電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的火用平衡分析方法探討

王甲駿，王亞慧

(1.機(jī)械工業(yè)技術(shù)發(fā)展基金委員會(huì)能效評(píng)估部，北京 100053；2.北京建筑大學(xué)電信學(xué)院，北京 100044)

1 電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

針對(duì)電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中電力能源的巨大消耗，被棄風(fēng)光電能應(yīng)用于電解鋁及電解水就是一個(gè)合理的選擇。電解鋁生成金屬鋁及二氧化碳廢氣，電解水形成氫氣和氧氣產(chǎn)品；其中電解鋁的二氧化碳廢氣與電解水形成的氫氣結(jié)合，可以生成具有成熟儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)的甲烷產(chǎn)品，甲烷可以與氧反應(yīng)產(chǎn)生能量和生成水。在這樣的多中間產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，所有的參與物料構(gòu)成互為原料-產(chǎn)品的閉環(huán)系統(tǒng)，電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。從理論上講，該系統(tǒng)應(yīng)該無(wú)任何無(wú)用廢棄的物質(zhì)產(chǎn)生，能夠達(dá)到能源和資源的充分利用。難以并入大電網(wǎng)的被棄風(fēng)光電能應(yīng)用于高耗能的電解鋁生產(chǎn)，避免了能源浪費(fèi)，使不穩(wěn)定的清潔能源有了用武之地；電解鋁產(chǎn)生的二氧化碳廢氣得到了科學(xué)合理的利用，水進(jìn)行了循環(huán)利用，這樣既避免高污染，又節(jié)約水資源，有望實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放[5-6]。

2 電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)火用分析

由圖1可知，電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程為：由風(fēng)/光電供能電解鋁和電解水，生成金屬鋁和氧氣產(chǎn)品，二氧化碳與氫氣進(jìn)一步合成甲烷和水，甲烷可作為燃?xì)猱a(chǎn)品，也可循環(huán)用于輸入能源，水循環(huán)利用。

圖1 電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

在系統(tǒng)中供能子系統(tǒng)為：風(fēng)/光電Pw及生成的甲烷燃?xì)釶g供能；耗能子系統(tǒng)為：電解鋁PA、電解水PH1、生成甲烷PC、回收水PH2等。系統(tǒng)能量Pw+Pg=PA+PH1+PC+PH2為輸入與輸出平衡，系統(tǒng)能量利用達(dá)到最佳理想狀態(tài)。在滿足生產(chǎn)條件下消耗電能越少，表明能量利用的“數(shù)量”越優(yōu)；而消耗的能量中包含有效耗能和無(wú)效耗能，有效的耗能所占比例越高，能量利用的“品質(zhì)”越高?；跓崃W(xué)理論，反映能量利用“數(shù)量”和“品質(zhì)”的綜合意義為“火用”概念。采用火用分析是從“量”和“質(zhì)”角度對(duì)能源有效數(shù)量及品質(zhì)的全面特性的綜合分析，火用分析E主要包括火用類(lèi)型、火用破壞及火用平衡?；鹩妙?lèi)型：物理火用Eph和化學(xué)火用Ech。物理火用包括機(jī)械火用Em與熱源火用Et，物理火用的表達(dá)式如下：Eph=Et+Em?；瘜W(xué)火用Ech，化學(xué)反應(yīng)做的最大功?；鹩闷茐闹改芰肯闹袚p失的無(wú)效能量，以火用損失Ed反映火用的利用程度，即Ed=Ef-Ep，其中Ep為輸出火用，Ed為損失火用，Ef為輸入火用?；鹩闷胶庵赶到y(tǒng)為Ef輸入火用與Ep輸出火用的平衡，為零火用損Ed=0的理想狀態(tài)。分析的目標(biāo)是采取措施，盡量減少火用損，使系統(tǒng)接近平衡狀態(tài)?；鹩脫p失是火用分析的一個(gè)重要參量，通常用于能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能量利用品質(zhì)的評(píng)價(jià)，用火用損率π和火用損系數(shù)λ定量表征，π=Ed/Eds,λ=Ed/Efs,Eds為系統(tǒng)總火用損失，Efs為系統(tǒng)總輸入火用，反映火用損失所占比例；火用效率η=Ep/Ef, 輸出火用與輸入火用占比，反映系統(tǒng)的火用使用情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能量利用品質(zhì)的評(píng)價(jià)。

電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是由多個(gè)供能和耗能子系統(tǒng)組成，通過(guò)火用損失反映各子系統(tǒng)火用的利用程度，子系統(tǒng)k的火用損定義為Edk=Efk-Epk；Edk=(1-εk)Efk；火用損率μ和火用損系數(shù)λ，μ=Edk/Eds,λ=Edk/Efs，火用效率ηk=Epk/Efk。電解鋁是能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的主要耗能子系統(tǒng)，電解鋁子系統(tǒng)Al的火用分析EAl對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能量利用品質(zhì)的評(píng)價(jià)非常重要，找出電解鋁子系統(tǒng)的火用損EdAl[a，b，……]影響因素，建立系統(tǒng)能量火用平衡方程：

(1)

探究其中的火用損控制及減少措施，為電解鋁工業(yè)節(jié)能減排奠定基礎(chǔ)。然而電解鋁生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性使得其能量火用分析有一定的難度，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中的電力消耗是波動(dòng)不穩(wěn)定的。例如：設(shè)備啟動(dòng)、運(yùn)行及關(guān)停等時(shí)間t階段耗電量不同，即使同一階段的耗電能量也會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，系統(tǒng)能量始終處于不穩(wěn)定、不平衡狀態(tài)。電解鋁子系統(tǒng)耗能“量”與“質(zhì)”的波動(dòng)性，導(dǎo)致能源互聯(lián)網(wǎng)的火用值呈動(dòng)態(tài)變化特性。為了使系統(tǒng)能量利用程度達(dá)到最高，基于火用分析理論，研究電解鋁子系統(tǒng)能量火用值及火用損隨時(shí)間t的變化規(guī)律，建立其能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)火用平衡模型；進(jìn)而通過(guò)對(duì)系統(tǒng)能量利用品質(zhì)進(jìn)行全面深入科學(xué)的評(píng)價(jià)，為能源量與質(zhì)更合理運(yùn)用提供了基礎(chǔ)。

(2)

通過(guò)火用損分析，明確系統(tǒng)不可逆的能量利用情況，以此找出系統(tǒng)中每個(gè)子系統(tǒng)所存在火用破壞；通過(guò)火用分析確定導(dǎo)致系統(tǒng)火用平衡破壞的最大原因，從而對(duì)癥下藥對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；通過(guò)減少系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的火用破壞，進(jìn)而提升整個(gè)系統(tǒng)能量效率。

3 電解鋁能源網(wǎng)系統(tǒng)火用分析方法

電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括電解鋁、電解水、循環(huán)水和甲烷化反應(yīng)四個(gè)子系統(tǒng)。電解鋁：以氧化鋁為溶質(zhì)、熔融冰晶石為溶劑；碳素體為陽(yáng)極，鋁液為陰極，其化學(xué)方程為：2Al2O3+3C→4Al+3CO2↑。陽(yáng)極：2O2ˉ+C-4eˉ=CO2↑，陰極：Al3++3eˉ=Al[20]；在溫度為950～970℃下，在電解槽內(nèi)的兩極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)得到金屬鋁產(chǎn)品和排除的CO2氣體。電解水：采用高溫固體氧化物法，在800～950 ℃下電解水制取高純度氧氣O2產(chǎn)品和H2氫氣, 熱化學(xué)方程式：

2H2O(g)=2H2(g)+O2(g)

ΔHH2Og=208.6 kJ/mol

(3)

甲烷化：進(jìn)一步由電解鋁排出的CO2氣體和電解水生成的H2在Ni催化劑作用下進(jìn)行甲烷化放熱反應(yīng)：

CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)ΔHMethanation=-165 kJ/mol

(4)

生成的反應(yīng)產(chǎn)物H2O回收循環(huán)利用，CH4天然氣繼續(xù)與電解水生成的氧氣燃燒產(chǎn)生電能[7-11]。

電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中電解鋁、電解水、生產(chǎn)甲烷和循環(huán)水4個(gè)耗能子系統(tǒng)，分為氫氣、氧氣、二氧化碳及甲烷氣體的物理變化過(guò)程，為物理火用(Eph=EH2+EO2+ECO2)；電解鋁、電解水和生成甲烷的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，為化學(xué)火用(Ech=EAl+EH2O+ECH4)，系統(tǒng)有電能Ee、熱能Et、化學(xué)能Ech及物理能Eph的相互轉(zhuǎn)換。

基于上述分析建立火用分析函數(shù)關(guān)系：

(5)

Ef(t)=Ee

Ep(t)=Eph+Ech=EO2+EAl+ECH4

(6)

η=Ep/Ef。

(7)

上式中，Ee為風(fēng)/光電能。系統(tǒng)理想狀態(tài)為輸入火用接近輸出火用Ef(t)→Ep(t)，達(dá)到火用平衡狀態(tài)，火用損失接近零或最小，系統(tǒng)做最大有用功，具有最高的火用值效率η[11]。

然而，電解鋁實(shí)際生產(chǎn)中能量火用損失是不可避免的，所能夠做到的就是盡量減少火用損失，使系統(tǒng)接近平衡狀態(tài)。電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能量火用損失，包含電解鋁子系統(tǒng)火用損、電解水子系統(tǒng)火用損、甲烷化子系統(tǒng)火用損及水循環(huán)子系統(tǒng)火用損。以電解鋁子系統(tǒng)的火用損失作為主要研究?jī)?nèi)容，采用“火用分割”分析方法研究能量轉(zhuǎn)換的火用破壞，并將其分割成內(nèi)源性、外源性和可避免的、不可避免的火用損失[12-15]。在其設(shè)備上布置相應(yīng)傳感器以獲得能量信息場(chǎng)，進(jìn)行火用值變化監(jiān)控分析，獲得火用值變化規(guī)律，進(jìn)一步分析和探討電解鋁子系統(tǒng)的火用破壞來(lái)源和如何降低火用破壞措施。

通過(guò)分析電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括啟動(dòng)過(guò)程電流分布的均勻性、運(yùn)行過(guò)程的物理場(chǎng)(電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng))的穩(wěn)定性和關(guān)停過(guò)程的溫度慣性等因素[5]，建立其生產(chǎn)過(guò)程火用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，探討電解鋁生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對(duì)能量火用損的影響。通過(guò)火用損的分析，確定各子系統(tǒng)的能耗，找出最大能耗因素，從而提出電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中科學(xué)合理節(jié)能措施。

4 電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)火用效率與經(jīng)濟(jì)雙目標(biāo)優(yōu)化分析

能源系統(tǒng)中，最優(yōu)目標(biāo)是能源利用效率高和經(jīng)濟(jì)性好。在電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中保持高能源利用率的同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)性。在原材料及耗能一定的情況下，盡可能提高能源效率，增大能源系統(tǒng)的利潤(rùn)。然而，能源系統(tǒng)中效率與經(jīng)濟(jì)學(xué)指標(biāo)通常不是一個(gè)恒定的正相關(guān)關(guān)系，如何保持兩者的平衡，達(dá)到共同最優(yōu)是研究的目的。

系統(tǒng)火用經(jīng)濟(jì)包含總成本、總產(chǎn)值和總利潤(rùn)三個(gè)部分。

總成本：ψInput=ψE+ψΝ

依據(jù)所消耗能量的種類(lèi)分成能量費(fèi)用ψE與非能量費(fèi)用ψΝ。例如：購(gòu)買(mǎi)原材料鋁礦石等費(fèi)用，購(gòu)置電解鋁等設(shè)備費(fèi)用，維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行的必要費(fèi)用，人員工資等費(fèi)用，為非能量費(fèi)用；使用電能量及消耗燃料費(fèi)用是能量費(fèi)用。

總產(chǎn)值：ΨIncome

總利潤(rùn)：ΨProfit=ΨIncome-ΨInput

采用凈現(xiàn)值法，以總產(chǎn)值占總成本的比例，即火用經(jīng)濟(jì)性ε=ψIncome/ψInput作為系統(tǒng)能源經(jīng)濟(jì)性表征，進(jìn)行電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)火用效率與火用經(jīng)濟(jì)雙目標(biāo)優(yōu)化分析。

為了簡(jiǎn)化分析及快速獲得最優(yōu)值，將電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)效率與經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)值求解問(wèn)題視為整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題，建立目標(biāo)和約束條件的線性函數(shù)方程，進(jìn)行能源火用效率η與火用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)值求解。

電解鋁火用效率與火用經(jīng)濟(jì)雙目標(biāo)Y方程：

Y=ωη+(1-ω)ε

(8)

加入權(quán)重ω(0≤ω≤1)，調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)、效率的權(quán)重比例，可對(duì)ω為0.1、ω為0.5、ω為0.9分別進(jìn)行最優(yōu)值求解。通過(guò)電解鋁火用效率與火用經(jīng)濟(jì)雙目標(biāo)Y方程，系統(tǒng)效率與火用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)值求解示意圖如圖2所示，獲得滿足目標(biāo)的最佳參量設(shè)置。通過(guò)快速求得最優(yōu)值，有效地控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和效率之間的科學(xué)平衡，為有效提高能源轉(zhuǎn)換效率、降低成本提出了一種可行的解決方案。

圖2 系統(tǒng)火用效率與火用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)值求解示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

采用表征能量“質(zhì)”與“量”綜合特性的火用分析方法，研究高耗能和重污染的電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中優(yōu)化工藝及節(jié)能減排的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題，初步構(gòu)建了低排放和低耗能的電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，以此達(dá)到能源和資源的充分利用，有望實(shí)現(xiàn)二氧化碳的零排放。這對(duì)于履行我國(guó)國(guó)際承諾，實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)標(biāo)的發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。通過(guò)研究獲得以下結(jié)果：

1)通過(guò)電解鋁能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)火用理論分析及方法研究，提出了通過(guò)火用分析確定導(dǎo)致系統(tǒng)火用平衡破壞的最主要原因，從而對(duì)癥下藥對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；通過(guò)減少系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的火用破壞(火用損)，進(jìn)而提升整個(gè)系統(tǒng)能量效率。進(jìn)一步分析和探討電解鋁子系統(tǒng)的火用破壞(火用損)來(lái)源和如何降低火用破壞(火用損)措施。

2)通過(guò)分析電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括啟動(dòng)過(guò)程電流分布的均勻性、運(yùn)行過(guò)程的物理場(chǎng)(電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng))的穩(wěn)定性和關(guān)停過(guò)程的溫度慣性等因素，建立其生產(chǎn)過(guò)程火用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，探討電解鋁生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對(duì)其能量火用損的影響規(guī)律，通過(guò)火用損的分析，確定最大耗能因素，從而找出電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中科學(xué)合理的節(jié)能措施。

3)建立目標(biāo)和約束條件的線性函數(shù)方程，進(jìn)行能源火用效率與火用經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)值求解，加入權(quán)重ω(0≤ω≤1)，調(diào)節(jié)經(jīng)濟(jì)和效率的權(quán)重比例。通過(guò)電解鋁系統(tǒng)火用效率與火用經(jīng)濟(jì)雙目標(biāo)Y方程，確定系統(tǒng)參量對(duì)經(jīng)濟(jì)性和效率的影響規(guī)律，獲得滿足目標(biāo)的最佳參量設(shè)置，有效地控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和效率之間的平衡，為有效提高能源轉(zhuǎn)換效率和降低成本提出一種可行的解決方案。