夾點(diǎn)技術(shù)原理及在建材行業(yè)的應(yīng)用和研究

趙小蔚 趙婉霞

(1浙江省建筑材料科學(xué)研究所，浙江 杭州 310012；2科廷大學(xué)，澳大利亞 帕斯)

1 引言

夾點(diǎn)技術(shù)是一種以熱力學(xué)為基礎(chǔ)把企業(yè)的工程系統(tǒng)的能源消耗作為一個(gè)整體進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法[1]。由于夾點(diǎn)技術(shù)把整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)集成的整體，這樣就可以在設(shè)計(jì)上做到使整體設(shè)計(jì)最優(yōu)化，也就是說(shuō)達(dá)到能耗最低、費(fèi)用最小和環(huán)境污染最少。夾點(diǎn)技術(shù)方法靈活簡(jiǎn)便，所以易于被工程技術(shù)人員掌握[2]。

夾點(diǎn)技術(shù)最早是由英國(guó)曼徹斯特科技大學(xué)的B.Linnhoff教授及其同事率先提出的[3],此法一經(jīng)推出，即得到廣泛的重視和采用，以后又在實(shí)踐中不斷得到發(fā)展和完善。目前歐美等國(guó)已有不少大型工程的新設(shè)計(jì)和改造采用了該方法，而且都取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。一般改造項(xiàng)目的投資費(fèi)用回收年限均在兩年以內(nèi)[4]。近幾年夾點(diǎn)技術(shù)也逐漸應(yīng)用于企業(yè)的老裝置和老設(shè)備的節(jié)能技術(shù)改造中,并且也取得較好的節(jié)能效果[5]。夾點(diǎn)技術(shù)不僅能被不少的大型化工行業(yè)采用，也可以為水泥建材行業(yè)等高耗能企業(yè)所采用。

2 應(yīng)用和研究

下面通過對(duì)企業(yè)的工藝過程系統(tǒng)的節(jié)能降耗的改造，對(duì)夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析和探討：

2.1 數(shù)據(jù)提取

企業(yè)的工藝過程的加熱系統(tǒng)流程中提取各個(gè)節(jié)點(diǎn)物流的溫度數(shù)據(jù)見表1，這里我們?cè)O(shè)定了9個(gè)熱物流和7個(gè)冷物流。其中“H”代表的熱物流，而“C”表示的冷物流。

2.2 問題表格計(jì)算法（PTA）

問題表格計(jì)算法（PTA）是一種以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，同時(shí)還引入了定位能量法的數(shù)值定位方法。

PTA的計(jì)算步驟如下[6]

步驟1：建立T*范圍

由于問題表格算法是使用溫度區(qū)間為單位，所以要建立一個(gè)統(tǒng)一的溫度規(guī)模來(lái)做計(jì)算。但是，如果使用的實(shí)際溫度流，由于有一些熱量不能及時(shí)收回,會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差,因此，為了避免此問題，建立一個(gè)移位溫度T *來(lái)重新建立溫度標(biāo)示。當(dāng)確定ΔTmin的后，可以進(jìn)行能量定位和熱和冷物流的相應(yīng)位移。

表1 物流溫度數(shù)據(jù)

由于ΔTmin= 15.5℃

所以ΔTmin/2= 15.5/ 2= 7.75℃

T*可以通過以下來(lái)計(jì)算

熱流減去7.75℃，使冷卻（向下移動(dòng)）

冷流增加7.75℃，使加熱（向上移動(dòng)）

將所得的溫度列于表3。

步驟2：ΔH平衡

在此步驟中要計(jì)算在每個(gè)溫度區(qū)間的熱容量流速的總和，再乘以熱容量流率的區(qū)間溫差就可以得到熱量變化的焓值ΔH。當(dāng)ΔH是正時(shí)，這意味著熱物流占主導(dǎo)地位，熱量有富余，相反，當(dāng)ΔH為負(fù)，這意味著冷物流占主導(dǎo)地位，給熱不足。

步驟3：熱級(jí)聯(lián)

表3是一個(gè)比較典型的熱級(jí)聯(lián)（子網(wǎng)絡(luò)）圖表,在熱級(jí)聯(lián)的第一列是指移位后的溫度，第二列是千焦耳/小時(shí)的焓值，第三列是指以kJ/小時(shí)的熱負(fù)荷。開始的熱級(jí)聯(lián)為零。按溫位將系統(tǒng)中的物流劃分為若干個(gè)熱級(jí)聯(lián)（子網(wǎng)絡(luò)），求出熱級(jí)聯(lián)的輸入和輸出熱負(fù)荷，并將相關(guān)數(shù)據(jù)填入左面的表3-1，可以發(fā)現(xiàn)在熱負(fù)荷為最小值-1.542×108千焦/小時(shí)時(shí)，得到夾點(diǎn)溫度為233.91度，然后將這時(shí)的熱負(fù)荷-1.542×108千焦/小時(shí)重新加入左面的表格中，就可以得到右面的表3-2，這時(shí)夾點(diǎn)溫度為233.91度時(shí)熱負(fù)荷就為0了。

表2 溫度間位移

表3 -1：熱級(jí)聯(lián)表

表3 -2：熱級(jí)聯(lián)(調(diào)整后)

問題表格計(jì)算法（PTA）的結(jié)果可以用表格形式來(lái)表示，見表4。

表4 PTA結(jié)果

加熱所需的能量QHmin (kJ/h) 1.542×108冷卻所需的能量QCmin (kJ/h) 9.214×107

2.3 Aspen能量分析法

除了問題表格計(jì)算法可以找出能量目標(biāo)外，Aspen能源分析法也是一種簡(jiǎn)單的能量目標(biāo)方法。通過相關(guān)程序得到的結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 Aspen能量分析法的能量目標(biāo)

圖2 Aspen能量分析法的復(fù)合曲線

2.4 表格計(jì)算法和Aspen能量分析法的比較

為了確定夾點(diǎn)溫度，可以用問題表格計(jì)算法和Aspen能量分析法進(jìn)行。結(jié)果總結(jié)于表5。

從表5中可以看出，使用表格計(jì)算法和Aspen能量分析法計(jì)算獲得的ΔTmin是相同的，都是15.5℃。但在最小需要的熱和冷負(fù)荷范圍略有差異。比較這兩種的計(jì)算方法，在熱水和冷水夾點(diǎn)溫度的差異是0.16℃。其中的原因是有部分?jǐn)?shù)據(jù)被忽略了，主要是在計(jì)算時(shí)是使用的平均MCP，而不是實(shí)際的MCP數(shù)據(jù)。此外，復(fù)合曲線形狀的改變也會(huì)導(dǎo)致夾點(diǎn)溫度的變化。

問題表格計(jì)算法和Aspen能量分析法計(jì)算得到的結(jié)果雖然沒有多大差別。然而，問題表格計(jì)算法比較繁瑣，尤其是如果涉及許多工藝流，就非常費(fèi)時(shí)。此外，問題表格計(jì)算法還容易由于粗心而出錯(cuò)。而使用Aspen能量分析法，就會(huì)更準(zhǔn)確些。而且不需要經(jīng)常去觀察熱物流的變化。

表5 兩種方法的比較

尤其是處理復(fù)雜冷熱物流情況時(shí)，選擇Aspen能量分析法就會(huì)更精確。

2.5 綜合復(fù)合曲線（GCC）

綜合復(fù)合曲線是用于設(shè)置多個(gè)能量程序目標(biāo)的工具，圖3就是比較典型的綜合復(fù)合曲線。建立一個(gè)綜合復(fù)合曲線,首先要將熱物流的溫度進(jìn)行調(diào)整。該曲線是通過減去的一部分從熱氣流溫度的允許溫度的方法和加入剩余部分的容許溫度的方法向冷物流溫度偏移,然后根據(jù)所得的工藝溫度繪制一個(gè)綜合復(fù)合曲線，然后根據(jù)曲線顯示的整體的熱物流過程中消耗溫度繪制出從焓（水平）在不同溫度下的移位的復(fù)合曲線之間的差異[7]。

圖3 綜合復(fù)合曲線

在該曲線上顯示了一個(gè)夾點(diǎn)溫度的熱和冷的復(fù)合曲線在233.91℃±7攝氏度之間的最短距離的點(diǎn)。因此，熱的夾點(diǎn)溫度是241.66℃,冷夾點(diǎn)溫度226.16℃的。

此外，從該曲線上，還可以看到一個(gè)過程的熱物流的能量交換到另一個(gè)區(qū)域。這個(gè)區(qū)域被稱為“熱口袋”?？诖械那€代表的區(qū)域中冷熱物流熱交換是足以自由交換的，而不需要外界給予能量。所以在這個(gè)區(qū)域，有嚴(yán)格的要求是沒有任何能量程序和熱交換器。

總之,綜合復(fù)合曲線是用于分析和選擇在多個(gè)能量程序中使用的夾點(diǎn)分析的最基本的工具之一。它可以針對(duì)涉及到的各種能量程序設(shè)置適當(dāng)?shù)呢?fù)載，以發(fā)揮最有效的負(fù)載能量和設(shè)備的最大效能。

3 小結(jié)

夾點(diǎn)的兩個(gè)特征：一是在夾點(diǎn)處,冷熱物流間的熱流溫差最小ΔTmin；二是該處的過程系統(tǒng)的熱流量為零。這充分表明夾點(diǎn)限制了工程系統(tǒng)能量的進(jìn)一步回收，形成了該處的系統(tǒng)能量回收的“瓶頸”，如果要想進(jìn)一步回收能量，就必須解開“瓶頸”，這就需要“優(yōu)化”夾點(diǎn)，夾點(diǎn)技術(shù)的意義就在于如何“優(yōu)化”夾點(diǎn)[8]。

另外，夾點(diǎn)把工程系統(tǒng)分成上下兩個(gè)系統(tǒng)，夾點(diǎn)的上方為熱網(wǎng)絡(luò)，需要公用工程進(jìn)行加熱，而夾點(diǎn)下方為冷網(wǎng)絡(luò)，需要公用工程進(jìn)行冷卻。

為了保證做到系統(tǒng)能量的回收最大化，應(yīng)遵守三條基本原則：1）夾點(diǎn)處不能有熱流量流過，2）夾點(diǎn)上方不能導(dǎo)入冷公用工程，3）夾點(diǎn)下方不能導(dǎo)入熱公用工程。

4 結(jié)語(yǔ)

目前,夾點(diǎn)技術(shù)在國(guó)外得到了越來(lái)越多的企業(yè)的重視,許多國(guó)際知名的大公司都在開始采用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì),而且都取得很好的效果，平均節(jié)能達(dá)到20%-40%，節(jié)水20%以上，減少?gòu)U氣排放20%-40%[9]。雖然我國(guó)的建材行業(yè)目前仍然還在快速的發(fā)展，但由于國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高,建材行業(yè)也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，許多企業(yè)由于能源消耗,環(huán)境污染等一系列問題無(wú)法解決,面臨著轉(zhuǎn)產(chǎn)搬遷的問題，企業(yè)的發(fā)展受到了極大的限制。所以利用夾點(diǎn)技術(shù)來(lái)對(duì)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造以降低能耗,減少?gòu)U氣和污水的排放,凈化環(huán)境和優(yōu)化投資就會(huì)給企業(yè)帶來(lái)極大的好處，近幾年,夾點(diǎn)技術(shù)的研究已經(jīng)延伸到水系統(tǒng)的設(shè)計(jì),水夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于節(jié)約工業(yè)系統(tǒng)的水量,減少?gòu)U水的排放有著明顯的優(yōu)勢(shì)[10],所以如果能綜合全面地在企業(yè)的技術(shù)改造方面應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)，節(jié)能減耗的效果就更明顯了。

[1]張濟(jì)民 夾點(diǎn)技術(shù)及其應(yīng)用 化學(xué)工程師 2004.(6).45-47

[2]姚平經(jīng) 換熱器系統(tǒng)的模擬優(yōu)化與綜合 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 1992.127

[3]Linnhoff, B.1983.New Concept of Thermodynamics for better Chemical Process Design,Royal Society Esso Energy Award Lecture, Chemical Research and Development.61：207-223.

[4]Parsons, D., and J.Chatterton, I.Wilson, and E.Ishiyama.2011.Carbon brainprint case study： Optimising defouling schedules for oil-refinery preheat trains.Cranfield：Cranfield University.

[5]孟繼安、牛繼舜、王立安 夾點(diǎn)技術(shù)基本原理與應(yīng)用 黑龍江石油化工 1997.(2).2-4

[6]Kemp, I.C.2007.Pinch analysis and process integration： a user guide on process integration for the efficient use of energy.2nd ed.Oxford： Butterworth-Heinemann.2007.21-22

[7]Kleme ,J.,F.Friedler,I.Bulatov,and P.Varbanov.2011.Sustainability in the process industry：integration and optimization.New York： McGraw-Hill.2011.63-65

[8]蔣楚生、何耀文 工業(yè)節(jié)能的熱力學(xué)基礎(chǔ)和應(yīng)用北京 化學(xué)工業(yè)出版社 1990.248

[9]Samdani et al.Chemical Engineering.1993 ,100(3).40-45

[10]李英、張升學(xué)、王韶旭、姚平經(jīng) 水夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用研究 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué) 2008.(3).369-374