氧化鋁生產過程能耗的分析

陳喬平, 閆紅杰 葛世恒 周孑民

(1. 中南大學 能源科學與工程學院，長沙 410083；2. 中國鋁業公司 河南分公司，鄭州 450041)

以系統的觀點對流程工業進行能耗分析對于提高企業能源利用效率、降低能耗具有重要意義。以熱力學第一定律為基礎進行系統能耗分析可以從“量”的角度分析企業能源利用狀況，挖掘企業節能潛力；而利用理論從“品質”角度對系統能耗進行分析，則可以幫助企業更有針對性地進行節能改造，達到節能降耗目的[1?2]。由于分析兼顧能的“動態”與“靜態”特性，又可將能的“質”與“量”有機地結合，能夠反映能的真正價值，對于優化傳遞過程，提高用能水平具有很高的學術價值和實際意義[3]。

在流程工業能源和資源的合理配置過程中，工程決策不僅要考慮能量的“數量”，更要考慮其“品質”。通過建立合理的系統分析模型，求解在系統中的時空分布，可以全面正確地反映用能系統中不同各子系統用能的“量”與“質”，進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、輸出子系統的能流信息來研究子系統內部用能過程宏觀特性的一種方法只能對子系統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部的各用能過程的狀況，對于一些重要的耗能設備來說，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,將分析對象看作是由“透明”的邊界所包圍的系統，從而可以對系統內的各個用能過程逐個進行解剖，計算出各過程的耗散。因此，白箱模型不僅可以計算子系統的效率和熱力學完善度，而且還能計算出體系內各過程的損系數，揭示系統中用能不合理的“薄弱環節”，模型是一種精細的分析。

3) 灰箱模型

灰箱模型是將系統中所有設備均視為黑箱，黑箱與黑箱之間以主流線連接起來形成網絡。因此，灰箱模型實際上是一種黑箱網絡模型。

以黑箱網絡表示的灰箱模型有下面兩種基本形式：

圖1 黑箱網絡單元Fig.1 Black box network unit

1) 黑箱串聯網絡模型(串聯模型)。若系統中的所有設備都是由主流線或主物流線串聯起來的，該系統就可以表示為串聯網絡模型。

2) 黑箱并聯網絡模型(并聯模型)。一個由多臺設備組成的系統，各臺設備的主要物流或主流線都互相平行而不相交，且各臺設備的輸出有效最終匯集在一起后再向外輸出，這樣的系統叫做并聯網絡系統。當將系統內所有設備視為黑箱組成灰箱模型時，就構成黑箱并聯網絡模型。

2 氧化鋁生產工藝過程分析模型的建立

本實驗所研究氧化鋁企業的生產工藝為混聯法，各子工序之間的關系既有串聯、又有并聯，個別還有混聯關系，因此，根據氧化鋁生產過程的特點，采用復雜灰箱模型對其進行分析比較合理。

1) 以工序為控制單元，將氧化鋁生產工藝過程中每個工序看作單獨的黑箱模型進行分析，其中由于氫氧化鋁是不定晶型，相關熱力學參數不全，因此，把晶種分解和焙燒看作是一個黑箱模型。

3) 由于2008年企業能耗波動較大，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月份的生產數據進行計算分析。通過縱向和橫向的比較，分析各個環節的用能狀況，以及各環節用能隨生產狀況改變時的變化情況。

式中： Ex,br為原料(或上級工序來料)的帶入，GJ/t；Eg為能源或設備的供給，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 氧化鋁生產工藝過程耗計算與分析

2) 2008年6月份，該企業氧化鋁生產過程噸氧化鋁供給為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，說明上述兩個工序主要設備運行狀況與操作存在一定問題。

3) 由于氧化鋁生產過程基本封閉進行，外排物質較少，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工序中，都涉及燃料的燃燒過程，而燃料的燃燒過程的不可逆損(內部損)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主要原因。

表1 2008年2月份各生產工序供給、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 氧化鋁生產過程單個工序損分布計算

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)

數的方式，如提高生料預熱溫度和強化燒結過程等進行改善，以達到提高設備的能源利用率和降低能耗的目的。

5 結論

2) 以中國鋁業某分公司氧化鋁廠生產工藝系統為研究對象，以傳遞理論及分析方法為基礎，建立混聯法氧化鋁生產工藝系統分析的灰箱模型，并對生產過程進行合理分解，形成獨立的單元子系統，便于計算分析。

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