基于夹点技术考虑碳排放的胶合板生产换热网络优化

Optimization of Heat Exchange Network for Plywood Production Considering Carbon Emission Based on Pinch Point Technology

摘要

胶合板生产消耗大量能源，为提高经济效益，助力“碳达峰”“碳中和”目标，须提高能源效率，降低能耗。以胶合板生产过程中5股换热物流为研究对象，采用夹点技术对现有生产工况下的换热网络进行分析并提出优化改进方案。应用化工流程系统模拟软件Aspen plus建立胶合板生产流程中的换热网络，计算各侧线流股流量和物性数据，划分温度区间，确定最小传热温差并计算出夹点温度。传统夹点法确定最小传热温差（?Tmin）为9℃，引入碳排放考虑因素后最小传热温差（?Tmin）调整为7℃，平均夹点温度为116.5℃，利用夹点温度作为分析诊断换热网络中的跨越夹点物流现象，从而精确定位换热网络的瓶颈位置，调整不合理配置的冷热流股换热器，达到优化整个换热网络的目的。优化后系统冷、热公用工程用量各减少862 465.0 kW和202 642.0 kW，显著降低了装置能耗。

关键词

夹点技术 / 胶合板 / 换热网络优化 / 碳排放 / 能源

Key words

Pinch point technology / plywood / optimization of heat exchange network / carbon emissions / energy

0 引言

胶合板生产消耗大量能源。目前，胶合板生产工艺包括预压、热压和干燥等工序，其热压周期长、生产效率低、能耗大。为响应国家实施的“双碳”目标，推动“碳达峰”与“碳中和”目标的实现，不仅要致力于能源结构的转型，还需对现有装置实施能源节约的改进措施。许多学者对胶合板节能技术进行了研究，并引入了大量设备来提高能源效率、降低能耗。何志兴等^[1]提出了锅炉烟气余热利用方案，将蒸汽锅炉的烟气引入干燥窑对木材进行干燥，每年通过回收利用的锅炉烟气余热折合标煤达439 t。胡滨铠等^[2]研发了一种蒸汽回收系统，该系统能够回收单板干燥中所产生的大量二次蒸汽，并将其用作锅炉的补给水进行循环利用。这一创新举措预计可以节约大约30%的燃料消耗、水资源以及水处理成本。Gao等^[3]综述了目前木材干燥工艺和最先进的热泵木材干燥技术，包括热泵循环选择、能量回收、制冷剂选择和可再生能源集成等，提高木材干燥系统的效率。由于工艺限制，这些方法集中于对单个过程的节能研究，专注于锅炉节能改造、烟气余热利用改造以及循环水回收利用改造，没有考虑换热网络系统研究方法。

换热网络是生产过程中实现能量循环再利用的关键手段之一。通过合理设计并有效利用换热网络，可以显著降低生产过程中的能源消耗，进而减少生产成本^[3]。换热网络的设计方法包括数学规划法和夹点技术法。目前，数学规划法主要被运用于基础性的研究，实际应用无法完全取代简单高效和物理含义清晰的夹点技术法^[5]。

20世纪70年代末，Linnhoff等^[6]提出的夹点技术开始崭露头角，并在过程工业的节能工作中扮演了至关重要的角色。这项技术基于热力学原理，是一种旨在最大限度回收热量的换热网络设计方法^[7]。夹点技术通过有效减少公用工程的使用量，目前已在多个领域得到广泛应用^[8-9]，成为节能应用领域的一种系统性方法。Kim等^[10]基于夹点分析对已开发的水暖水冷系统的换热器网络进行了改进，以最大限度地提高余热回收效率，能耗总费用减少了28.6%。陈飞等^[11]运用了夹点技术来分析并优化某炼油厂常减压装置在现有生产条件下的换热网络，提出了改进方案，实施后冷、热公用工程的消耗量都减少了，削减了装置的运行成本。郑鑫等^[12]针对乙烯裂解工艺中的6股依赖公用工程进行换热的物流，遵循夹点技术的设计原理和物流匹配标准，设计出了能量效率最高的换热网络结构，使年度总费用下降了42.08%。Mohsenpour等^[13]在塑料工业中采用夹点技术进行一个换热网络优化设计，利用蒸汽发生器回收反应釜余热产生蒸汽，而是导入到热回收蒸汽发生器中产生蒸汽，每年可节约大约 54 621欧元的制冷成本。Yuan等^[14]探讨了电力系统中夹点分析技术的未来发展方向，为电力系统中的负荷平衡分析问题提供新视角。

上述文献充分证明了夹点技术在各行业优化换热网络以降低能耗方面的卓越表现。本研究则运用夹点技术，针对胶合板当前生产条件下的换热网络进行深入分析，并提出针对性的优化与改进方案。应用化工流程系统模拟软件Aspen plus建立了胶合板生产流程模型及相应的换热网络，得到各工序流股流量和物性数据；调整最小温差，确定最佳夹点温度，降低生产总能耗，为胶合板行业利用夹点技术进行生产换热网络优化研究提供理论依据。

1 现有换热网络分析

本研究以韶关市一家胶合板公司的生产设备为依托，该公司胶合板生产过程中干燥、热压、调胶和制胶等所用蒸汽均来自蒸汽锅炉，燃料为木材加废料，额定蒸发量为6 t/h，其提供给胶合板生产的蒸汽温度为169 ℃。

胶合板生产工序过程如图1所示，主要分为以下4个部分。

1）芯板加工工序：干燥板材截断后进行双面刨 光，然后被分割成一定宽度的板条，各种不同长度的小板条经过开齿，涂胶后，用拼板机拼成一定宽度的细木工芯板，二次干燥后送至合板工序连续组坯线进行组坯。

2）中板加工工序：原木截断后先进行软化处理，再经过旋切机进行旋切，最后送干燥机进行干燥，干燥后的单板进行修补、拼缝、整理后，按其工艺要求进行涂胶、组坯。

3）表背板加工：外购客户要求树种的表背板。

4）合板加工工序：将加工好的表板、背板、中板、芯板运至合板车间组成5（表板—中板—芯板—中板—背板）层结构的板坯，先预压后送入热压机进行热压成板，将压制好的毛边胶合板锯成规格板，砂光后入库。

具体工序热能分布情况如图2所示，由图2可以发现，每个工序能耗都较大，其中干燥是能耗最大的工序。

1.1 换热物流数据处理

通过对工厂实际生产状况进行全面分析，并结合其生产数据资料，胶合板生产车间年用蒸汽量为 40 934.2 t，胶合板合格产量为31 423.0 m³，即每生产1 m³合格胶合板需要消耗蒸汽1.3 t，将这一数据与国家标准中胶合板单位产量的基本能耗分级指标进行对比后，发现该企业的胶合板单位产品能耗偏高，存在着较大的节能与优化潜力。胶合板生产换热网络模拟过程如图3所示（B1—B16对应胶合板生产中主要用能工序；红线代表温度较高，蓝线代表温度较低），换热网络设计选取热压工段及一、二次干燥的3股热物流（H1、H2、H3）和2股冷物流（C1和C2，C2是公用工程换热），提取生产过程中换热相关参数（初始温度、终止温度和流量等），见表1。

1.2 换热网络设计方法

换热网络设计的关键是利用温焓图解法或者问题表法确定夹点，即热复合曲线与冷复合曲线间温差达到最小的点，如图4所示。温焓图解法是通过调整曲线的位置来确定夹点的位置。在本次换热网络设计中，由于涉及多股物流的复杂情况，单纯通过温焓图平移曲线所得出的夹点结果并不精确。因此，采用问题表法来计算胶合板生产换热系统的夹点，还能够更为准确地确定冷、热公用工程的用量。

应用问题表法计算夹点，首先要确定换热系统的最小传热温差 ( ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} )，依据以往生产实践积累经验与当前工艺物流所具备的特殊性，最小传热温差 ( ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} )选取5~14 ℃逐一进行计算。下面以最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} = \mathrm{7} ℃为例，详细阐述问题表法的计算步骤。首先热物流的起始温度和终止温度分别减去7 ℃，将结果与冷物流的起始温度和终止温度一起排序，得到温度区间（SN）图（图5）以及问题表（表2），其中 , D_k代表第k个温度区间的净热量； I_k代表该温区的输入热量； Q_k代表该温区的输出热量。

查阅胶合板生产数据，经计算可知，原换热系统实际消耗冷、热公用工程分别为2 507 956 kW和481 162 kW，表3显示出了不同最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}下的公用工程量的仿真结果。由表3可知， ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} = \mathrm{7} ℃，平均夹点温度为116.5℃时，该换热系统冷、热公用工程消耗最少，分别为1 645 500 kW和278 520 kW，经计算可知节能潜力分别达到42.11%和34.39%。

2 换热网络优化设计成本衡算

换热网络的最优设计需要在投资设备费用（涵盖操作费用）与公用工程费用之间取得平衡，以达成总成本最低化的目标。

2.1 投资设备费用

换热网络的投资费用（ C_{\mathrm{C}\mathrm{C}}）主要由换热器面积的制造费用和换热器固定费用2部分组成，但鉴于固定费用相较于面积制造费用微乎其微，故在此忽略不计，其计算公式为

C_{\mathrm{C}\mathrm{C}} = C_{\mathrm{C}\mathrm{A}} \times A / \mathrm{0.94} 。 （1）

式中： C_{\mathrm{C}\mathrm{A}}为单位面积费用；A为换热器的面积。

其中，换热器的面积可通过以下公式计算得出

A = Q / \left(K\times ∆T\right)。（2）

式中： Q为换热器负荷； K为换热系数； ∆ T为对数平均温差。

2.2 公用工程费用

公用工程费用（ C_{\mathrm{U}\mathrm{C}}）涵盖了冷、热公用工程的消耗费用，其计算公式为

C_{\mathrm{U}\mathrm{C}} = C_{\mathrm{C}\mathrm{U}} \times {\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^i} q_{\mathrm{C}\mathrm{U},i} + C_{\mathrm{H}\mathrm{U}} \times {\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^j} q_{\mathrm{H}\mathrm{U},i}。（3）

式中： C_{\mathrm{C}\mathrm{U}}、 C_{\mathrm{H}\mathrm{U}}分别表示冷、热公用工程的单位操作成本； q_{\mathrm{C}\mathrm{U},i}、 q_{\mathrm{H}\mathrm{U},j}分别表示第 i股热物流上的冷公用工程负荷、第 j股冷物流上的热公用工程负荷^[12]。

2.3 换热网络年度总费用

年度总费用（ C_{\mathrm{T}\mathrm{A}\mathrm{C}}）主要由投资设备费用和公用工程费用2大部分构成，其计算公式为

C_{\mathrm{T}\mathrm{A}\mathrm{C}} = C_{\mathrm{C}\mathrm{C}} + C_{\mathrm{U}\mathrm{C}}。（4）

3 换热网络最优传热温差的确定

换热网络的投资设备费（包括操作费）和公用工程费用取决于最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}的选择，图6显示了最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}对不同费用的影响情况。

3.1 传统夹点法下最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}的选择

最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}通常是根据生产经验值直接取值。换热网络最优 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}计算步骤如下。

1）先假设一个 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}。

2）采用问题表进行计算。

3）根据问题表的结果设计并优化换热网络。

4）计算该换热网络年度总费用。

此方法可精确计算不同最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}下的最优换热网络年度总费用，但计算比较繁琐，只适用于少量 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}的计算。根据胶合板生产工艺特点，最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}取值范围较大（5~14 ℃），数量较多，因此先对最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}进行有效评估，再根据评估结果对换热网络进行设计和优化。

参考换热网络相关费用参数^[16]，见表4，由表4参数可计算出原换热系统年度总费用为497 260.3 $/a。根据成本衡算公式计算出优化后年度总费用，见表5，传统夹点法下的 C_{\mathrm{T}\mathrm{A}\mathrm{C}}曲线如图7所示。由图7可知，随着最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}的增加，年度总费用先减少后增加。当最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}为9 ℃时，年度总费用最小为393 748.7 $/a，由数据对比可知，该换热系统年度总费用可节约20.82%。

3.2 加入碳排放目标后 ∆ T_{min}的选择

优化换热网络的核心旨在减少能量损失和降低二氧化碳排放量。能量消耗与二氧化碳排放之间 存在紧密联系，即能量消耗量的增长直接导致二氧 化碳排放增加，参考《碳排放权交易管理暂行条例》，企业需要承担碳排放费用。因此，有必要将碳排放目标纳入换热网络年度总费用目标函数中，其计算公式为

C_{\mathrm{T}\mathrm{A}\mathrm{C}}^{*} = C_{\mathrm{C}\mathrm{C}} + C_{\mathrm{U}\mathrm{C}} + C_{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{x}}。（5）

式中， C_{\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{x}}为碳排放费用，碳税价格和年度碳排放量的乘积。

年度碳排放量（E）计算为

E = \frac{Q_{\mathrm{F}\mathrm{u}\mathrm{e}\mathrm{l}}}{Q_{\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{V}}} \times \frac{w}{\mathrm{100}} \times a。（6）

式中： Q_{\mathrm{F}\mathrm{u}\mathrm{e}\mathrm{l}}是燃料燃烧提供给系统的热负荷， Q_{\mathrm{F}\mathrm{u}\mathrm{e}\mathrm{l}} = \frac{Q_{\mathrm{S}}}{{ŋ}_{\mathrm{B}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{r}}} , Q_{\mathrm{S}}为生产需要的热负荷， {ŋ}_{\mathrm{B}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{e}\mathrm{r}}为锅炉效率； a为二氧化碳和碳的摩尔质量之比； Q_{\mathrm{N}\mathrm{H}\mathrm{V}}为燃料净燃烧值； w是燃料所含碳的质量分数^[17]。

具体相关费用参数^[17]见表6。由表6的数据经过计算，原换热系统每年碳排放量高达7 760.20 t，含碳排放年度总费用为652 464.3 $/a。

增加碳排放影响因素得到的年度总费用与最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}关系如图8所示。由图8可知最优传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}为7 ℃。对比分析含碳排放费用表数据（表7），加入碳排放影响因素后该换热网络每年碳排放量为5 566.76 t，年度总费用为537 124.2 $/a。可见在增加碳排放影响因素的情况下，换热网络的公用工程消耗量、碳排放量、年度总费用均比传统夹点法降低了。因此，本次换热网络的最佳传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}最终确定为7 ℃。与原换热系统相比，这一改进使得每年的二氧化碳排放量减少了28.27%，同时年度总费用也降低了17.68%。

4 考虑碳排放能量最优换热网络的确定

根据夹点技术来设计换热网络时，应遵循以下原则。

1）能量最优原则：避免将夹点上方的热物流与夹点下方的冷物流进行匹配。在夹点上方，不允许安装冷却器以避免不必要的能量损失。在夹点下方，则禁止安装加热器，以确保能量的有效利用。

2）系统可行性原则：在夹点上方，热物流的流股数量应不超过冷物流的流股数量，以保证热量的充分传递与平衡。在夹点下方，热物流的流股数量应不少于冷物流的流股数量，以确保所有冷物流都能得到有效加热。

遵循以上两个原则，将换热网络综合问题在夹点位置分解为冷端和热端两个相互独立的问题，应用勾销推断法得到能量利用效率最高的换热网络。夹点之上，H3物流与C2物流进行热量交换，C1物流通过加热器获取所需热量。夹点之下，H1物流将其在温度区间内分解，一部分与C1换热，另一部分与C3匹配进行换热；H1与C1换热后的剩余部分热量，利用冷却器来进行换热。H2物流直接与C2物流进行热量交换，多余热量用冷却器进行换热；由此得到能量最优换热网络结构，如图9所示。

5 结论

本研究以胶合板生产工艺中5股使用公用工程换热的物流为研究对象，利用夹点技术对当前生产条件下的换热网络进行了深入分析，并据此提出了针对性的优化与改进方案。

1）应用Aspen plus建立了胶合板生产流程工艺模型及相应的换热网络，计算各侧线流股流量和物性数据，确定温度区间，利用问题表确定夹点。

2）传统夹点法分析得出的最小传热温差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}

为9 ℃，但考虑碳排放目标函数后确定最小传热温 差 ∆ T_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}为7 ℃，此时平均夹点温度为116.5 ℃。在 此优化条件下，换热网络所需的最小热公用工程量 降至278 520.0 kW，最小冷公用工程量也减少至 1 645 500.0 kW，冷、热公用工程用量各减少862 456.0 kW和202 642.0 kW。

3）综合考虑投资设备费、操作费、公用工程费用以及碳排放量等多个目标因素，求解出了在满足特定碳排放目标下的年度总费用。与原换热网络相比，纳入碳排放目标优化后的换热网络，其每年的碳排放量降至5 566.76 t，年度总费用为537 124.2美元。这一改进不仅每年减少了2 193.44 t的碳排放，还使年度总费用降低了115 340.1美元，有效实现了节能减排与成本降低的双重目标。

参考文献

[1] 何志兴，罗武生，谢洁飞，锅炉烟气余热用于木材干燥的节能改造[J].林产工业，2016，43（10）：34-36.

[2] HE Z X， LUO W S， XIE J F，et al.Energy-saving reconstruction of boiler flue gas waste heat used for timber drying[J].China Forest Products Industry，2016，43（10）：34-36.

[3] 胡滨铠，林明山.单板干燥蒸汽回收系统的应用研究[J].木材科学与技术，2021，35（1）：67-70.

[4] HU B K， LIN M S.Development of a steam recycling system for veneer drying[J].Chinese Journal of Wood Science and Technology，2021，35（1）：67-70.

[5] GAO L，FIX A， SEABOURNE T，et al.A comprehensive review of heat pump wood drying technologies[J].Energy，2024，311：133241.

[6] 陈鹏，罗娜.基于竞争机制差分进化算法的无分流换热网络优化[J].华东理工大学学报（自然科学版），2019，45（6）：970-979.

[7] CHEN P， LUO N.Differential evolution algorithm with competition mechanism for simultaneous synthesis of heat exchanger network without split streams[J].Journal of East China University of Science and Technology （Natural Science Edition），2019，45（6）：970-979.

[8] 芦泽龙，秦康，吴昊，换热网络多目标优化研究进展[J].节能，2021，40（2）：75-79.

[9] LU Z L， QIN K， WU H，et al.Research progress on multi-objective optimization of heat exchanger networks[J].Energy Conservation，2021，40（2）：75-79.

[10] LINNHOFF B， HINDMARSH E.The pinch design method for heat exchanger networks[J].Chemical Engineering Science，1983，38（5）：745-763.

[11] 赵野，孙琳，罗雄麟.多程换热网络综合与夹点技术研究进展[J].化工进展 2012，31（8）：1685-1689.

[12] ZHAO Y， SUN L， LUO X L.Research advances in pinch technology and the synthesis of multipass heat exchanger networks[J].Chemical Industry and Engineering Progress，2012，31（8）：1685-1689.

[13] EBRAHIM M， KAWARI A.Pinch technology：an efficient tool for chemical-plant energy and capital-cost saving[J].Applied Energy，2000，65（1/4）：45-49.

[14] 姚静，王瑶，匡国柱.基于夹点技术的天然气净化装置的用能分析[J].辽宁化工，2010，39（3）：232-235.

[15] YAO J， WANG Y， KUANG G Z.Energy analysis of the natural gas refining equipment with pinch technology[J].Liaoning Chemical Industry，2010，39（3）：232-235.

[16] KIM Y，LIM J， SHIM J Y，et al.Optimizing wastewater heat recovery systems in textile dyeing processes using pinch analysis[J].Applied Thermal Engineering，2022，214：118880.

[17] 陈飞，刘纪昌，赵基钢，基于夹点分析技术的常减压塔换热网络优化[J].当代化工研，2024（2）：62-66.

[18] CHEN F， LIU J C， ZHAO J G，et al.Optimization of heat exchange network in atmospheric and vacuum distillation tower based on the analysis technology of pinch point[J].Modern Chemical Research，2024（2）：62-66.

[19] 郑鑫，李鼎昊，毛凯田，基于夹点技术考虑含有复杂相变及碳排放的换热网络综合[J].华东理工大学学报（自然科学版），2022，48（6）：750-757.

[20] ZHENG X， LI D H， MAO K T，et al.Heat exchanger network synthesis with complex phase changes under consideration of carbon emission based on pinch point technology[J].Journal of East China University of Science and Technology （Natural Science Edition），2022，48（6）：750-757.

[21] MOHSENPOUR M， PAZUKI M M， SALIMI M，et al.Optimized heat exchanger network design for a phthalic anhydride plant using pinch technology：A maximum energy recovery approach with economic analysis[J].Results in Engineering，2024，24：103438.

[22] YUAN T， MAO Y.A review of pinch analysis techniques and extended application in power systems[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2024，202：114684.

[23] 邓卓祺.竹胶合板生产系统余热利用及工艺改进的节能技术研究[J].中国新技术新产品，2018（4）：118-120.

[24] DENG Z Q.Research on energy saving technology for waste heat utilization and process improvement in bamboo plywood production system[J].New Technology & New Products of China，2018（4）：118-120.

[25] KHORASANY R M， FESANGHARY M.A novel approach for synthesis of cost-optimal heat exchanger networks[J].Computers & Chemical Engineering，2009，33（8）：1363-1370.

[26] 李林.基于流动与传热（㶲）损的换热网络优化方法研究[D].杭州：浙江工业大学，2010.

[27] LI L.Research on optimization method of heat transfer network based on flow and heat transfer loss[D].Hangzhou：Zhejiang University of Technology，2010.

基金资助

湖南省自然科学基金面上项目(2022JJ31008)