陶瓷企業能量流模型及分析方法研究

陶雪飛 尹 久 曹華軍 劉 飛

重慶大學,重慶,400044

陶瓷企業能量流模型及分析方法研究

陶雪飛 尹 久 曹華軍 劉 飛

重慶大學,重慶,400044

基于過程系統“三環節”能量結構模型建立了一種適用于陶瓷企業的能量結構模型,并根據能源消耗分散等特點建立了典型陶瓷企業能量流向圖,以支持陶瓷企業生產過程各環節的能耗狀況分析。研究了陶瓷生產系統能量特性,建立了一種陶瓷企業生產設備的能量利用率綜合分析方法。研究和總結了陶瓷企業節能策略,為節能提供參考。

生產系統;能量流模型;能量利用率;陶瓷企業

0 引言

我國陶瓷企業是技術密集、投資密集、高能耗、高污染、低效率的能源消耗大戶,其中燃料、電力等能源成本占整個陶瓷生產成本的23%～40%,導致產品的單位綜合能耗水平與國外相比存在相當大的差距。發達國家陶瓷企業的能源利用率一般高達50%以上,美國達57%,而我國僅為28%～30%,總體上存在產品檔次低、能耗高、資源消耗大、綜合利用率低、生產效率低等問題[1-2]。目前陶瓷企業使用的燃料(包括重油、水煤氣、柴油、電能等)都對環境有不同程度的污染,此外,在生產過程中還產生了大量的廢水、廢氣、固體廢棄物等,對大氣環境、河流及土壤造成較大的污染,已成為環境保護部門重點治理的對象[3]。為此,建立適合陶瓷企業的能量流模型,并對其進行分析,具有迫切性和重要性。

目前,國內外對企業能量模型已進行了一定的研究。文獻[4]對能源模型的研究現狀進行了綜述;文獻[5]對分布式能源規劃模型的研究現狀進行了綜述;文獻[6]通過對意大利一家瓷磚制造企業的生產工藝進行投入產出分析,建立了企業投入產出模型;文獻[7]提出了鋼鐵生產流程基準物流圖的概念;文獻[8]指出,余熱回收利用環節所在工序產品能耗的改變量是評價熱工裝備完善性和過程系統用能合理性的統一判據;文獻[9]從能量變化的角度分析過程系統;文獻[10]介紹了過程系統能量流結構模型,定量地描述了過程系統能量流在轉換、利用、回收過程中的平衡關系;文獻[11]針對離散制造業能源消耗分散、產品能耗統計困難的問題,建立了能源需求模型、能源采購模型、能源存儲模型等。

上述文獻從不同視角分析了企業的能耗狀況并建立了相關模型,但并未對企業能耗進行從整體到局部的分析,因此無法較好地實現企業的節能工作。本文建立了一種適合于陶瓷企業的能量結構模型,并根據陶瓷企業能源消耗分散等特點建立了典型陶瓷企業能源從需求到分布的流向圖。通過對陶瓷企業能量流模型的分析與研究,有利于改造陶瓷企業等傳統流程性行業,以提高企業社會經濟效益,改善環境質量,進而達到降低其單位綜合能耗的目的。

1 陶瓷企業能量流模型

1.1 能量流模型

圖1 陶瓷企業“三環節”能量結構模型

1.2 陶瓷企業能量系統“三環節”模型分析

根據圖1所示的陶瓷企業能量系統“三環節”物理結構模型,分別給出陶瓷企業能量系統各環節能量效率。

1.2.1 能量轉換與傳輸環節

陶瓷企業消耗的能源主要是煤、液化石油、重油、水煤氣、電等,主要用于生產設備(窯爐、雷蒙機、攪拌機、噴霧塔、壓濾機、真空練泥機、旋坯機等)、全廠空調、照明設備等。此環節是將這些一次或二次能源及含能工質通過轉換或傳輸環節傳送到工藝系統中。如煤氣發生站將原煤轉換為煤氣供窯爐使用,重油用于噴霧塔和窯爐,電能通過配電站輸送到各車間層等。其能量轉換效率可用下式表示:

式中,ηU為轉換環節的能量轉換效率;EP為進入轉換環節的能源總量,J;EW為轉換環節直接損失的能量,J;EU為從轉換環節送入利用環節的有效能,J;ED為從轉換環節送入回收環節的驅動能,J;EB為從轉換環節送入系統外的能量,J。

由此可見,陶瓷企業能量轉換與傳輸環節消耗的能量在整個過程系統消耗的能量中占有一定的比例,提高此環節的能量利用水平即可間接增加供入能量利用環節的工藝總用能,因此轉換效率ηU的大小影響系統的能耗。

1.2.2 能量利用環節

能量利用環節(主要生產系統,輔助生產系統,附屬生產系統)是陶瓷企業的核心環節,主要由原料處理、攪拌、脫水、成形、修坯、燒成等工藝單元組成。工藝過程的總用能 E N(E N=E U+E R=E T+E O)和工藝總能耗(用于工藝系統中各操作單元的能量消耗)E T的大小反映了能量利用環節的用能水平。此環節能源效率可用下式表示:

由表5說明，土樣1土壤中添加2%骨炭(A)化學修復劑時土壤中的重金屬鋅、鉛、鉻、銅、砷、鎘含量均有所下降，其中在種有馬鈴薯的土壤區域主要污染物鋅含量下降幅度最大，下降值為90.1mg/L。在種有油菜和馬鈴薯的土壤區域主要污染物砷含量下降幅度最大，最大值為1.0mg/L。

式中,ηT為能量利用環節的能量使用效率。

此環節用能水平的高低是陶瓷企業節能的關鍵,提高利用環節的能量使用效率既可降低產品的生產成本,又可提高企業的市場競爭力。因此,要從技術、工藝與管理三方面入手,提出降低能耗的策略。

1.2.3 能量回收環節

能量回收環節要盡可能多地回收循環能E R和輸出能EE,能量回收率ηR可用下式表示:

式中,ER為回收環節回收的循環能量,J;EE為回收環節的回收輸出能,J;EO為進入回收環節的待回收能量,J。

能量的回收利用越來越受到陶瓷企業的重視,特別是余熱的回收方面,由于窯爐所產生的煙氣帶走的熱量占相當大的比重,因此加強此環節的技術節能,降低排煙熱的損失是窯爐節能的主要途徑。

由式(1)～式(3)和圖1所示的陶瓷企業能量系統“三環節”物理結構模型可以看出,能量利用環節是決定整個陶瓷企業能耗大小的關鍵環節。從系統工程的角度看,各環節需要綜合考慮,首先優化能量利用環節,再根據此環節優化其他兩個環節,通過幾輪迭代優化能夠使系統全局趨優。

2 能量流分析

“三環節”能量結構模型是從系統角度出發,綜合考慮能量的轉換與傳輸、能量的利用、能量的回收而得出的模型,而要真正實現上述模型的運用還必須了解陶瓷企業能源需求、采購、使用、分配等過程,這是加強能源管理、提高能量利用水平、降低能源消耗的基礎工作。然后根據企業能源的來龍去脈,綜合測試數據和統計數據,計算出企業及企業內各單位、各設備能耗,以反映出陶瓷企業的能量水平,再制定出節能整改措施,挖掘節能潛力。

2.1 能量需求—分布流向圖

根據客戶的產品定制,企業根據經營目標制定主生產計劃,圍繞能源轉化制定能源需求計劃,確定能源的采購情況,然后將采購的能量分配于各車間的整個過程。結合IDEF1X(ICAM DEFinition method)建模思想[15],可得到一般陶瓷企業能源從需求到分布的流向圖,見圖2。由于動力轉換車間及生產部門中能源消耗占98%以上,而非工業生產部門耗能很少,故節能主要集中在動力車間、原料車間及燒制車間,文獻[16]給出了這三個車間的主要耗能種類及各能源的耗能量,如表1所示。

圖2 典型陶瓷企業能量需求—分布流向圖

以此為基礎,陶瓷企業可計算出企業綜合能耗以及可比能耗,根據這些技術指標,可全面衡量企業的能源利用水平和管理水平,并為制定節能技術措施提供科學依據。因此,可以“三環節”物理結構模型及陶瓷企業能源需求—分布流向圖為基礎,對陶瓷企業的能耗狀況進行分析研究,提出改進措施,以實現企業能源利用的優化。

表1 各車間的主要耗能種類及各能源的耗能量 噸標煤

2.2 設備能效分析

由上所述,陶瓷企業的能源消耗主要集中在生產設備加工過程和燒成過程。燒成過程的能耗主要體現于窯爐的能耗,其能耗在相關文獻已有說明,本文主要討論生產設備的能耗狀況。來自機械加工系統外部的能量(一般為電能)經過電磁耦合轉化為機械能,一部分用以維持系統中的各種運動,另一部分主要表現為電動機運行過程中的能量損耗、機械設備運動件摩擦損耗、振動、噪聲等。由此可見,提高陶瓷企業生產設備能量利用率有利于機械加工系統的節能,提高企業的經濟效益。文獻[17]給出了機械加工設備的能量平衡方程式,基于該穩態能量平衡方程式得出了單設備的能量利用率,并分析了其耗能情況,提出了相應的節能措施。其中載荷系數αi對不同的機械加工設備是不同的,而且對同一臺設備的不同轉速擋,系數αi也是不同的,但當設備處于比較平衡的狀態時,αi在一定程度上近似為一個常數。機械設備的輸入功率和空載功率可由功率表測出。αi可根據各設備的具體情況取值。由于陶瓷生產過程的能量效率是一個變量,因此為了用一個參數描述整個加工過程的能量利用狀況,引入了加工過程能量利用率U的概念。單臺設備能量利用率為

3 節能措施

根據上述討論,轉換環節在整個過程系統中消耗的能量占有一定的比例,原料加工車間和燒制車間是陶瓷企業主要耗能部門,以技術節能和管理節能為分析手段,分別對這三個環節進行論述,提出改進型的節能措施,為全面衡量企業的能源利用水平和管理水平提供參考。

3.1 能源轉換與傳輸環節的節能

在能源轉換與傳輸環節,由于動力車間的主要耗能資源為煤,因此,選用均勻性好、機械強度較高、黏結指數合理、加入有催化作用的堿金屬和堿土金屬的煤有利于提高氣化和利用率。煤氣發生爐選擇的好壞對提高煤的質量、降低能源消耗、減少污物排放、增加產品的市場競爭力有重要影響,如企業可選用兩段式發生爐。在配電站車間,可采用節能低耗、符合環保要求的配電網;推廣使用低損耗的變壓器。此外,提高員工的節能意識,完善相關配套機制,加強設備維修調試、維修保養對此環節的節能也有積極作用。

3.2 利用環節的節能

在利用環節中,各耗能設備的用能工況直接反映出企業的用能水平。如前所述,電能在原料車間占有一定的比例,因此,本節主要從電機系統節能、縮短機動時間和輔助時間等方面分別進行論述。

3.2.1 電機系統節能

電機的選取應先根據理論或經驗公式計算出各設備的需求功率,然后選出適合該功率的電動機。否則,電機會因功率選擇過大或過小而出現“大馬拉小車”浪費電能或電機因過載而發熱甚至出現故障的情況。由于變頻調速技術可使電機與負載相匹配,有效降低電機能耗,而且可提高設備自動化水平和延長設備壽命,故設備在啟動階段,可采用變頻器控制系統啟動,降低啟動電流;而在非工作階段,也可利用控制系統調節電機轉速,達到節能效果。

3.2.2 縮短機動時間和輔助時間

設備在機動時間內的電能消耗由三部分組成,即設備及電動機的空載損耗、負載損耗和用于有效工作的消耗。可通過改變產品的加工工藝過程、提高設備的主軸轉速等措施來縮短設備的機動時間。在輔助時間內,可通過優化縮短設備的空載工作時間來節約電能。

3.3 回收環節的節能

回收環節的節能措施主要有窯爐生產優化及余熱回收利用。特別是余熱回收方面,由于窯爐所產生的煙氣帶走的熱量點其總熱量的45%左右,因此降低排煙熱量的損失是窯爐節能的主要途徑。例如可采用如下措施:利用煙氣余熱發電;外排煙氣引至噴霧干燥塔作為助燃風使用;通過換熱器將煙氣余熱回用于干燥、烘干制品和生產的其他環節。這樣既減少了能源的消耗,又提高了余熱的利用率。

3.4 管理節能

前面主要從技術節能方面進行論述,在企業中還需加強管理節能,以達到間接或直接的節能效果。

陶瓷企業的節能是一項復雜的工作,企業消耗能源種類繁多,能源的生產和利用包括多個環節,而且企業節能是一項多目標多約束的任務,涉及經濟、環境和社會等各方面的因素,所以為了有效地實現節能的目標,需要進行節能管理,包括企業能量平衡、能源計量、能源統計、能耗定額管理、能源規劃、節能評估,以及完善相關配套機制、加強設備維修調試、維修保養等。節能管理的各項職能工作之間存在有機的聯系,只有把各項管理工作全面加強才能取得良好的綜合效果。此外,節能管理問題涉及企業的各個領域,必須和企業所屬的各部門、企業的發展速度、政府的價格政策、環境保護、生態平衡等聯系在一起,綜合地加以考慮,從系統角度對能源消耗進行合理分析及優化。因此,建立陶瓷企業的能量結構模型和流向圖是詳細了解企業目前的能源消耗狀況、預測未來的能源需求的基礎工作。

4 結語

針對陶瓷企業高能耗、高污染、低效率、節能環節薄弱等特點,建立了一種適應于陶瓷企業的“三環節”能量結構模型及流向圖,以用于詳細了解企業的能耗狀況并對其進行分析研究。研究總結了陶瓷企業的節能策略,分別從三個環節加以論述,以技術節能與管理節能為分析手段,從系統的角度對能源消耗進行分析及優化,為企業的節能指明方向,以提高企業的經濟社會效益。

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Energy Flow Model and AnalysisMethod for Ceram ic Enterprises

Tao Xuefei Yin Jiu Cao H uajun Liu Fei
Chongqing University,Chongqing,400044

A three-link energy structuralmodel for ceram icmanufacturing system swas constructed to describe theenergy consump tion p rocesses.To illustrate the dispersion characteristics of energy consump tion in ceramic enterp rises,the energy flow diagram was d rawn based on the analysis of energy consump tion of each production process.An analysis model of energy utilization for the ceramic production equipment was proposed for the energy consum ption assessm ent.Finally,the energysaving strategies for ceramic enterprises were studied and summarized by the app lications of above modelsand methods.

production system;energy flow model;energy efficiency;ceramic enterprise

TQ174

1004—132X(2011)11—1318—05

2010—10—09

國家自然科學基金資助項目(51075415);重慶市自然科學基金資助項目(2010BB0055)

(編輯 蘇衛國)

陶雪飛,男,1973年生。重慶大學制造工程研究所博士研究生。主要研究方向為管理科學與工程。尹 久,男,1985年生。重慶大學制造工程研究所碩士研究生。曹華軍,男,1978年生。重慶大學機械工程學院教授、博士研究生導師。劉 飛,男,1948年生。重慶大學制造工程研究所所長、教授、博士研究生導師。