Study on substances metabolism optimization of enterprises based on gabi platform

Frontier of Environmental Science June 2013, Volume 2, Issue 2, PP.11-16

Study on Substances Metabolism Optimization of Enterprises based on GaBi Platform Li Sun 1#, Wen Zhang 2, Ming Zhou 1 1.Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, P. R. China.

2.Shanghai Hezhixu Engineering Co. , Ltd, Shanghai 200120, P.R. China. #

Email: sunli711@163.com

Abstract The study aims to provide technical support for industrial enterprises in saving energy and reducing emissions. It introduces the substance flow analysis and its tool Gabi into the area of industrial enterprises. Furthermore, the study applies it to energy system of a production process in a coking plant. The results indicate that the efficiency of the coal-coke transformation is low and the wasting of all kinds of afterheat is comparatively serious. On the basis of the analysis, the paper gives advice about the optimization of energy system through improving energy efficiency.

Keywords: Energy Conservation; GaBi Platform; Substance Flow Analysis; System Optimization

基于 GaBi 平台的企业物质代谢优化研究 孙丽 1，张稳 2，周铭 1 1.上海市环境科学研究院 上海 200233 2.上海和之旭工程技术有限公司 上海 200120 摘 要：以企业生产全过程优化、效率提升与节能减排为研究目标，将物质流分析方法及分析工具 GaBi 引入工业生产系统， 并运用到国内某焦化企业能源系统优化研究中。研究结果表明，洗精煤转化为焦炭的转化效率较低，各种余热浪费较为严重。 依据对该企业生产全过程的能源系统分析，从加强余热资源回收、提高能源效率等方面提出了能源系统优化建议。 关键词：节能减排；GaBi 平台；物质流分析；系统优化

1 引言 进入 21 世纪，我国经济继续保持快速增长，但经济发展和资源环境的矛盾日趋尖锐，必须走可持续发 展、绿色发展之路，实现经济、社会、资源与环境的全面协调发展[1-2]。“十二五”期间，我国节能减排要求及 形势均十分严峻。随着我国工业化进程的加速，工业企业作为资源能源消耗的主要场所和污染排放的主要来 源，承担着节能减排目标的主要任务。然而目前在企业节能减排的系统分析与优化方面缺乏成熟的技术和思 路，因此迫切需要探索适用于企业工艺过程节能减排的分析优化技术，从而为企业层面的节能减排工作提供 技术支撑。源于 20 世纪 90 年代初的现代物质流分析技术，为系统深入地识别社会经济系统中物质代谢规律 及其所产生的结构性资源环境影响提供了定量分析方法，并逐渐发展成为转变生产和消费模式、提高物质代 谢效率的重要研究范式和基础技术平台[3]。本研究引入物质流分析方法以及分析工具 GaBi 平台，探索了企业 工艺过程层面的物质代谢优化方法，可以为企业提高资源与能源利用率、实现节能减排提供技术支撑。

2 物质流分析及 GaBi 平台 2.1 物质流分析 物质流分析是指在一定时空范围内关于特定系统的物质流动和贮存的系统性分析。主要涉及的是物质流 - 11 http://www.ivypub.org/fes\

动的源、路径及汇。根据质量守恒定律，物质流分析的结果总是能通过其所有的输入、贮存及输出过程来达 到最终的物质平衡。这是物质流分析的显著特征，它为资源、废弃物和环境的管理提供了方法学上的决策支 持工具[4-5]。这里所说的物质流分析主要是针对不同层次的经济系统、产业部门、工业园区或企业个体，它与 自然生态系统的物质流有着本质的不同。 本文主要研究物质代谢方法在工业系统微观层面的应用，企业的生产过程是资源和能源转化为产品、废 品和污染物的代谢过程。在这一过程中，输入各种资源和能源；输出各种产品、副产品、废品和污染物。通 过模拟生物和自然界新陈代谢功能，对企业生产系统结构进行物质代谢模拟，可以对资源、环境追踪其提炼、 工业加工和生产、直至消费后变成废物的整个过程中物质和能量的流向和流量，为公众或是企业的决策者提 供一幅详细的物流图，为揭示企业的节能减排水平和评估企业的节能减排潜力提供科学依据[6-7]。

2.2 GaBi 软件功能与特色 目前用于物质流分析或计算比较成熟的技术平台或软件主要有 Excel、Umberto、GaBi 等[4]。其中，Gabi 软件由于其强大的功能、人性化的界面和模拟分析等优点，开始较多地应用于物质流分析、生命周期影响评 价、 环境管理 等领域。该软 件由德国 斯图加特大学 聚合体试 验与科学研究 所与欧 洲 Gesellschaft mit beschrankter haftung 股份有限公司（PE Europe GmbH）联合研究开发，1992 年开发出第一个版本，目前最新 的版本是 GaBi4 系列。 GaBi 软件可为数据输入、管理和使用提供清晰的框架，可以方便地针对研究对象的每个过程单元，建 立相应的物质流输入和输出，将过程单元进行连接，展示详细的物流全景图。通过设立各类筛选指标，可系 统识别物质流结构与物质代谢效率特征,分析整个系统内的物质流动状态和结构，从而实现系统的整体结构优 化与生态效率的提高。图 1 即为 GaBi 平台的结构图。

图 1 GaBi 平台结构图

3 基于 GaBi 平台的企业物质代谢优化技术研究 本研究以江苏省某焦化企业的能源系统为研究对象，利用 GaBi 平台进行能源代谢模拟与生产优化。

3.1 目标和系统边界确定 研究目标为对该企业焦化生产能源系统进行优化分析，探讨运用 GaBi 平台对能源代谢进行模拟和优化 的途径，通过对能源结构的优化和能源效率的提升，实现企业的节能减排。 - 12 http://www.ivypub.org/fes\

本文主要关注工艺过程的优化，系统边界为焦化生产的全过程，工艺过程如下：原煤经选配、混合、破 碎后，由装煤车送入焦炉，煤在高温干馏炼制成焦炭和荒煤气。焦炭成熟后用推焦车推出，经拦焦机导入熄 焦车内。熄焦车由电机车牵引至熄焦塔内进行喷水熄焦，熄焦后的焦炭经切焦、筛焦后，由带式输送机外运。 荒煤气经焦炉上升管进入集气管，经冷凝、分离、精制、洗涤、终冷后，分离出焦炉煤气和各种化工产品[8-9]。 生产全过程包括四个子系统：备煤系统，炼焦系统，化产系统和焦加工系统。系统边界示意图如图 2 所示。

炭化室 煤储场

粉碎

配煤

装煤

燃烧室

焦炭

荒煤气 氨水 喷淋

焦炭产品

筛焦

熄焦

推焦

焦油

焦油加工

气液分离器 煤气

剩余氨水

焦油加工

煤气初冷 煤气脱硫

煤气脱氨

粗苯贮槽

粗苯蒸馏

终冷洗苯

净煤气

图 2 焦化生产能源系统边界示意图

3.2 基于 GaBi 平台的能流代谢模拟 基于 GaBi 平台物质代谢模拟过程主要由 GaBi 三个最主要的模块构建，分别为“流”（GaBi 中流代表 实际的物质跟能量流动，是联系各个“进程”的桥梁），“进程”（GaBi 中进程代表实际的工艺流程、技术 流程等，如熄焦工艺可以称为一个“进程”） ，“方案”（GaBi 中方案是相互关联“进程”的集合）。 将系统内的生产过程拆分成不同的方案，再把方案拆分成不同的进程。将进程插入方案，然后利用流进 行进程的连接。方案通过嵌套，可将方案与工艺通过流连接在一起，从而构成更高一阶级的方案。图 3 为方 案、进程、流的逻辑示意图。连接完毕后，就可以形成对应的物质代谢图。

流 进程1

方案A 流

流 进程2

方案B

图 2 GaBi 中主要模块的逻辑关系

将焦化生产过程中的四个子系统视为 GaBi 软件模拟过程中的四个子方案，具体工艺视为 GaBi 软件中的 进程模块，建立整个生产过程的能流代谢图。如图 4 为化产系统煤气净化工艺单元的进程模块图。 - 13 http://www.ivypub.org/fes\

图 4 GaBi 平台中的进程模块示意图

将进程连接，得到化产系统的能流代谢示意图。以此方法分别绘制备煤系统，炼焦系统和焦加工系统其 他 3 个子系统的能流代谢图。将四个子系统能流代谢图在 GaBi 中嵌套，即可得到焦化生产全过程的能流代 谢图 5。

图 5 焦化系统能流代谢模拟图

3.3 关键节点识别 依据上述代谢模拟的结果，识别焦化生产过程中能源消耗量较大的系统或单元，分析其能量损失的原因、 筛选能源系统优化的关键节点，制定优化方案。在本案例中主要以能源消耗量为识别依据展示关键节点的筛 选过程。首先在 GaBi 软件的平衡表窗口选择能源消耗量这一指标，即可得到四个系统的能源消耗量示意图 6。 从图 6 可以看出，在该焦化企业中，炼焦系统和化产系统是全厂的主要耗能单位，其中炼焦系统占总能耗的 65.46%，化产系统约占总能耗的 30.39%，两个系统耗能占总能耗的 95.85%，需要对这两个系统能源使用情 - 14 http://www.ivypub.org/fes\

况进行重点研究，挖掘其节能潜力。 备煤系统

炼焦系统

焦加工系统

化产系统

2.44% 30.39%

65.46% 1.71%

图 6 系统层面能源消耗分布情况

在 GaBi 中的平衡窗口对炼焦系统和化产系统中的工艺模块进行单独分析处理，得到两个系统的工艺单 元能源损失图，分别为图 7 和图 8。 18000

12000

16000 14000 能量损失（tce）

能量损失（tce）

10000 8000 6000 4000

12000 10000 8000 6000 4000

2000

2000

0

0 熄焦

桥管冷却

废气余热

炉壁散热

能源转化损失

图 7 炼焦系统工艺层面能量损失图

工蒸 段氨

工粗 段苯

脱煤 硫气

脱煤 氨气

业 油炉管 区 作焦式

精 苯

图 8 化产系统工艺层面能量损失图

在炼焦系统中，余热损失非常严重。焦炉加热的入方主要是加热煤气的燃烧热，热量的出方主要是以下 四个部分：炽热焦饼带走的热量，约占焦炉供热的 40%；荒煤气带走的热量，约占焦炉供热的 30%；废气带 走的热量，约占焦炉供热的 15%；焦炉炉体的表面散热，约为焦炉供热的 10%。这些余热基本没有得到回收， 而且耗费大量的冷凝介质，造成资源和能源的浪费。该厂炼焦系统中，能量损失最大的单元是炼焦过程。炼 焦单元是洗精煤转换成焦炭、焦炉煤气以及各种化学产品的过程。它的这一工艺特点决定了在生产过程中伴 有能源转换损失。在该系统中，能源转化损失较大，结合企业实地调研分析，主要原因可能是配煤水分偏高， 炭化室炉龄老化等原因造成。 在化产系统中，管式炉焦油作业区、粗苯工段以及蒸氨工段是主要的能耗损失源。管式炉焦油作业区目 前存在的问题是加热炉外排烟气温度过高，余热没有充分回收利用，此外加热炉箱体外表温度过高，有一定 热损失，两者导致焦油加热炉热效率较低。粗苯工段能耗较高主要是由于冷却风机全速运行，电动机的能量 损耗不可能按风量的实际需要进行调整，导致电能的大量浪费，生产成本的大量增加。蒸氨工段蒸汽消耗量 较大，需要开发节汽技术或无蒸汽蒸氨等新技术。

3.4 能源系统优化建议 根据以上分析，该企业应对能源系统进行优化，并关注以下方面： 第一，优化配煤。提高焦化过程能源转化效率和加热焦炉煤气利用效率，这是整个炼焦过程能源优化的 核心。能源转化效率是焦化生产过程节能降耗的制约性因素[10]。 - 15 http://www.ivypub.org/fes\

第二，加强余热回收。采用各种手段回收或降低炼焦系统四个方面的余热，实现焦炉加热煤气燃烧热的 充分利用。 第三，提高热效率。焦油作业区管式炉和蒸氨工段的热效率均比较低，需通过工艺改进或者新技术的利 用提高这两个工段的热效率。 第四，设备改造方面。粗苯工段冷却风机目前是工频运行，而实际负荷随季节变化很大，使能源上增加 损耗，可通过对设备进行变频改造等方式达到节能降耗的效果[10]。

4 结论与展望 本论文研究了物质流分析方法和分析工具 GaBi 平台在企业节能减排中的应用，通过 GaBi 平台对焦化系 统能流代谢的模拟，揭示了对研究企业生产过程中能量的流动特征分析，并以能量损失量为依据，识别和筛 选出了生产过程中能源代谢优化的关键节点，并从加强余热资源回收、提高能源效率等方面提出了能源系统 优化建议，为该企业节能减排提供了技术支撑。 GaBi 平台可为数据输入、管理和使用提供清晰的框架，并实现自动计算。在今后的研究中可以扩展到定 制国内行业数据库，通过梳理行业典型工艺流程，建立通用的标准模块，为开展行业节能减排提供支持。

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【作者简介】 1

孙丽（1986-） ，女，汉，硕士，助理工

程师，主要从事清洁生产、环境规划与

2

张稳（1986-） ，男，汉，本科，助理工程师，主要从事清洁

生产、建筑给排水研究。Email: 1234zhangwen4321@163.com

管理研究。Email: sunli711@163.com

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