夾點(diǎn)技術(shù)在建筑陶瓷換熱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

宮小龍，王云龍，汪和平，馮 青，湯文菊

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

陶瓷行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，其生產(chǎn)過程長期存在耗能高、能源綜合利用率低等問題。我國建筑衛(wèi)生陶瓷工業(yè)的能源利用率與國外相比差距較大，西方國家的能源利用率一般高達(dá)50%以上，其中，美國達(dá)57%，而我國僅為28-30%[1]。當(dāng)前窯爐多采用加強(qiáng)窯體保溫、降低窯體散熱損失、利用窯爐抽出的熱風(fēng)和排出的熱煙氣來干燥坯件等方法來提高熱效率。但以上方法也只是停留在設(shè)計(jì)理論的表面，若想徹底解決窯爐余熱利用的問題，則必須深入窯爐過程系統(tǒng)體系，而不是單純的考慮余熱回收或是單個(gè)設(shè)備、裝置的節(jié)能。

夾點(diǎn)技術(shù)是英國曼徹斯特大學(xué)提出的換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并逐步發(fā)展成為化工過程能量綜合技術(shù)的方法論[2]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展與完善，夾點(diǎn)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用[3]。國外Ponce-Ortega[4]等對有相變過程的換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，提出了夾點(diǎn)優(yōu)化方法， Alejandro[5]等將夾點(diǎn)技術(shù)與?分析相結(jié)合對電廠進(jìn)行設(shè)計(jì)。國內(nèi)王瑞[6]、何金春[7]、尚建龍[8]、申玲[9]等將夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用到化工領(lǐng)域并取得了顯著成果，冉寧[10]、楊雪嬌[11]通過對電廠換熱優(yōu)化，最終減少了換熱總面積及公用工程的費(fèi)用。另外，在化肥生產(chǎn)[12]、制漿造紙[13]、建材[14]等行業(yè)中的應(yīng)用都取得了不同程度的節(jié)能降耗的效果。

陶瓷生產(chǎn)過程伴隨著大量的冷熱物流的流動，借助夾點(diǎn)技術(shù)建立原有能量換熱網(wǎng)絡(luò)的能量匹配方案，分析其能量利用情況，探索可靠的節(jié)能改造方案，以期增加整個(gè)生產(chǎn)過程的能源利用率。

1 基本概念

1.1 溫-焓圖

工藝流股的熱特性可以用溫-焓圖(T-H 圖)表示，即流股的溫度和焓值的關(guān)系圖，在換熱過程中流股從溫度Ti→To其焓變?yōu)椋?/p>

式中，M為質(zhì)量流率，kg/hr；Cp為熱容，kJ/(kg °C)。

將多股冷、熱流股合并成兩條復(fù)合曲線，一起表示在T-H 圖上并進(jìn)行分析如圖1 所示。溫-焓圖的效果是分別將冷流股和熱流股復(fù)合成兩條曲線，通過平移熱流股曲線從而精確地表示出每一個(gè)溫度區(qū)間的熱容流率的變化，也能夠使其計(jì)算更為精確。

圖1 換熱溫-焓示意圖：(a) 物流復(fù)合溫-焓圖，(b) 夾點(diǎn)形成Fig. 1 Schematic diagram of heat transfer temperature-enthalpy: (a) composite temperature-enthalpy diagram of logistics and (b) pinch formation

1.2 問題表格法

溫-焓圖法的優(yōu)點(diǎn)是相對直觀，但當(dāng)物流較多時(shí)就會不夠準(zhǔn)確，此時(shí)，問題表格法對于較多物流的處理，能夠做到精確計(jì)算。依據(jù)ΔTmin調(diào)整初始溫度和目標(biāo)溫度，建立溫度區(qū)間，要求每個(gè)區(qū)間內(nèi)必須保證冷、熱物流溫差大于或等于ΔTmin。每個(gè)冷、熱物流的起始溫度和目標(biāo)溫度組成的溫度區(qū)間稱作子網(wǎng)絡(luò)，自上而下，按溫位將系統(tǒng)中各物流分為k 個(gè)子網(wǎng)絡(luò)對所有子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行熱量計(jì)算，熱流量為零處就是系統(tǒng)夾點(diǎn)。

式中，kD為第k 個(gè)子網(wǎng)絡(luò)為滿足熱平衡需要增加的外在熱量；Ik為由外界或其它子網(wǎng)絡(luò)供給該子網(wǎng)絡(luò)的熱量；Ok為由第k 個(gè)子網(wǎng)絡(luò)向外界或其它子網(wǎng)絡(luò)排出的熱量。

2 換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)整理

通過對某建筑陶瓷生產(chǎn)廠整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，獲取生產(chǎn)過程相關(guān)冷、熱流股數(shù)據(jù)如表1。

由圖2 可知，當(dāng)取最小換熱溫差為10 ℃時(shí)，均位于整條曲線的拐點(diǎn)位置是較為合理的換熱溫差取值。

基于實(shí)驗(yàn)測量所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)手動輸入到Aspen Tech 旗下能量分析器模塊Aspen Energy Analyzer，此時(shí)，熱夾點(diǎn)溫度為1195 °C；冷夾點(diǎn)溫度為1185 °C，系統(tǒng)中所有熱流、冷流形成復(fù)合曲線如圖3 所示，通過系統(tǒng)自動選取設(shè)置的最小溫差(DTmin)為10 °C(如圖4)。

圖3 由冷熱物流曲線構(gòu)成，其中H complex curve 為熱物流復(fù)合曲線，L complex curve 為冷物流復(fù)合曲線。由于夾點(diǎn)位置位于整個(gè)系統(tǒng)溫度最高的位置，此時(shí)，由換熱網(wǎng)絡(luò)公用工程復(fù)合曲線可知，公用加熱工程僅存在高溫位置。

圖5 顯示現(xiàn)有換熱網(wǎng)絡(luò)中各能量流動情況，這是對已有換熱網(wǎng)絡(luò)情況的說明。首先，從換熱網(wǎng)絡(luò)圖可以得出燒成帶與預(yù)熱帶煙氣對坯體傳熱以及換熱后窯頭煙氣中所含能量。其次，噴霧干燥塔系統(tǒng)，燃料燃燒產(chǎn)生的熱煙氣與配比的空氣經(jīng)過管道進(jìn)入噴霧干燥塔內(nèi)，經(jīng)過與噴淋進(jìn)入的泥漿等換熱后剩余能量。以及冷卻帶產(chǎn)品一部分能量由窯尾的直冷風(fēng)直接與坯體換熱帶走，另一部分換熱給急冷風(fēng)，換熱后的熱煙氣經(jīng)過管道將熱量傳遞給干燥帶坯體進(jìn)一步排除坯體中的水分，除這兩部分以外冷卻帶坯體所提供的能量剩余。

表1 流股參數(shù)Tab.1 Paramett ers of the currennt stocks

圖2 換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)溫差和總費(fèi)用用Fig.2 Tempperature differennce and total cost of the heat exchangeer network

圖3 換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合合曲線Figg.3 Composite curve of the heatt exchanger netwwork

圖4 換熱網(wǎng)絡(luò)絡(luò)夾點(diǎn)溫度及夾夾點(diǎn)溫差Fig.4 Pinn ch temperaturee and pinch temmperature differeence of the heatt transfer netwoork

圖5 已有換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格Fig.5 Previous heat transfer network grid

圖6 換熱網(wǎng)絡(luò)溫差和總費(fèi)用Fig.6 Temperature difference and total cost of heat exchanger network

2.2 節(jié)能優(yōu)化方案分析

通過對陶瓷生產(chǎn)過程已有的能量匹配方案進(jìn)一步分析，選取更為精準(zhǔn)的夾點(diǎn)溫度為5 °C，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過利用能量分析模塊Aspen Energy Analyzer 對物流匹配重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。由圖8可知當(dāng)設(shè)置的最小溫差(DTmin)為5 °C，此時(shí)，熱夾點(diǎn)溫度為1195 °C，而冷夾點(diǎn)溫度為1190 °C；而換熱網(wǎng)絡(luò)溫差和總費(fèi)用曲線如圖6 所示，最小換熱溫差位于曲線較低拐點(diǎn)處。

冷夾點(diǎn)溫度為1190 °C 與冷流股最高溫度相等，此時(shí)輸入進(jìn)的熱流最高溫度正好等于熱夾點(diǎn)溫度。這表明，現(xiàn)在所分析換熱網(wǎng)絡(luò)沒有夾點(diǎn)溫度，閾值問題是夾點(diǎn)問題的一種特殊情況。此時(shí)，換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合曲線如圖7 所示，冷熱物流復(fù)合曲線更加接近，冷物流所需熱量完全由熱流提供，系統(tǒng)無須額外的熱流提供能量。

圖7 換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)合曲線Fig.7 Composite curves of the heat transfer network

經(jīng)過重新設(shè)置最小溫差，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到的結(jié)果如圖9。

由圖9 可以得出，優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際工程是干燥窯出口熱煙氣與進(jìn)入噴霧干燥前的泥漿之間進(jìn)行換熱，利用熱煙氣的能量對泥漿進(jìn)行加熱，使泥漿在進(jìn)入噴霧干燥塔之前預(yù)熱。通過換熱網(wǎng)絡(luò)分析可得，窯尾煙氣所含能量遠(yuǎn)大于干燥窯中坯體所需，因此，將窯尾煙氣與泥漿進(jìn)行換熱，減少了噴霧干燥塔中的熱煙氣需求量，從而達(dá)到節(jié)能目的。

圖8 換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫度及夾點(diǎn)溫差Fig.8 Pinch temperature and pinch temperature difference of the heat transfer network

圖9 優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格圖Fig.9 Composite curve of the heat transfer network after optimization

3 結(jié) 論

(1) 針對某建筑陶瓷廠生產(chǎn)實(shí)際，對已有陶瓷生產(chǎn)過程主要物流換熱網(wǎng)絡(luò)分析，得到了燒成輥道窯燃料燃燒所釋放的能量經(jīng)過與坯體等進(jìn)行熱交換，實(shí)際需要公用工程為6.94×106kJ/h。噴霧干燥塔系統(tǒng)，燃料燃燒產(chǎn)生的熱煙氣與配比的空氣經(jīng)過管道進(jìn)入塔內(nèi)完成混合傳熱，經(jīng)過與噴淋進(jìn)入的泥漿換熱后，實(shí)際需要公用工程為 2.36×106kJ/h 。

(2) 對生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化分析，利用干燥窯尾氣出口熱煙氣對泥漿進(jìn)行加熱，熱煙氣與中轉(zhuǎn)池出口泥漿進(jìn)行換熱，加熱泥漿。根據(jù)能量守恒原理，泥漿預(yù)加熱的能量可合算成能量輸入。利用熱煙氣的能量對泥漿進(jìn)行加熱，使泥漿在進(jìn)入噴霧干燥塔之間預(yù)熱到80 °C，優(yōu)化后可節(jié)約公用工程為 8.27×105kJ/h，每小時(shí)可節(jié)約天然氣量為25.08 m3，節(jié)能效率為3.0%。