氧化铝生产过程能耗的分析

陈乔平, 闫红杰 葛世恒 周孑民

(1. 中南大学 能源科学与工程学院，长沙 410083；2. 中国铝业公司 河南分公司，郑州 450041)

以系统的观点对流程工业进行能耗分析对于提高企业能源利用效率、降低能耗具有重要意义。以热力学第一定律为基础进行系统能耗分析可以从“量”的角度分析企业能源利用状况，挖掘企业节能潜力；而利用理论从“品质”角度对系统能耗进行分析，则可以帮助企业更有针对性地进行节能改造，达到节能降耗目的[1−2]。由于分析兼顾能的“动态”与“静态”特性，又可将能的“质”与“量”有机地结合，能够反映能的真正价值，对于优化传递过程，提高用能水平具有很高的学术价值和实际意义[3]。

在流程工业能源和资源的合理配置过程中，工程决策不仅要考虑能量的“数量”，更要考虑其“品质”。通过建立合理的系统分析模型，求解在系统中的时空分布，可以全面正确地反映用能系统中不同各子系统用能的“量”与“质”，进而确定降低不可逆损的方向。目前，常用的分析模型主要有黑箱模型、白箱模型与灰箱模型[12−15]。

1) 黑箱模型

黑箱模型是借助于输入、输出子系统的能流信息来研究子系统内部用能过程宏观特性的一种方法只能对子系统的用能状况做出粗略分析。

其控制方程如下：

2) 白箱模型

采用黑箱模型不能分析体系内部的各用能过程的状况，对于一些重要的耗能设备来说，单有黑箱分析显然是不够的。白箱模型为了克服黑箱模型的缺陷,将分析对象看作是由“透明”的边界所包围的系统，从而可以对系统内的各个用能过程逐个进行解剖，计算出各过程的耗散。因此，白箱模型不仅可以计算子系统的效率和热力学完善度，而且还能计算出体系内各过程的损系数，揭示系统中用能不合理的“薄弱环节”，模型是一种精细的分析。

3) 灰箱模型

灰箱模型是将系统中所有设备均视为黑箱，黑箱与黑箱之间以主流线连接起来形成网络。因此，灰箱模型实际上是一种黑箱网络模型。

以黑箱网络表示的灰箱模型有下面两种基本形式：

图1 黑箱网络单元Fig.1 Black box network unit

1) 黑箱串联网络模型(串联模型)。若系统中的所有设备都是由主流线或主物流线串联起来的，该系统就可以表示为串联网络模型。

2) 黑箱并联网络模型(并联模型)。一个由多台设备组成的系统，各台设备的主要物流或主流线都互相平行而不相交，且各台设备的输出有效最终汇集在一起后再向外输出，这样的系统叫做并联网络系统。当将系统内所有设备视为黑箱组成灰箱模型时，就构成黑箱并联网络模型。

2 氧化铝生产工艺过程分析模型的建立

本实验所研究氧化铝企业的生产工艺为混联法，各子工序之间的关系既有串联、又有并联，个别还有混联关系，因此，根据氧化铝生产过程的特点，采用复杂灰箱模型对其进行分析比较合理。

1) 以工序为控制单元，将氧化铝生产工艺过程中每个工序看作单独的黑箱模型进行分析，其中由于氢氧化铝是不定晶型，相关热力学参数不全，因此，把晶种分解和焙烧看作是一个黑箱模型。

3) 由于2008年企业能耗波动较大，故采用2008年上半年工艺能耗最高的2月份和工艺能耗最低的6月份的生产数据进行计算分析。通过纵向和横向的比较，分析各个环节的用能状况，以及各环节用能随生产状况改变时的变化情况。

式中： Ex,br为原料(或上级工序来料)的带入，GJ/t；Eg为能源或设备的供给，GJ/t；Ex,ef为工序有效，

x GJ/t； Ex,L为工序损，GJ/t。则效率可以定义为

3 氧化铝生产工艺过程耗计算与分析

2) 2008年6月份，该企业氧化铝生产过程吨氧化铝供给为16.363 2 GJ/t，比2月份的17.337 4 GJ/t降低5.62%。在整体能耗下降的情况下，2008年6月份，焙烧工序和石灰煅烧工序的能耗反而有所上升，说明上述两个工序主要设备运行状况与操作存在一定问题。

3) 由于氧化铝生产过程基本封闭进行，外排物质较少，因此各工序效率较高。但熟料烧成和石灰煅烧工序效率很低，分别在6%～8%和49%左右。这是由于熟料烧成和石灰煅烧生产工序中，都涉及燃料的燃烧过程，而燃料的燃烧过程的不可逆损(内部损)较大，一般占燃料的20%～30%以上。这是造成工序利用效率低的一个主要原因。

表1 2008年2月份各生产工序供给、损和效率Table 1 Supplied exergy, exergy loss and exergy efficiency of processes in February, 2008

表1 2008年2月份各生产工序供给、损和效率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

图2 氧化铝生产工艺分析模型示意图Fig.2 Exergy analysis model of alumina production process (The third subscript is code of alumina production procoss)

表2 2008年6月份各生产工序供给、损和效率Table 2 Supplied exergy, exergy loss and exergy efficiency of processes in June, 2008

表2 2008年6月份各生产工序供给、损和效率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 氧化铝生产过程单个工序损分布计算

表3 熟料烧成工序损分布Table 3 Distribution of exergy loss in process of slurry sintering

表3 熟料烧成工序损分布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

图3 2008年2月份吨氧化铝的流图Fig.3 Exergy flow diagram per ton alumina in February, 2008 (GJ/t)

数的方式，如提高生料预热温度和强化烧结过程等进行改善，以达到提高设备的能源利用率和降低能耗的目的。

5 结论

2) 以中国铝业某分公司氧化铝厂生产工艺系统为研究对象，以传递理论及分析方法为基础，建立混联法氧化铝生产工艺系统分析的灰箱模型，并对生产过程进行合理分解，形成独立的单元子系统，便于计算分析。

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