)化傳遞過(guò)程，提高用能水平具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義[3]。

在流程工業(yè)能源和資源的合理配置過(guò)程中，工程決策不僅要考慮能量的“數(shù)量”，更要考慮其“品質(zhì)”。通過(guò)建立合理的系統(tǒng)分析模型，求解在系統(tǒng)中的時(shí)空分布，可以全面正確地反映用能系統(tǒng)中不同各子系統(tǒng)用能的“量”與“質(zhì)”，進(jìn)而確定降低不可逆損的方向。目前，常用的分析模型主要有黑箱模型、白箱模型與灰箱模型[12?15]。

1) 黑箱模型

黑箱模型是借助于輸入、輸出子系統(tǒng)的能流信息來(lái)研究子系統(tǒng)內(nèi)部用能過(guò)程宏觀特性的一種方法只能對(duì)子系統(tǒng)的用能狀況做出粗略分析。

其控制方程如下：

2) 白箱模型

采用黑箱模型不能分析體系內(nèi)部的各用能過(guò)程的狀況，對(duì)于一些重要的耗能設(shè)備來(lái)說(shuō)，單有黑箱分析顯然是不夠的。白箱模型為了克服黑箱模型的缺陷,將分析對(duì)象看作是由“透明”的邊界所包圍的系統(tǒng)，從而可以對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)用能過(guò)程逐個(gè)進(jìn)行解剖，計(jì)算出各過(guò)程的耗散。因此，白箱模型不僅可以計(jì)算子系統(tǒng)的效率和熱力學(xué)完善度，而且還能計(jì)算出體系內(nèi)各過(guò)程的損系數(shù)，揭示系統(tǒng)中用能不合理的“薄弱環(huán)節(jié)”，模型是一種精細(xì)的分析。

3) 灰箱模型

灰箱模型是將系統(tǒng)中所有設(shè)備均視為黑箱，黑箱與黑箱之間以主流線連接起來(lái)形成網(wǎng)絡(luò)。因此，灰箱模型實(shí)際上是一種黑箱網(wǎng)絡(luò)模型。

以黑箱網(wǎng)絡(luò)表示的灰箱模型有下面兩種基本形式：

圖1 黑箱網(wǎng)絡(luò)單元Fig.1 Black box network unit

1) 黑箱串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型(串聯(lián)模型)。若系統(tǒng)中的所有設(shè)備都是由主流線或主物流線串聯(lián)起來(lái)的，該系統(tǒng)就可以表示為串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型。

2) 黑箱并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型(并聯(lián)模型)。一個(gè)由多臺(tái)設(shè)備組成的系統(tǒng)，各臺(tái)設(shè)備的主要物流或主流線都互相平行而不相交，且各臺(tái)設(shè)備的輸出有效最終匯集在一起后再向外輸出，這樣的系統(tǒng)叫做并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)將系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備視為黑箱組成灰箱模型時(shí)，就構(gòu)成黑箱并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模型。

2 氧化鋁生產(chǎn)工藝過(guò)程分析模型的建立

本實(shí)驗(yàn)所研究氧化鋁企業(yè)的生產(chǎn)工藝為混聯(lián)法，各子工序之間的關(guān)系既有串聯(lián)、又有并聯(lián)，個(gè)別還有混聯(lián)關(guān)系，因此，根據(jù)氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)，采用復(fù)雜灰箱模型對(duì)其進(jìn)行分析比較合理。

1) 以工序?yàn)榭刂茊卧?，將氧化鋁生產(chǎn)工藝過(guò)程中每個(gè)工序看作單獨(dú)的黑箱模型進(jìn)行分析，其中由于氫氧化鋁是不定晶型，相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)不全，因此，把晶種分解和焙燒看作是一個(gè)黑箱模型。

3) 由于2008年企業(yè)能耗波動(dòng)較大，故采用2008年上半年工藝能耗最高的2月份和工藝能耗最低的6月份的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)縱向和橫向的比較，分析各個(gè)環(huán)節(jié)的用能狀況，以及各環(huán)節(jié)用能隨生產(chǎn)狀況改變時(shí)的變化情況。

式中： Ex,br為原料(或上級(jí)工序來(lái)料)的帶入，GJ/t；Eg為能源或設(shè)備的供給，GJ/t；Ex,ef為工序有效，

x GJ/t； Ex,L為工序損，GJ/t。則效率可以定義為

3 氧化鋁生產(chǎn)工藝過(guò)程耗計(jì)算與分析

2) 2008年6月份，該企業(yè)氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程噸氧化鋁供給為16.363 2 GJ/t，比2月份的17.337 4 GJ/t降低5.62%。在整體能耗下降的情況下，2008年6月份，焙燒工序和石灰煅燒工序的能耗反而有所上升，說(shuō)明上述兩個(gè)工序主要設(shè)備運(yùn)行狀況與操作存在一定問(wèn)題。

3) 由于氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程基本封閉進(jìn)行，外排物質(zhì)較少，因此各工序效率較高。但熟料燒成和石灰煅燒工序效率很低，分別在6%～8%和49%左右。這是由于熟料燒成和石灰煅燒生產(chǎn)工序中，都涉及燃料的燃燒過(guò)程，而燃料的燃燒過(guò)程的不可逆損(內(nèi)部損)較大，一般占燃料的20%～30%以上。這是造成工序利用效率低的一個(gè)主要原因。

表1 2008年2月份各生產(chǎn)工序供給、損和效率Table 1 Supplied exergy, exergy loss and exergy efficiency of processes in February, 2008

表1 2008年2月份各生產(chǎn)工序供給、損和效率Table 1 Supplied exergy, exergy loss and exergy efficiency of processes in February, 2008

Process SuppliedExergyExergy exergy/(GJ·t?1)loss/(GJ·t?1)efficiency/%Slurry sintering 8.180 4 8.589 3 6.62 Aluminium trihydrate2.779 5 ? ?calcining Tube digestion 2.219 5 1.505 1 74.87 Evaporation 1.825 3 1.540 2 75.43 Lime calcining 1.082 1 0.551 7 49.00 Caldron0.443 1 0.362 7 76.22 digestion Digestion and0.423 2 0.242 1 82.41 desilication Precipitation 0.201 4 ? ?Material0.182 9 1.581 4 78.95 preparation

圖2 氧化鋁生產(chǎn)工藝分析模型示意圖Fig.2 Exergy analysis model of alumina production process (The third subscript is code of alumina production procoss)

表2 2008年6月份各生產(chǎn)工序供給、損和效率Table 2 Supplied exergy, exergy loss and exergy efficiency of processes in June, 2008

表2 2008年6月份各生產(chǎn)工序供給、損和效率Table 2 Supplied exergy, exergy loss and exergy efficiency of processes in June, 2008

Process Supplied exergy/(GJ·t?1)Exergy loss/(GJ·t?1)Exergy efficiency/%Slurry sintering 7.045 0 7.475 0 7.12 Aluminium trihydrate calcining 3.193 6 ? ?Tube digestion 1.9827 1.498 6 75.17 Evaporation 1.823 2 0.812 5 87.70 Lime calcining 1.119 6 0.564 3 49.60 Caldron digestion 0.422 1 0.402 5 72.83 Digestion and desilication 0.395 1 0.227 4 82.44 Precipitation 0.203 4 ? ?Material preparation 0.178 5 1.732 5 77.92

4 氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程單個(gè)工序損分布計(jì)算

表3 熟料燒成工序損分布Table 3 Distribution of exergy loss in process of slurry sintering

表3 熟料燒成工序損分布Table 3 Distribution of exergy loss in process of slurry sintering

Exergy loss source Exergy loss/(GJ·t?1) Distribution/% Exergy loss source Exergy loss/(GJ·t?1) Distribution/%Combustion 1.806 5 21.03 Solid emission 1.314 8 15.31 Physical exergy of gas 0.286 0 3.33 Evaporation 1.168 8 13.61 Chemical exergy of gas 0.772 1 8.99 Chemical reaction 0.071 7 0.84 Air preheating 0.226 5 2.64 Others 2.896 9 33.54 Surface heat loss 0.049 8 0.58

圖3 2008年2月份噸氧化鋁的流圖Fig.3 Exergy flow diagram per ton alumina in February, 2008 (GJ/t)

數(shù)的方式，如提高生料預(yù)熱溫度和強(qiáng)化燒結(jié)過(guò)程等進(jìn)行改善，以達(dá)到提高設(shè)備的能源利用率和降低能耗的目的。

5 結(jié)論

2) 以中國(guó)鋁業(yè)某分公司氧化鋁廠生產(chǎn)工藝系統(tǒng)為研究對(duì)象，以傳遞理論及分析方法為基礎(chǔ)，建立混聯(lián)法氧化鋁生產(chǎn)工藝系統(tǒng)分析的灰箱模型，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行合理分解，形成獨(dú)立的單元子系統(tǒng)，便于計(jì)算分析。

[1] 殷瑞鈺. 冶金流程工程學(xué)[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2004:72?112

YIN Rui-yu. Metallurgical process engineering[M]. Beijing:Metallurgical Industry Press, 2004: 72?112.

[2] DAI Yi-ping, WANG Jian-feng, GAO Lin. Exergy analysis,parametric analysis and optimization for a novel combined power and ejector refrigeration cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29: 1983?1990.

[3] 成慶林, 周海蓮, 項(xiàng)新耀.傳遞系數(shù)的定義及其影響機(jī)制[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 36(3): 43?46.

CHENG Qing-lin, ZHOU Hai-lian, XIANG Xin-yao. The definition of exergy transfer coefficient and its influence mechanism[J]. Journal of North China Electric Power University,2009, 36(3): 43?46.

[4] 成慶林, 劉 揚(yáng), 項(xiàng)新耀.傳遞—熱力學(xué)理論研究的新領(lǐng)域[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào), 2007, 31(4): 63?67.

CHENG Qing-lin, LIU Yang, XIANG Xin-yao. Exergy transfer—new field of thermodynamics theory study[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2007, 31(4): 63?67.

[5] 李亞奇, 何雅玲, 王巍巍. 碟式集熱器驅(qū)動(dòng)斯特林熱機(jī)系統(tǒng)效率分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2009, 30(6): 911?914.

LI Ya-qi, HE Ya-ling, WANG Wei-wei. Exergy efficiency analysis of Stirling heat engine driven by solar dish collector based on FTT[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2009,30(6): 911?914.

[6] 馮俊小, 張 宇, 謝知音, 張 材, 果乃濤. 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)鐵礦氧化球團(tuán)焙燒過(guò)程的能量和分析[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,36(3): 33?37.

FENG Jun-xiao, ZHANG Yu, XIE Zhi-yin, ZHANG Cai, GUO Nai-tao. Energy and exergy analysis of iron ore pellets induration in the kiln[J]. Journal of North China Electric Power University, 2009, 36(3): 33?37.

[7] ROSEN M A, DINCER I. Exergy-cost-energy-mass analysis of thermal systems and processes[J]. Energy Conversion and Management, 2003, 44: 1633?1651.

[8] CAMDALI U, TUNC M. Exergy analysis and efficiency in an industrial AC electric ARC furnace[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23: 2255?2267.

[9] BECERRA-LOPEZ H R, GOLDING P. Dynamic exergy analysis for capacity expansion of regional power-generation systems: Case study of far west Texas[J]. Energy, 2007, 32:2167?2186.

[10] OLADIRAN M T, MEYER J P. Energy and exergy analysis of energy consumptions in the industrial sector in South Africa[J].Applied Energy, 2007, 84: 1056?1067.

GU Ya-xiu, WU Yu-yuan. Research progress and prospect of exergy transfer and exergoeconmic analysis[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University: Social Sciences Edition, 2005, 25(2):21?25.

[12] 朱明善. 能量系統(tǒng)的分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,1988: 195?201.

ZHU Ming-shan. Exergy analysis on energy systems[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 1988: 195?201.

[13] GARDEL A. Energy-economy and prospective[M]. Pergamon Press, 1981: 30?92.

[14] 傅秦生. 能量系統(tǒng)的熱力學(xué)分析方法[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2005: 78?134.

FU Qing-sheng. Thermodynamics analysis method of energy system[M]. Xian: Xian Jiaotong University Press, 2005: 78?134.

[15] REISTAD G M, FABRYCKY W J. Available-energy costing,thermodynamics: Second law analysis[J]. ACS Symposium Series, 1980, 122: 143?159.