基于能量流框架的氯堿企業(yè)能耗分析研究

趙 濤，張風(fēng)云

(天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津300072)

企業(yè)如何有效地將能源進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分配、使用和回收，使能源消耗最小，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，是企業(yè)決策者必須考慮的問題。

很多學(xué)者圍繞降低能耗、提高效益做了大量研究工作。KAREN［1］等改進(jìn)了投入產(chǎn)出能量流模型，通過分析企業(yè)的能耗、效率和環(huán)境負(fù)荷等內(nèi)容，對不同技術(shù)方案進(jìn)行比較，輔助科學(xué)決策;ZHENG［2］等利用能量流框架流程圖，進(jìn)行能量分析和系統(tǒng)綜合控制，用實(shí)例證明了該方法的實(shí)用性;KORHONEN［3］研究了熱電聯(lián)產(chǎn)的物質(zhì)流和能量流模型，提出電廠產(chǎn)生的廢能用于工業(yè)生產(chǎn)的蒸汽和建筑物供熱網(wǎng)絡(luò)，形成熱電聯(lián)產(chǎn)，提高能源利用效率;JAN［4］等建立的能量流和物質(zhì)流模型，既可作為能耗分析的基礎(chǔ)，又可作為經(jīng)濟(jì)、法規(guī)、技術(shù)創(chuàng)新模擬的基礎(chǔ);LIU［5］等通過構(gòu)建基準(zhǔn)流圖，分析了物流的變化對能耗的影響;杜濤［6］等建立了物質(zhì)流、能量流和污染流分析模型，應(yīng)用模型分析了行業(yè)能耗和環(huán)境負(fù)荷;NESRIN［7］針對美國化工工業(yè)的制氫過程建立了能量流和物質(zhì)流模型，根據(jù)工藝流程分析能量的最終用途。此外還有學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)方面進(jìn)行能量優(yōu)化研究［8－9］，當(dāng)前能耗研究大多集中在對能耗指標(biāo)的分析和已產(chǎn)生的余能余熱的利用方面。但是對如何測算企業(yè)能耗，并識(shí)別影響企業(yè)能耗的關(guān)鍵因素還沒有很好的研究。在能量流分析框架基礎(chǔ)上，進(jìn)行企業(yè)能耗分析可以將企業(yè)中各系統(tǒng)和工序的能源消耗定量表示出來，為企業(yè)合理地使用能源提供理論基礎(chǔ);進(jìn)行能耗測算進(jìn)而識(shí)別影響企業(yè)能耗的關(guān)鍵因素可為企業(yè)降低能耗找到方向和切入點(diǎn)，為企業(yè)決策提供依據(jù)，從而使企業(yè)從源頭上進(jìn)行改進(jìn)，降低能源消耗。

1 能量流分析框架與能耗測算

1.1 氯堿企業(yè)能量流分析框架

能量流是指各種能量隨物質(zhì)沿著轉(zhuǎn)換、分配、使用和回收的路徑流動(dòng)的過程。氯堿企業(yè)能量流包括:企業(yè)外購的煤、電和水;生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種余能余熱;中間產(chǎn)品、副產(chǎn)品以及最終產(chǎn)品所載能量;在整個(gè)能量流動(dòng)過程中能量從某種形式(如煤)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问?如電力、蒸汽等)。筆者設(shè)定氯堿企業(yè)生產(chǎn)單位聚氯乙烯(PVC)產(chǎn)品為研究基礎(chǔ)，各種能源統(tǒng)一折成標(biāo)煤計(jì)算。

根據(jù)氯堿企業(yè)能量流動(dòng)的特點(diǎn)和能量在企業(yè)流動(dòng)過程中的功能，構(gòu)建氯堿企業(yè)能量流分析框架，如圖1所示。氯堿企業(yè)能量流分析框架將整個(gè)企業(yè)分為轉(zhuǎn)換、分配、使用和回收4個(gè)系統(tǒng)，4個(gè)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系已經(jīng)在圖1中給出，整個(gè)分析框架以及4個(gè)系統(tǒng)必須滿足能量守恒定律，能量流分析框架可以分別研究每個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的能量流情況以及整個(gè)企業(yè)能量流情況，以便更好地分析和測算企業(yè)能耗。氯堿企業(yè)能量流分析框架中符號(hào)解釋如表1所示。

圖1 氯堿企業(yè)能量流分析框架

表1 氯堿企業(yè)能量流分析框架符號(hào)解釋

在氯堿企業(yè)能量流分析框架中，能量轉(zhuǎn)換、分配、使用和回收4個(gè)系統(tǒng)的功能以及每個(gè)系統(tǒng)的平衡關(guān)系如表2所示。

根據(jù)氯堿企業(yè)能量流動(dòng)過程中能量守恒及圖1可得:

表2 氯堿企業(yè)能量流分析框架的要點(diǎn)

1.2 氯堿企業(yè)能耗測算

為了進(jìn)行企業(yè)能耗測算，必須根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況收集數(shù)據(jù)，需要細(xì)分每道工序上能量輸入輸出情況。根據(jù)氯堿企業(yè)能量流來源、作用、去向和損失的不同，可將氯堿企業(yè)工序能量流圖劃分為6 股流［10］:上道工序帶入能量流 Gi－1;本道工序帶出能量流Gi;工序投入能量流χα，i;工序損失能量流 χγ，i;回收自利用能量流 χβ，i;回收他用能量流χξ，i。工序能量流圖如圖2所示，它可以將企業(yè)中各股能量流清楚地表示出來，同時(shí)根據(jù)工序能量流可計(jì)算出每道工序的能量消耗。為進(jìn)一步進(jìn)行能耗測算，工序能量流必須結(jié)合企業(yè)能量流分析框架構(gòu)成企業(yè)能量流圖。

圖2 氯堿企業(yè)工序能量流圖

由圖2可知，氯堿企業(yè)能量流輸入輸出平衡可以表示為:

其中，χβ，i既是工序回收能量流又是工序投入能量流。

工序能耗是指本道工序投入的能量(χα，i+χβ，i)減去可以回收的能量(χξ，i+ χβ，i)，從另一方面來說，工序能耗是指本道工序損失的能量(χγ，i)與本工序帶入下道工序能量增量(Gi－Gi－1)之和。根據(jù)圖2可以計(jì)算第i道工序能耗為:

式中:ei為第i道工序能耗;e1i為第i道工序需要投入的能量;e2i為第i道工序可以回收的能量。

當(dāng)各工序的工藝條件確定和工序的產(chǎn)品產(chǎn)量保持不變時(shí)，工序損失能量流最大回收量對單位產(chǎn)品綜合能耗影響的測算可表示為:

式中:ΔEp－e為損失能量流最大回收量引起的單位產(chǎn)品綜合能耗變化量;n為工序數(shù);ΔG1i－1 為上道工序帶入第i道工序的能量變化量，為氯堿企業(yè)工序之間能量傳遞過程中能量流的變化對單位產(chǎn)品能耗的影響;mi為第i道工序生產(chǎn)單位產(chǎn)品所需投入的能源種類數(shù);為工序 i 生產(chǎn)單位產(chǎn)品第j種能源投入量的變化量，為工序投入能量流的變化對單位產(chǎn)品能耗的影響;Δχξ，i為工序i生產(chǎn)單位產(chǎn)品回收他用能量流的變化量，為氯堿生產(chǎn)過程中回收他用能量流的變化對單位產(chǎn)品能耗的影響;pi為第i道工序的產(chǎn)品產(chǎn)量。

通過測算每股損失能量流最大回收量對單位產(chǎn)品綜合能耗的影響，可以找出影響企業(yè)能耗損失的關(guān)鍵因素。

2 應(yīng)用分析

2.1 實(shí)際能量流分析

某氯堿企業(yè)是華北地區(qū)一家上市公司，目前公司年產(chǎn)聚氯乙烯10.5萬噸。針對該企業(yè)電石法生產(chǎn)聚氯乙烯的特點(diǎn)，根據(jù)氯堿企業(yè)能量流分析框架，將企業(yè)能量流劃分為轉(zhuǎn)換、分配、使用和回收4個(gè)系統(tǒng)，如圖3所示，各系統(tǒng)的主要功能如下:①轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，包括煤發(fā)電、制取乙炔工序和給水;②分配系統(tǒng)主要進(jìn)行存儲(chǔ)、分配已經(jīng)轉(zhuǎn)換的能量和回收余能余熱，分配系統(tǒng)中的能量有些可以直接分配給任何工序，有些只能分配給特定的工序，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，筆者將分配系統(tǒng)看作一個(gè)整體，考慮其整體的輸入與輸出;③使用系統(tǒng)主要是利用能量制造產(chǎn)品，該公司的使用系統(tǒng)主要包括原鹽的溶解、電解食鹽水、合成氯化氫(HCI)、合成氯乙烯(VCM)和加聚PVC工序;④回收系統(tǒng)主要回收企業(yè)其他系統(tǒng)產(chǎn)生的余能余熱，將回收的能量部分送回分配系統(tǒng)再根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行重新分配，其中部分能量進(jìn)行了回收自利用，如圖3中的虛線所示。

圖3 某氯堿企業(yè)能量流圖

2.2 能耗指標(biāo)分析

氯堿企業(yè)能耗指標(biāo)主要考察企業(yè)綜合能耗、能源效率和能源環(huán)境效率，能耗指標(biāo)是從整體對企業(yè)投入產(chǎn)出進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)圖3可計(jì)算出某氯堿企業(yè)各系統(tǒng)能量輸入輸出情況，如表3所示。

表3 某氯堿企業(yè)各系統(tǒng)能量輸入輸出表

根據(jù)表3所收集的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析某氯堿企業(yè)的一般能耗指標(biāo)，如表4所示。

該氯堿企業(yè)綜合能耗為1 248.36 kg/t，要降低企業(yè)的綜合能耗必須改進(jìn)工藝，提高能源的轉(zhuǎn)化率，降低每道工序的能耗，減少能源投入量和加強(qiáng)能源的回收利用。影響企業(yè)能源效率及能源環(huán)境效率的因素主要是企業(yè)能量流動(dòng)過程中的余熱余能生成量和回收利用的能量，要提高能源利用效率及能源環(huán)境效率，一方面應(yīng)提高能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和使用系統(tǒng)的技術(shù)水平，降低整個(gè)企業(yè)能量流動(dòng)過程中的余熱余能生成量，另一方面加強(qiáng)回收系統(tǒng)建設(shè)，及時(shí)回收并進(jìn)行有效重新分配，減少能量的損失。

表4 某氯堿企業(yè)一般能耗指標(biāo)

2.3 損失能量流最大回收量對單位產(chǎn)品綜合能耗影響的測算

以回收發(fā)電蒸汽為例，某氯堿企業(yè)投入的能源主要是原煤和外購電，外購電首先需折合成標(biāo)煤計(jì)算，為方便計(jì)算取發(fā)電工序所需投入的能源種類數(shù)mi=1，可以得到發(fā)電蒸汽對單位產(chǎn)品綜合能耗影響，如表5所示。

表5 發(fā)電蒸汽最大回收量對單位產(chǎn)品綜合能耗影響的測算 kg/t

發(fā)電蒸汽最大回收量對綜合能耗的影響可應(yīng)用式(4)計(jì)算出 ΔE發(fā)電蒸汽=115.26 kg/t。同理可以計(jì)算各股損失能量流最大回收量對企業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗影響的能耗測算，如表6所示。

表6 損失能量流對產(chǎn)品能耗影響的測算

從表6可以看出，各股損失能量流最大回收量對單位產(chǎn)品綜合能耗有顯著影響，在生產(chǎn)單位聚氯乙烯過程當(dāng)中，各股損失能量流如果最大限度回收，可節(jié)約能量折合標(biāo)煤435.81 kg/t，這部分可以回收的能量占企業(yè)能量總投入的34.90%，占企業(yè)能量總損失的58.57%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在各股損失能量流回收中，發(fā)電蒸汽、聚合母液和電解廢水這3股流對單位產(chǎn)品綜合能耗的影響較大，可回收的能量占總的可回收能量的56.00%，因此，著重回收這3股流是企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 結(jié)論

根據(jù)氯堿企業(yè)能量在流動(dòng)中功能不同，筆者將氯堿企業(yè)能量流分析框架分為轉(zhuǎn)換、分配、使用和回收4個(gè)系統(tǒng)。結(jié)合工序能量流圖分析，發(fā)現(xiàn)氯堿企業(yè)能耗測算主要受能量傳遞、能量投入和能量回收3個(gè)方面的影響。通過測算各股損失能量流對綜合能耗影響，找出影響企業(yè)能耗的關(guān)鍵因素。結(jié)合某氯堿企業(yè)的能量流圖，對能耗指標(biāo)進(jìn)行分析，進(jìn)一步對影響企業(yè)綜合能耗的各股損失能量流進(jìn)行能耗測算，分析發(fā)現(xiàn)發(fā)電蒸汽、聚合母液和電解廢水是影響該企業(yè)能耗損失的關(guān)鍵因素，為該企業(yè)降低能耗提供了節(jié)能方向和理論依據(jù)。

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