基于夾點技術考慮碳排放的膠合板生產換熱網絡優化

關鍵詞：夾點技術；膠合板；換熱網絡優化；碳排放；能源中圖分類號： （204號 文獻標識碼：A DOI： 10.7525/j.issn.1006-8023.2025.03.011

Abstract： The productionof plywood consumes alarge amount of energy.Inorder to improve economic eficiency，support carbon peak and carbon neutrality goals，it is necessary to improve energy eficiencyand reduce energy consumption.This articletook 5heat exchange logistics intheproduction processof plywoodas theresearch object，used pinch point technology to analyze the heat exchange network under existing production conditions，and proposed optimization and improvement plans.Aspen Plus was applied to establish a heat exchange network in the plywood production process，calculate the stream flowrateand physical propertydataof each side line，dividethe temperaturerange，determinethe minimum heat transfer temperature diffrence，and calculate the pinch pointtemperature.The traditional pinch point method determined the minimum heat transfer temperature difference to be 9 ． After considering carbon emissions，the minimum heat transfer temperature difference was adjusted to 7 ，and the average pinch point temperature was 1 1 6 . 5 C . The pinch point temperature was used to analyze and diagnose the phenomenon of crossing pinch points in the heat exchange network，accuratelylocated the botleneck position of the heat exchange network，adjusted theimproperlyconfiguredcoldandhotstream heat exchangers，andachievedthegoalofoptimizing the entire heat exchange network.Afteroptimization，the usage of cold and hotutilities inthe system decreased by 862 465.0kWand 202 642.O kW respectively，significantly reducing the energy consumption of the equipment.

Keywords：Pinch point technology；plywood；optimization of heat exchange network；carbon emissons；energy

0 引言

膠合板生產消耗大量能源。目前，膠合板生產工藝包括預壓、熱壓和干燥等工序，其熱壓周期長、生產效率低、能耗大。為響應國家實施的\"雙碳”目標，推動碳達峰”與“碳中和”目標的實現，不僅要致力于能源結構的轉型，還需對現有裝置實施能源節約的改進措施。許多學者對膠合板節能技術進行了研究，并引入了大量設備來提高能源效率、降低能耗。何志興等[1]提出了鍋爐煙氣余熱利用方案，將蒸汽鍋爐的煙氣引入干燥窯對木材進行干燥，每年通過回收利用的鍋爐煙氣余熱折合標煤達 胡濱鎧等2研發了一種蒸汽回收系統，該系統能夠回收單板干燥中所產生的大量二次蒸汽，并將其用作鍋爐的補給水進行循環利用。這一創新舉措預計可以節約大約 3 0 % 的燃料消耗、水資源以及水處理成本。 G a o 等[3]綜述了目前木材干燥工藝和最先進的熱泵木材干燥技術，包括熱泵循環選擇、能量回收、制冷劑選擇和可再生能源集成等，提高木材干燥系統的效率。由于工藝限制，這些方法集中于對單個過程的節能研究，專注于鍋爐節能改造、煙氣余熱利用改造以及循環水回收利用改造，沒有考慮換熱網絡系統研究方法。

換熱網絡是生產過程中實現能量循環再利用的關鍵手段之一。通過合理設計并有效利用換熱網絡，可以顯著降低生產過程中的能源消耗，進而減少生產成本[3]。換熱網絡的設計方法包括數學規劃法和夾點技術法。目前，數學規劃法主要被運用于基礎性的研究，實際應用無法完全取代簡單高效和物理含義清晰的夾點技術法[5]。

20世紀70年代末，Linnhoff等6提出的夾點技術開始嶄露頭角，并在過程工業的節能工作中扮演了至關重要的角色。這項技術基于熱力學原理，是一種旨在最大限度回收熱量的換熱網絡設計方法[7]。夾點技術通過有效減少公用工程的使用量，目前已在多個領域得到廣泛應用[8-9]，成為節能應用領域的一種系統性方法。Kim等[1]基于夾點分析對已開發的水暖水冷系統的換熱器網絡進行了改進，以最大限度地提高余熱回收效率，能耗總費用減少了 2 8 . 6 % 。陳飛等[]運用了夾點技術來分析并優化某煉油廠常減壓裝置在現有生產條件下的換熱網絡，提出了改進方案，實施后冷、熱公用工程的消耗量都減少了，削減了裝置的運行成本。鄭鑫等[12]針對乙烯裂解工藝中的6股依賴公用工程進行換熱的物流，遵循夾點技術的設計原理和物流匹配標準，設計出了能量效率最高的換熱網絡結構，使年度總費用下降了 4 2 . 0 8 % 。Mohsenpour等[13]在塑料工業中采用夾點技術進行一個換熱網絡優化設計，利用蒸汽發生器回收反應釜余熱產生蒸汽，而是導入到熱回收蒸汽發生器中產生蒸汽，每年可節約大約54621歐元的制冷成本。 Y u a n 等[14]探討了電力系統中夾點分析技術的未來發展方向，為電力系統中的負荷平衡分析問題提供新視角。

上述文獻充分證明了夾點技術在各行業優化換熱網絡以降低能耗方面的卓越表現。本研究則運用夾點技術，針對膠合板當前生產條件下的換熱網絡進行深入分析，并提出針對性的優化與改進方案。應用化工流程系統模擬軟件Aspenplus建立了膠合板生產流程模型及相應的換熱網絡，得到各工序流股流量和物性數據；調整最小溫差，確定最佳夾點溫度，降低生產總能耗，為膠合板行業利用夾點技術進行生產換熱網絡優化研究提供理論依據。

現有換熱網絡分析

本研究以韶關市一家膠合板公司的生產設備為依托，該公司膠合板生產過程中干燥、熱壓、調膠和制膠等所用蒸汽均來自蒸汽鍋爐，燃料為木材加廢料，額定蒸發量為 6 t / h ，其提供給膠合板生產的蒸汽溫度為 。

膠合板生產工序過程如圖1所示，主要分為以下4個部分。

1）芯板加工工序：干燥板材截斷后進行雙面刨光，然后被分割成一定寬度的板條，各種不同長度的小板條經過開齒，涂膠后，用拼板機拼成一定寬度的細木工芯板，二次干燥后送至合板工序連續組壞線進行組坯。

2）中板加工工序：原木截斷后先進行軟化處理，再經過旋切機進行旋切，最后送干燥機進行干燥，干燥后的單板進行修補、拼縫、整理后，按其工藝要求進行涂膠、組坯。

3）表背板加工：外購客戶要求樹種的表背板。

4）合板加工工序：將加工好的表板、背板、中板、芯板運至合板車間組成5（表板一中板一芯板一中板一背板）層結構的板壞，先預壓后送入熱壓機進行熱壓成板，將壓制好的毛邊膠合板鋸成規格板，砂光后入庫。

具體工序熱能分布情況如圖2所示，由圖2可以發現，每個工序能耗都較大，其中干燥是能耗最大的工序。

1.1 換熱物流數據處理

通過對工廠實際生產狀況進行全面分析，并結合其生產數據資料，膠合板生產車間年用蒸汽量為

40934.2t，膠合板合格產量為 ，即每生產 合格膠合板需要消耗蒸汽1.3t，將這一數據與國家標準中膠合板單位產量的基本能耗分級指標進行對比后，發現該企業的膠合板單位產品能耗偏高，存在著較大的節能與優化潛力。膠合板生產換熱網絡模擬過程如圖3所示（B1一B16對應膠合板生產中主要用能工序；紅線代表溫度較高，藍線代表溫度較低），換熱網絡設計選取熱壓工段及一、二次干燥的3股熱物流（H1、H2、H3）和2股冷物流（C1和C2，C2是公用工程換熱），提取生產過程中換熱相關參數（初始溫度、終止溫度和流量等），見表1。

1. 2 換熱網絡設計方法

換熱網絡設計的關鍵是利用溫焓圖解法或者問題表法確定夾點，即熱復合曲線與冷復合曲線間溫差達到最小的點，如圖4所示。溫焓圖解法是通過調整曲線的位置來確定夾點的位置。在本次換熱網絡設計中，由于涉及多股物流的復雜情況，單純通過溫焓圖平移曲線所得出的夾點結果并不精確。因此，采用問題表法來計算膠合板生產換熱系統的夾點，還能夠更為準確地確定冷、熱公用工程的用量。

應用問題表法計算夾點，首先要確定換熱系統的最小傳熱溫差（ ），依據以往生產實踐積累經驗與當前工藝物流所具備的特殊性，最小傳熱溫差（ ）選取 逐一進行計算。下面以最小傳熱溫差 為例，詳細闡述問題表法的計算步驟。首先熱物流的起始溫度和終止溫度分別減去 ，將結果與冷物流的起始溫度和終止溫度一起排序，得到溫度區間（SN）圖（圖5）以及問題表（表2），其中， 代表第 k 個溫度區間的凈熱量； 代表該溫區的輸入熱量； 代表該溫區的輸出熱量。

查閱膠合板生產數據，經計算可知，原換熱系統實際消耗冷、熱公用工程分別為 2 5 0 7 9 5 6 k W 和 4 8 1 1 6 2 k W ，表3顯示出了不同最小傳熱溫差 下的公用工程量的仿真結果。由表3可知， ，平均夾點溫度為116. 時，該換熱系統冷、熱公用工程消耗最少，分別為 1 6 4 5 5 0 0 k W 和 2 7 8 5 2 0 k W ，經計算可知節能潛力分別達到 4 2 . 1 1 % 和 3 4 . 3 9 % 。

2換熱網絡優化設計成本衡算

換熱網絡的最優設計需要在投資設備費用（涵蓋操作費用）與公用工程費用之間取得平衡，以達成總成本最低化的目標。

2. 1 投資設備費用

換熱網絡的投資費用（ 主要由換熱器面積的制造費用和換熱器固定費用2部分組成，但鑒于固定費用相較于面積制造費用微乎其微，故在此忽略不計，其計算公式為

式中： 為單位面積費用； A 為換熱器的面積。

其中，換熱器的面積可通過以下公式計算得出

式中： Q 為換熱器負荷； K 為換熱系數； Δ T 為對數平均溫差。

2.2 公用工程費用

公用工程費用 涵蓋了冷、熱公用工程的消耗費用，其計算公式為

式中： 分別表示冷、熱公用工程的單位操作成本； 分別表示第 i 股熱物流上的冷公用工程

負荷、第j股冷物流上的熱公用工程負荷[12]。

2.3 換熱網絡年度總費用

年度總費用 主要由投資設備費用和公用工程費用2大部分構成，其計算公式為

3換熱網絡最優傳熱溫差的確定

換熱網絡的投資設備費（包括操作費）和公用工程費用取決于最小傳熱溫差 的選擇，圖6顯示了最小傳熱溫差 對不同費用的影響情況。

3.1傳統夾點法下最小傳熱溫差 的選擇

最小傳熱溫差 通常是根據生產經驗值直接取值。換熱網絡最優 計算步驟如下。

1）先假設一個 。

2）采用問題表進行計算。

3）根據問題表的結果設計并優化換熱網絡。

4）計算該換熱網絡年度總費用。

此方法可精確計算不同最小傳熱溫差 下的最優換熱網絡年度總費用，但計算比較繁瑣，只適用于少量 的計算。根據膠合板生產工藝特點，最小傳熱溫差 取值范圍較大 ），數量較多，因此先對最小傳熱溫差 進行有效評估，再根據評估結果對換熱網絡進行設計和優化。

參考換熱網絡相關費用參數[16]，見表4，由表4參數可計算出原換熱系統年度總費用為 。根據成本衡算公式計算出優化后年度總費用，見表5，傳統夾點法下的 曲線如圖7所示。由圖7可知，隨著最小傳熱溫差 的增加，年度總費用先減少后增加。當最小傳熱溫差 為 時，年度總費用最小為 ，由數據對比可知，該換熱系統年度總費用可節約 2 0 . 8 2 % 。

3.2 加入碳排放目標后 的選擇

優化換熱網絡的核心旨在減少能量損失和降低二氧化碳排放量。能量消耗與二氧化碳排放之間存在緊密聯系，即能量消耗量的增長直接導致二氧化碳排放增加，參考《碳排放權交易管理暫行條例》，企業需要承擔碳排放費用。因此，有必要將碳排放目標納入換熱網絡年度總費用目標函數中，其計算公式為

式中， 為碳排放費用，碳稅價格和年度碳排放量的乘積。

年度碳排放量 （ E） 計算為

式中： 是燃料燃燒提供給系統的熱負荷， Qs，Q為生產需要的熱負荷，ytale為鍋爐效率；a為二氧化碳和碳的摩爾質量之比； 為燃料凈燃燒值； w 是燃料所含碳的質量分數[7]。

具體相關費用參數[17見表6。由表6的數據經過計算，原換熱系統每年碳排放量高達 7 7 6 0 . 2 0 t ，含碳排放年度總費用為 。

增加碳排放影響因素得到的年度總費用與最小傳熱溫差 關系如圖8所示。由圖8可知最優傳熱溫差 為 。對比分析含碳排放費用表數據（表7），加人碳排放影響因素后該換熱網絡每年碳排放量為5566.76t，年度總費用為 5 3 7 1 2 4 . 2 S/ a 。可見在增加碳排放影響因素的情況下，換熱網絡的公用工程消耗量、碳排放量、年度總費用均比傳統夾點法降低了。因此，本次換熱網絡的最佳傳熱溫差 最終確定為 。與原換熱系統相比，這一改進使得每年的二氧化碳排放量減少了 2 8 . 2 7 % ，同時年度總費用也降低了1 7 . 6 8 % 。

4考慮碳排放能量最優換熱網絡的確定

根據夾點技術來設計換熱網絡時，應遵循以下原則。

1能量最優原則：避免將夾點上方的熱物流與夾點下方的冷物流進行匹配。在夾點上方，不允許安裝冷卻器以避免不必要的能量損失。在夾點下方，則禁正安裝加熱器，以確保能量的有效利用。

2）系統可行性原則：在夾點上方，熱物流的流股數量應不超過冷物流的流股數量，以保證熱量的充分傳遞與平衡。在夾點下方，熱物流的流股數量應不少于冷物流的流股數量，以確保所有冷物流都能得到有效加熱。

遵循以上兩個原則，將換熱網絡綜合問題在夾點位置分解為冷端和熱端兩個相互獨立的問題，應用勾銷推斷法得到能量利用效率最高的換熱網絡。夾點之上，H3物流與C2物流進行熱量交換，C1物流通過加熱器獲取所需熱量。夾點之下，H1物流將其在溫度區間內分解，一部分與C1換熱，另一部分與C3匹配進行換熱；H1與C1換熱后的剩余部分熱量，利用冷卻器來進行換熱。H2物流直接與C2物流進行熱量交換，多余熱量用冷卻器進行換熱；由此得到能量最優換熱網絡結構，如圖9所示。

5結論

本研究以膠合板生產工藝中5股使用公用工程換熱的物流為研究對象，利用夾點技術對當前生產條件下的換熱網絡進行了深入分析，并據此提出了針對性的優化與改進方案。

1）應用Aspenplus建立了膠合板生產流程工藝模型及相應的換熱網絡，計算各側線流股流量和物性數據，確定溫度區間，利用問題表確定夾點。

2）傳統夾點法分析得出的最小傳熱溫差△Tmin為 ，但考慮碳排放目標函數后確定最小傳熱溫差 為 ，此時平均夾點溫度為 。在此優化條件下，換熱網絡所需的最小熱公用工程量降至 2 7 8 5 2 0 . 0 k W ，最小冷公用工程量也減少至1 6 4 5 5 0 0 . 0 k W ，冷、熱公用工程用量各減少862456.0kW和 。

3）綜合考慮投資設備費、操作費、公用工程費用以及碳排放量等多個目標因素，求解出了在滿足特定碳排放目標下的年度總費用。與原換熱網絡相比，納入碳排放自標優化后的換熱網絡，其每年的碳排放量降至5566.76t，年度總費用為537124.2美元。這一改進不僅每年減少了2193.44t的碳排放，還使年度總費用降低了115340.1美元，有效實現了節能減排與成本降低的雙重目標。

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