电解铝能源互联网系统的火用平衡分析方法探讨

王甲骏，王亚慧

(1.机械工业技术发展基金委员会能效评估部，北京 100053；2.北京建筑大学电信学院，北京 100044)

1 电解铝能源互联网系统

针对电解铝生产过程中电力能源的巨大消耗，被弃风光电能应用于电解铝及电解水就是一个合理的选择。电解铝生成金属铝及二氧化碳废气，电解水形成氢气和氧气产品；其中电解铝的二氧化碳废气与电解水形成的氢气结合，可以生成具有成熟储运技术的甲烷产品，甲烷可以与氧反应产生能量和生成水。在这样的多中间产品生产过程中，所有的参与物料构成互为原料-产品的闭环系统，电解铝能源互联网系统如图1所示。从理论上讲，该系统应该无任何无用废弃的物质产生，能够达到能源和资源的充分利用。难以并入大电网的被弃风光电能应用于高耗能的电解铝生产，避免了能源浪费，使不稳定的清洁能源有了用武之地；电解铝产生的二氧化碳废气得到了科学合理的利用，水进行了循环利用，这样既避免高污染，又节约水资源，有望实现二氧化碳的零排放[5-6]。

2 电解铝能源互联网系统火用分析

由图1可知，电解铝能源互联网系统运行过程为：由风/光电供能电解铝和电解水，生成金属铝和氧气产品，二氧化碳与氢气进一步合成甲烷和水，甲烷可作为燃气产品，也可循环用于输入能源，水循环利用。

图1 电解铝能源互联网系统

在系统中供能子系统为：风/光电Pw及生成的甲烷燃气Pg供能；耗能子系统为：电解铝PA、电解水PH1、生成甲烷PC、回收水PH2等。系统能量Pw+Pg=PA+PH1+PC+PH2为输入与输出平衡，系统能量利用达到最佳理想状态。在满足生产条件下消耗电能越少，表明能量利用的“数量”越优；而消耗的能量中包含有效耗能和无效耗能，有效的耗能所占比例越高，能量利用的“品质”越高。基于热力学理论，反映能量利用“数量”和“品质”的综合意义为“火用”概念。采用火用分析是从“量”和“质”角度对能源有效数量及品质的全面特性的综合分析，火用分析E主要包括火用类型、火用破坏及火用平衡。火用类型：物理火用Eph和化学火用Ech。物理火用包括机械火用Em与热源火用Et，物理火用的表达式如下：Eph=Et+Em。化学火用Ech，化学反应做的最大功。火用破坏指能量消耗中损失的无效能量，以火用损失Ed反映火用的利用程度，即Ed=Ef-Ep，其中Ep为输出火用，Ed为损失火用，Ef为输入火用。火用平衡指系统为Ef输入火用与Ep输出火用的平衡，为零火用损Ed=0的理想状态。分析的目标是采取措施，尽量减少火用损，使系统接近平衡状态。火用损失是火用分析的一个重要参量，通常用于能源互联网系统能量利用品质的评价，用火用损率π和火用损系数λ定量表征，π=Ed/Eds,λ=Ed/Efs,Eds为系统总火用损失，Efs为系统总输入火用，反映火用损失所占比例；火用效率η=Ep/Ef, 输出火用与输入火用占比，反映系统的火用使用情况，实现对能源互联网系统能量利用品质的评价。

电解铝能源互联网系统是由多个供能和耗能子系统组成，通过火用损失反映各子系统火用的利用程度，子系统k的火用损定义为Edk=Efk-Epk；Edk=(1-εk)Efk；火用损率μ和火用损系数λ，μ=Edk/Eds,λ=Edk/Efs，火用效率ηk=Epk/Efk。电解铝是能源互联网系统中的主要耗能子系统，电解铝子系统Al的火用分析EAl对整个系统能量利用品质的评价非常重要，找出电解铝子系统的火用损EdAl[a，b，……]影响因素，建立系统能量火用平衡方程：

(1)

探究其中的火用损控制及减少措施，为电解铝工业节能减排奠定基础。然而电解铝生产过程的复杂性使得其能量火用分析有一定的难度，在生产运行过程中的电力消耗是波动不稳定的。例如：设备启动、运行及关停等时间t阶段耗电量不同，即使同一阶段的耗电能量也会产生一定的波动，系统能量始终处于不稳定、不平衡状态。电解铝子系统耗能“量”与“质”的波动性，导致能源互联网的火用值呈动态变化特性。为了使系统能量利用程度达到最高，基于火用分析理论，研究电解铝子系统能量火用值及火用损随时间t的变化规律，建立其能源互联网系统动态火用平衡模型；进而通过对系统能量利用品质进行全面深入科学的评价，为能源量与质更合理运用提供了基础。

(2)

通过火用损分析，明确系统不可逆的能量利用情况，以此找出系统中每个子系统所存在火用破坏；通过火用分析确定导致系统火用平衡破坏的最大原因，从而对症下药对其进行优化改进；通过减少系统中各子系统的火用破坏，进而提升整个系统能量效率。

3 电解铝能源网系统火用分析方法

电解铝能源互联网系统包括电解铝、电解水、循环水和甲烷化反应四个子系统。电解铝：以氧化铝为溶质、熔融冰晶石为溶剂；碳素体为阳极，铝液为阴极，其化学方程为：2Al2O3+3C→4Al+3CO2↑。阳极：2O2ˉ+C-4eˉ=CO2↑，阴极：Al3++3eˉ=Al[20]；在温度为950～970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应得到金属铝产品和排除的CO2气体。电解水：采用高温固体氧化物法，在800～950 ℃下电解水制取高纯度氧气O2产品和H2氢气, 热化学方程式：

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

ΔHH2Og=208.6 kJ/mol

(3)

甲烷化：进一步由电解铝排出的CO2气体和电解水生成的H2在Ni催化剂作用下进行甲烷化放热反应：

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

(4)

生成的反应产物H2O回收循环利用，CH4天然气继续与电解水生成的氧气燃烧产生电能[7-11]。

电解铝能源互联网系统中电解铝、电解水、生产甲烷和循环水4个耗能子系统，分为氢气、氧气、二氧化碳及甲烷气体的物理变化过程，为物理火用(Eph=EH2+EO2+ECO2)；电解铝、电解水和生成甲烷的化学反应过程，为化学火用(Ech=EAl+EH2O+ECH4)，系统有电能Ee、热能Et、化学能Ech及物理能Eph的相互转换。

基于上述分析建立火用分析函数关系：

(5)

Ef(t)=Ee

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

(6)

η=Ep/Ef。

(7)

上式中，Ee为风/光电能。系统理想状态为输入火用接近输出火用Ef(t)→Ep(t)，达到火用平衡状态，火用损失接近零或最小，系统做最大有用功，具有最高的火用值效率η[11]。

然而，电解铝实际生产中能量火用损失是不可避免的，所能够做到的就是尽量减少火用损失，使系统接近平衡状态。电解铝能源互联网系统能量火用损失，包含电解铝子系统火用损、电解水子系统火用损、甲烷化子系统火用损及水循环子系统火用损。以电解铝子系统的火用损失作为主要研究内容，采用“火用分割”分析方法研究能量转换的火用破坏，并将其分割成内源性、外源性和可避免的、不可避免的火用损失[12-15]。在其设备上布置相应传感器以获得能量信息场，进行火用值变化监控分析，获得火用值变化规律，进一步分析和探讨电解铝子系统的火用破坏来源和如何降低火用破坏措施。

通过分析电解铝生产过程中，设备运行状态，包括启动过程电流分布的均匀性、运行过程的物理场(电场、磁场、流场)的稳定性和关停过程的温度惯性等因素[5]，建立其生产过程火用动态数学模型，探讨电解铝生产设备结构及工艺参数对能量火用损的影响。通过火用损的分析，确定各子系统的能耗，找出最大能耗因素，从而提出电解铝生产过程中科学合理节能措施。

4 电解铝能源互联网系统火用效率与经济双目标优化分析

能源系统中，最优目标是能源利用效率高和经济性好。在电解铝生产过程中保持高能源利用率的同时提高经济性。在原材料及耗能一定的情况下，尽可能提高能源效率，增大能源系统的利润。然而，能源系统中效率与经济学指标通常不是一个恒定的正相关关系，如何保持两者的平衡，达到共同最优是研究的目的。

系统火用经济包含总成本、总产值和总利润三个部分。

总成本：ψInput=ψE+ψΝ

依据所消耗能量的种类分成能量费用ψE与非能量费用ψΝ。例如：购买原材料铝矿石等费用，购置电解铝等设备费用，维护系统设备正常运行的必要费用，人员工资等费用，为非能量费用；使用电能量及消耗燃料费用是能量费用。

总产值：ΨIncome

总利润：ΨProfit=ΨIncome-ΨInput

采用净现值法，以总产值占总成本的比例，即火用经济性ε=ψIncome/ψInput作为系统能源经济性表征，进行电解铝能源互联网系统火用效率与火用经济双目标优化分析。

为了简化分析及快速获得最优值，将电解铝能源互联网系统效率与经济性最优值求解问题视为整数线性规划问题，建立目标和约束条件的线性函数方程，进行能源火用效率η与火用经济性最优值求解。

电解铝火用效率与火用经济双目标Y方程：

Y=ωη+(1-ω)ε

(8)

加入权重ω(0≤ω≤1)，调节经济、效率的权重比例，可对ω为0.1、ω为0.5、ω为0.9分别进行最优值求解。通过电解铝火用效率与火用经济双目标Y方程，系统效率与火用经济性最优值求解示意图如图2所示，获得满足目标的最佳参量设置。通过快速求得最优值，有效地控制系统的经济性和效率之间的科学平衡，为有效提高能源转换效率、降低成本提出了一种可行的解决方案。

图2 系统火用效率与火用经济性最优值求解示意图

5 结语

采用表征能量“质”与“量”综合特性的火用分析方法，研究高耗能和重污染的电解铝生产过程中优化工艺及节能减排的关键基础问题，初步构建了低排放和低耗能的电解铝能源互联网系统，以此达到能源和资源的充分利用，有望实现二氧化碳的零排放。这对于履行我国国际承诺，实现碳排放达标的发展战略具有重要意义。通过研究获得以下结果：

1)通过电解铝能源互联网系统火用理论分析及方法研究，提出了通过火用分析确定导致系统火用平衡破坏的最主要原因，从而对症下药对其进行优化改进；通过减少系统中各子系统的火用破坏(火用损)，进而提升整个系统能量效率。进一步分析和探讨电解铝子系统的火用破坏(火用损)来源和如何降低火用破坏(火用损)措施。

2)通过分析电解铝生产过程中设备运行状态，包括启动过程电流分布的均匀性、运行过程的物理场(电场、磁场、流场)的稳定性和关停过程的温度惯性等因素，建立其生产过程火用动态数学模型，探讨电解铝生产设备结构及工艺参数对其能量火用损的影响规律，通过火用损的分析，确定最大耗能因素，从而找出电解铝生产过程中科学合理的节能措施。

3)建立目标和约束条件的线性函数方程，进行能源火用效率与火用经济性最优值求解，加入权重ω(0≤ω≤1)，调节经济和效率的权重比例。通过电解铝系统火用效率与火用经济双目标Y方程，确定系统参量对经济性和效率的影响规律，获得满足目标的最佳参量设置，有效地控制系统的经济性和效率之间的平衡，为有效提高能源转换效率和降低成本提出一种可行的解决方案。