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北京工商大学硕士学位论文 摘要 本文首先比较了清洁生产审核、能源审核和能量审核三者的异同认为能 量审核是指对企业的能量，包括能源审核中的一次能源、二次能源，也还应包 含对各种原料、中间产物、废弃物的能量的审核。也就是说能量审核综合考察 了企业中能源审核的内容和清洁生产审核中物质流的内容，使审核更加细分到 物质所带入的能量。 能量审核密切联系物质流内容，且现行的清洁生产审核中会对这些物质流 的各种参数进行详实的现场测量和校验。企业污染物、废弃物的捧放同时也意 味着能量的损失。故，若在清洁生产审核的同时进行能量审核将使审核内容更 加全面细致，清洁生产方案更加合理有效。将能量审核作为清洁生产审核的一 部分，并称其为清洁生产审核中的能量审核。 其次，以清洁生产审核方法学为基础，提出了清洁生产审核中能量审核的 方法学。从审核的准备、预审核，审核、可行性评估、实施到可持续清洁生产 的节能降耗阶段，分别说明如何以物质流为纲，追踪系统或企业能量流，提出 并实施节能降耗方案。 对确定的审核重点根据能量守恒原理展开能量衡算以物质的焓为基础， 将物质的焓看成是随物质移动的能量，在衡算输入、输出能量平衡时，将原 料、中间产品、产品、废弃物等各种物质形态的物质能量计入其中，认为废弃 物的产生也是一种能量的损失，针对企业物理操作过程的能量输入、输出，提 出清洁生产审核中的能量审核的能量衡算模型。根据不同侧重点，可以分别按 能量损失的不同形式计算能损率，或计算整个审核重点或其中一操作过程的能 量利用效率、能损量、能损率。 最后，假设企业蒸汽( 热水) 系统为一个审核重点，循着清洁生产审核的 能量审核方法，将蒸汽( 热水) 系统分成蒸汽( 热水) 的生产、输送、终端利 用和回收利用四个部分分别进行能量审核，并阐述如何通过能量衡算，根据能 量衡算模型找出可能存在的能损点和能损原因，并针对具体的节能机会，实现 提高能效的目的。 关键词：清洁生产审核；能量审核；能量衡算模型； 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 a b s t r a c t t h i s p a p 盯 pc o m p a r e t h ee l e a n o r p r o ( 1 u e t i o i i s , s s i i i c i i i , e n c r g y s o i l l r c 醴 m m c l aw i t he n e r g ym m c u t f i r s t l y e n e r g ym m c n t i sa c t e dt oi n d u s t r i a l e n e r g y , i n c l u d i n gp r i m r ye n e r g y ，s e c o n de l a c r g ya n dt h ei n p u te n e r g yo fa l l m a t e r i a l s , i n t e r m e d i a r i e sa n dw a s t 鹤t h a ti s , t h ci n p u te c r g yo ft h es u b s t a n c es h a l l b ct a k e ni n t oa e c o u , t , a n dt h ee n e r g ya s s e s s m e n ts h a l li n t e g r a t ee n e r g ya s s e s s m e n t w i t ht h em a s sf l o wc o n t e n to fe l e a n o rl 删l , e t i o , m m c n t t h ee n e r g ya s s e s s m e n ts h a l lb ee l o 似lt om a s sf l o w a n di nt h eo 帆峨o fa c t u a l c l e a n e rp r o d u c t i o na s s e s s m e n t , a l lp a r a m c t c l so nm a s sf l o ww i l lb cm e a s u r e da n d e l a e e l k e do i ls i t e t h ed i h a r g co fc o n t m i m t i o n s 趾dw a s l l 嚣f a - o l nf a c t o r ya l s o m c & l t l st _ a c r g yl o s s s o ，t h ee l e a n o rp r o d u c t i o na s s e s s m e n ta n dt l a ce n e r g ya s s e s s m e n t a c a r r i e do u ti nt h e 嗣皿ct i m e w l a i c l aw i l lm a k ea s s c s s m a t l tm o 他c o m p l e t ea n d d c 协j l o 正a n dm a k et h ee l e , a rl , r o d c t i o np r o p o s a lm 吡p a r t i c t t l a ra n dc t f e e t i v c t h ee n e r g ya s s s m c n ti sa sap a r to ft l a ec l e a n e rp r o d u c t i o na s s e s s m e n t , a n dn a m e d c l m c r g yr e c l i to f d e a n 盯p r o d u c t i o na s s 啪c n l s e c o n d l y ，b a s e do nt h ee l e a n o rp r o d u , 抽a s s e s s m e n tm e t h o d o l o g y ，p u tf o r w a r d t h ee n e r g ya s s 爱；s m c n to fe l m e rp l o d u c l j o na s s e s s m e n tm e t h o d o l o g y d i v i d u a l l y d e s e r i p th o wt ot r a c et h ee n e r g yf l o wo fs y s t e mo rf a c t o r yc l u e db ym a s sf l o w ，p u t f o r w a r da n di m p l e m e n t e r g yr e d u c e dp l o i ，0 s a io nt l a c s t a g e s o fa s s c 豁m c l l l p r e p a r a t i o n , p r e - a 锚e s s m c n t , a s s e s s m t , f e a s i b i l i t i e se v a l u a t i o n , i m p l e m e n ta n d s u s t a i n a b l ee n e r g yr e d u c e dp i d l ，0 s a lo fe l e a n o rp r o d u c t i o n t h ee n e r g yb a l a n c ec a l c u l a t i o no ft h ea s s e s s m e n tf o c u sw i l lb cd c v c i o p e d a o r d i n gt ot h et h e o r yo fc o n v e l , s a t i o no fe n e r g y c o n s i d e r i n gt h es u b s t a n c e s e n t h a l p ya n ds e e i n gt h ee n t h a l p ya st h ee n e r g yw i t hs u b s t a n c e ，c a l c u l a t et h ee n e r g y o fm a t e r i a l s ，i n t e r m e d i a r i e sa n d p r o d u c t sa n dw a s t ei n t oi n p u t - o u t p u te n e r g yb a l a n c e m o d c l , a n da i m e da tp h y s i c so p e r a t i o n , p u tf o r w a r dt l a ce n e r g yb a l a n c em o d e lw l a i e h i su s e dt ot h ee n e r g yl s s c s s m c n to fc l e a n e rp r o d u c t i o na s s e s s m e n t i no r d e rt os a t i s f ， 北京工商大学硕士学位论文 d i f f e r e n te m p h a s i s ，d i f f e r e n te n e r g yl o s sr a t eb a s e do i ld i f f e r e n tt y p eo fe n e r g yl o s s w i l lb ec a l c u l a t e d , o rc a l c a u l a t ct h ee n e r g ye f f i c i e n c y ，e n e r g yl o s sq u a n t i t ya n d e n e r g yl o s sr a t eo ft h ct o t a la s s e s s m e n tf o c u s o ra 丑o p e r a t i n gp r o c e s s - f i n a l l y ，s u p p o s et h ei n d u s t r i a ls t e a m ( h o tw a t e r ) s y s t e m i sa na s s e s s m e n tf o c u s a c c o r d i n g t ot h ee n e r g ya s s e s s m e n tm e t h o d o l o g yo fc l e a n e rp r o d u c t i o na s s e s s m e n t , d i v i d et h es t e a m ( h o tw a t e r ) s y s t c mi n t of o u rp a r t s ，t h ep r o d u c t i o n , t r a n s p o r t a t i o n , l c r m i n a lu t i l i z a t i o na n dr e c y c l eo fs t r , a m ( h o tw a g e r ) , a n de v a l u a t ed i v i d u a l l y a f t e r t h ee n e r g yb a l a n c ec a l c u l a t i o n , f l n do u tt h ep o s i t i o na n dr e , a s o no fe n e r g yl o s si fi ti s e x s i tb a s e de n e r g yb a l a n c em o d e t , i m p | e t m e n te n e r g yr e d u c e dt , w p o s a la n dr e a l i z e t h eo b j e c t i v eo fe n h a n c n gt h ee n e r g ye f f i c i e n c y g e y w o r d s ：c l e a n e rp r o d u c t i o na s s e s s e m e n t ；e n e r g ya s s e s s m e n t ；e n e r g yb a l a i i c c c a l c u l a t i o nm o d e l h i 北柬工商大学学位论文原创性声明 本入郑重声明：所基交的学证论文是本入在导邪指导下进行的研究工作所 取褥的疆究成果。除了文中已经瀵明弓l 蹋的内容外，论文中不包含其谴个人或 集体已经发表溅撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均鼓在文中潋赘确方式标明。本声饔翁法襻螽荣完垒峦本天承巍。 学位论文作者签名：聱遗通 日期：曰年石月磬+ 日 北京工商犬学学位论义授权使用声明 本人完全了解j e 塞工商大学裔关保鹜帮使矮学彼论文游魏定，邵：研究生 在棱攻读学位期间论文工作的知识产权单饿属北京工商大学。学校有权保留并 向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借 阕；学校可潋公毒学霞论文戆全瀑或罄分凌容，霹璇袋矮影露、缩印或其它复 制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位涂文在解密后遵守此规定) 学位论文电子舨同意提交岳，可于翻当年国一年翻二年后在学校图 书馆网站上发布，供校内师生浏览。 学袋论文嫠毒筵锄盏遗遗鼙瘁签名超嚣鬻：砷年石秀细 北京工商大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 清洁生产审核中能量审核的概念 1 1 1 能量的量和质 能量具有状态性、可加性，传递性、转换性、作功性和贬值性。其中能量 转换是能量最重要的属性，也是能量利用中最重要的环节能量传递不仅包括 形态上的能量转换，如化学能转换成热能，热能转换成机械能等，还包括能量 在空间上或时间上的转移，即能量的传输或储存。能量的利用是通过能量的传 递来实现的，故能量的利用过程通常也是一个能量的传递过程实质上，作为 能量而言，它是守恒的，不会消失的，人类利用的不是能量的数量而是能量的 质量( 品质、品位) ，即能量的质量急剧降低，直至进入环境。最终成为废 能。 能量在量方面的变化，遵循自然界最普遍、最基本的规律，即能量的守恒 和转换定律。能量守恒和转换定律指出：。自然界的一切物质都具有能量；能 量既不能创造，也不能消灭，而只能从一种形式转换成另一种形式，从一个物 体传递到另一个物体；在能量转换与传递过程中能量的总量恒定不变。” 能量不仅有量的不同，还有质的高低。热力学第一定律只说明了能量在量 上要守恒，并没有说明能量在。质”方面的高低。热力学第二定律的实质就是 能量贬值原理它指出，能量转换过程总是朝着能量贬值的方向进行。能量从 。量”的观点看，只有是否己利用、利用了多少的问题；而从“质”观点看， 还有个是否按质用能的问题。所谓提高能量的有效利用，其实质就是在于防止 和减少能量贬值发生。 根据能量贬值原理，不是每一种能量都可以连续地、完全地转换为任何一 种其他的能量形式。从转换的角度，可以把能量分为“火用( e x e r g i e ) ”和 。火无( a n e r g i e ) ”两部分。火用又称为可用能或有效能，即在给定的环境 条件下，它可以连续地完全转换为任何一种其他形式的能量。火无又称为无用 能或无效能，是一种不可转换的能量。各种不同形式的能量，按其转换能力可 分为三大类：( 1 ) 无限转换能( 全部转换能) 它可以完全转换为功，称为 1 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 “高质能”高质能全部都是火用，如电能、机械能、水能、风能、燃料储存的 化学能等。( 2 ) 有限转换能( 部分转换能) 称为“低质能”，如热能、流动 体系的总能( 通常用焓表示总能的大小) 等。( 3 ) 非转换能( 废能) 它受环 境限制不能转换为功，称为。废能”。然而实际上由于各种过程都不可避免地 存在各种损失，都是不可逆过程，因此即使对高品质能量而言，其传递和转换 的效率也不可能是1 0 0 如：1 ) 从设备的壁面，由于辐射、对流、导热而损 失的能量。2 ) 被从设备捧出的物质带走的能量。3 ) 设备内由于发生不可逆过 程所损失的可用能。对第一类损失，其引起的原因有：设备的保温性能不好， 密封不严，有空隙；设备内的温度和压力波动，设备的频繁启动、停车等。对 第二类损失，有烟气、冷却水、炉渣等带走的热量；以及燃烧不完全，漏入的 空气过多，传热不好，设备设计不完善，烟气旁通等原因第三类损失通常是 没有注意到的，其特点是热量完全没有损失，而是发生了无益的能量质的降低 【l 】 在能量利用中热效率和经济性是非常重要的两个指标由于存在着耗散作 用、不可逆过程以及可用能损失，在能量转换和传递过程中，各种热力循环、 热力设备和能量利用装置，其效率都不可能是1 0 0 的。 1 1 2 物质的焓 自然界的一切物质都具有能量，任何一种状态下的物质都可以看成是一个 处于某种热力学平衡态的体系在实际运用中，我们可以用状态函数焓来衡量 一种物质所含的能量。焓( h - u + p v ) 具有能量的量纲，但没有确切的物 理意义，不能理解焓是。体系中所含的热量”嘲。但是在实用中，我们可以把 焓看成是随物质转移的能量。焓的绝对值无法求得，一般假定某一状态( 一般 取1 0 1 3 2 5 p a 下，0 c 的液体) 为基准，基准态纯物质为零；而把某一状态与 基准态的焓差视为该状态下该物质的焓嘲。当物质状态一定时，焓的值也被确 定，可以用温度和压力两个参数来表示和确定。 2 北京工商大学硕士学位论文 1 1 3 清洁生产审核、能源审核、能量审核三者之间的异同 清洁生产是将整体预防的环境战略持续应用于生产过程、产品和服务中， 以增加生态效率和减少人类及环境的风险其中，对生产过程的要求是节约原 材料和能源、淘汰有毒原材料、削减所有废物的数量和毒性“1 从清洁生产的 定义可以看出：能源也是清洁生产审核的主要对象。清洁生产审核的目的是判 定出企业不符合清洁生产要求的地方和做法，并提出解决方案，达到节能、降 耗、减污、增效的目的。能源审核是对企业目前的能源利用状况综合分析与评 价，分析高能耗、低能效的部位，并提出相应对策措施，企业能源投入成本下 降，产品和服务更具有竞争性，以推动经济繁荣，更合理地分配能源资源，减 轻环境压力旧能源审核主要是以企业一次能源、二次能源的利用为线索对企 业耗能进行审核。清洁生产和节能降耗相辅相成，一方面减少能耗，降低了能 源生产过程中的废物排放，另一方面，减少废物的产生量，也就降低了处理废 物的耗能量。 能量审核是指对企业的能量，包括能源审核中的一次能源、二次能源，也 还应包含对各种原料、中间产物、废弃物的能量的审核。也就是说能量审核综 合考察了企业中能源审核的内容和清洁生产审核中物质流的内容，使审核更加 细分到物质所带入的能量。由于物质带入的能量可以由物质的相应状态参数 ( 温度、压力等) 来计算确定，能量审核密切联系物质流内容，且现行的清洁 生产审核中会对这些物质流的各种参数进行详实的现场测量和校验企业污染 物、废弃物的捧放同时也意味着能量的损失清洁生产审核的目的从源头减少 废弃物的产生，同时也是从源头减少了企业能量的损失。故，若在清洁生产审 核的同时进行能量审核将使审核内容更加全面细致，清洁生产方案更加合理有 效。也就是说能量审核可以作为清洁生产审核的一个工具，也可以作为清洁生 产审核的一个组成部分将能量审核作为清洁生产审核的一部分，称其为清洁 生产审核中的能量审核，可以在通用清洁生产审核方法学的基础上进行，只是 方法学的阐述和实施中侧重点不同。 3 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 1 2 清洁生产审核中能量审核的重要性 废物产生的数量往往与能源、资源利用率密切相关。清洁生产审核的一个 重要内容就是通过提高能源、资源利用效率，减少废物产生量，达到环境与经 济。双赢”目的。所以对作为环境因素之一的能量流进行审核具有相当的重要 性和必要性。 1 2 1 清洁生产审核中能量审核的目的 清洁生产审核中的能量审核是一种基本的、实用的方法，常用于： 1 ) 明确整个工厂或操作的具体能耗特征； 2 ) 鉴别节能降耗的范围； 3 ) 依照一定的标准，对节能方案进行评价； 4 ) 选择实施切实可行并具有经济效益的方案。 清洁生产审核中的能量审核作为清洁生产审核的有机组成部分，系统的鉴 别出节能机会，提高能效，并减少废弃物产生，从而推行节能技术，节省能耗 成本。其主要目的在于： 通过能量审核，进行能量平衡计算，提高能量回收利用的可能性； 开展资源节约和机构调整相结合的技术改造； 制定目标明确的能源节约规划，提高企业节能降耗的管理； 定性分析和定量分析相结合，对企业节能进行系统评价； 提高企业对提高能效获得效益的认识，提高企业的经济效益和环境效 益。 1 2 2 清洁生产审核中能量审核的意义 1 ) 提高企业能源及能量利用效率。 能量审核的过程能够提供给企业大量有用的信息用于针对一个特殊操作或 整个工厂( 车间) 的评价。节约能源，提高能效是提高我国经济运行质量、改 善环境和促进经济可持续发展、提高企业竞争力的重要措施。以空压机为例， 空压机系统设计或设备选型都是按照最大负荷条件( 即1 0 0 负荷) 进行的， 但在实际使用中生产线工况是变化的，调查和资料显示：一般压缩空气系统的 4 北京工商大学硕士学位论文 负荷率为6 0 7 0 当负荷率为6 6 时，其能耗和电费是满载时的7 8 ， 也就是说，当压缩机以6 6 负荷运行时，能耗浪费比例占实际能耗的1 5 嗍。 2 ) 降低成本，提高经济效益 通过安装先进能效的设备、规范工厂运行以减少水电费用、加强管理等措 施即可减少能源成本减少废弃物的捧放量，节省废物管理和处治成本。能量 审核不仅能使企业获得经济效益，而且使企业满足各项规章制度对其的限定。 经济效益是企业实施清洁生产中能量审核的最主要动力之一。就算当经济效益 不是实施清洁生产中能量审核的唯一因素时，经济效益也将是其最有影响力的 因素之一 3 ) 实现企业清洁生产的能量量化评价 能量指标易于量化，可以做定量评价，划分为较为详细的等级，把能量利 用效率作为清洁生产审核的其中一个评价指标。 4 ) 改善企业管理水平 我国企业管理水平普遍不高，尤其在商务管理及成本效益意识方面。在小 型及中型企业存在着这样的问题：测量和监控不足、不准确可靠致使盲目规 划，资源浪费和造成环境污染严重；不能做到定期维护检查系统；操作员工缺 少责任感，环境意识薄弱，操作监控跟不上等造成工厂跑、冒、滴、漏严重。 管理的提高可以减少污染达1 0 - 2 0 ，企业管理者资源和环境意识的提高，管理 态度的改变，是清洁生产成功的基本要素。 5 ) 提高企业形象 随着公共环境意识的提高，企业在公共关系和公共形象等方面都将有所提 高。 1 3 国外清洁生产审核中能量审核的现状 在美国，能量管理已经普遍应用于制造行业中，已有众多类型的工厂包括 农业、铝制造业、化学制品、木材行业、玻璃、铸造、采矿、石油和钢制造业 都已经开展o i t s 未来工业战略。这些工厂采用新的更有节能潜力的技术，通 过参考已经成功的技术，正在研究中的技术，借鉴其他制造商的成功经验。另 5 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 外，这些工厂在全厂范围内进行能量评价，包括能量审核和工艺系统评价，如 压缩空气，电机、蒸汽和工艺加热都在评价范围内册 1 3 1 清洁生产审核中能量审核方法的发展 美国对于清洁生产审核中能量审核方法的发展主要包括清洁生产评价方法 和工业能量运用最优化模型两个方面。美国环保署2 0 0 1 年发布( g u i d et o i n d u s t r i a la s s e s s m e n t sf o r p 0 1l u t i o np r e v e n t i o na n d e n e r g y e f f i c i e n c y 中，对工业清洁生产和能量效率评价的方法作了描述，例证了能 量审核的可行性。 由美国能源部提出的。能源足迹”模型描述了美国多个工业行业的能源供 应、需求和损耗流，运用于造纸工业，能高度集中的表示其能量流，表示出用 于产生热和电的总的输入能量。这个模型把输入能量归为三类：矿物和生物燃 料，能源供给和电厂供电。给出了各个泵、风机等机械设备的能量配给，以及 能量的机械损失、系统损失和电在发电过程和传输过程中的损失。 根据热力学第一定律可以计算热量的消耗量，可以给出能量消耗的数量信 息；根据热力学第二定律可以计算热量的质量的变化，可以给出能量的不可逆 程度。| lh o l m b e r g 和p a b t i l a 对制浆造纸厂的一级烘干和多级烘干的能耗 进行了评价，得出结论，蒸汽压力和温度以及烘干系统对能效的影响叫 蒸汽布水系统和冷凝回收系统用于将锅炉车间产生的蒸汽送至各加热系统 和工艺设备，然后将冷凝水回送至锅炉作为补给水造成能量损失的因素有管 道尺寸、疏水器、泄漏和保温等嗍 t g e m c t 等对土耳其的一家制浆造纸厂的硫酸盐法制浆的流程分别进行了能 量和e x e r g y 分析，能量流分析基于热力学第一定律，e x e r g y 分析基于热力学 第二定律，考虑了流程中能量质量的变化。由于不可逆绝热燃烧、混合、节流 和热量传递等原因导致燃料燃烧产生的化学能不能完全转化成机械能或其他种 类的能，运用能量流分析不利于于找出引起热力学损失的原因，而运用e x e r g y 分析，则能明确的给出工艺流程中热力学损失，进而有利于改进热化学工艺流 程j o 】。 6 北京工商大学硕士学位论文 m i n d ( m e t h o df o ra n a l y s i so fi n d u s t r i a le n e r g ys y s t e m ) 最优化方 法可以用以改善工业流程的结构设计和进行旨在整个系统成本最小化的流量最 优化分布。m i n d 模型可以表示成： 目标函数：m i n i m i z ef ( x y ) f g ( x ，y ) 0 约束条件： h o ，y ) c b o ；y 伽】；c 是常数 x 是自变量，y 是应变量，f ( x ，y ) 是目标函数。运用m i n d 方法的目的是使系 统成本最小化，系统成本包括投资成本、运行成本、原料和能量成本。 m 也t a r i 等运用m i n d 对制浆造纸厂做案例研究，提出能量储存的最优化模型 并分析能量储存对整个能量系统的成本影响。作者通过能量流分析，进行热量 衡算，提出造纸厂热量储罐运用的可行性“”由于欧洲电力市场变动显著借 鉴原料物质存储的最优化方法，作者提出了根据供电的即时价格，最优化造纸 厂电力供应的模型0 4 。为满足可持续发展的要求，更多的工业流程增加了能量 和物质的回收利用，m e ig o n g 提出了附有反馈回路的m i n d 的最优化方法 m i n d f n 町。 s a r i m v e i s 等人运用混合整数线性规划( m i l p ) 的数学方法检验了制浆造 纸厂电力车间的能量最优化管理，目的在于使整个工厂的耗能的成本最小化 【l 町 英国学者 m n b o f fb 提出的夹点技术( p i n c ht e c h n o l o g y ) 是一种卓有成 效的过程能量综合方法，可以准确的找出换热网络中的夹点，有效地进行换热 网络的最优化设计，最大限度地利用能量“”“”基于夹点技术，c b e n g t s s o n 等 提出了一种用于检测工厂中余热利用的潜在性和经济性的新的曲线组，能用于 确定余热排放的最高温度和各个温度的余热量，以及给出已经存在的系统中安 装换热器或冷却器的位置信息，另外，利用矩阵法验证了根据新的曲线方法改 进换热器组的经济可行性“” 6 i r a l d o 和h y m a n 以美国1 9 9 1 的造纸工业数据为基础，对造纸工业终端 能量利用做了研究“”。论文中假定了造纸工业都是通过蒸汽循环实现利用废热 发电的，不同的燃料运用不同的锅炉产热效率，并且未考虑蒸汽配给热损失。 7 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 把所有矿物和生物燃料分成r e s i d u a lf u e lo i l ，d i s t i l l a t ef u e lo i l ，天然 气，液化石油气和液态天然气，煤，煤渣和其他能确定数量的燃料。并根据下 面的造纸厂主要能流图进行能量供给和配给核算。核算了电和蒸汽的输入、输 出。 购入电量 出售电量 其他废弃 物料 购入蒸汽 燃料燃烧 图l l 造纸厂主要能量流图 a r t h u rd l i t t l e 运用1 9 9 4 年肛c s 数据提出了造纸工业能量运用模型。 他们把利用图表分析了三个部分的能流：燃料、蒸汽和电力，但没有把各种燃 料分别列出在这个模型里，把蒸汽和电力发电作为利用废热发电系统的一个 部分，并没有分开考虑废热和回收利用的废热n 町 根据能量守恒原理，当能源总量一定时，一个部门或行业的能源消耗 量，会对其他部门或行业的能源可以使用量产生影响，所以，有了工业能源优 先分配方法，在一个工业部门或整个工业系统中，对能源进行最优化分配汹1 清洁生产审核中，众多案例表明，厂内回收利用和改进技术是最有效的选择， 不同的清洁生产技术可能具有相似的效益，但是最终做出何种选择，则完全依 赖于其各种技术的经济可行性1 。 美国政府和州政府、日本经济产业省为中小企业免费提供能源审核，美国 工业企业通过能源审核，节电2 - 8 ，电力公司为住宅节能提供能源审核服 8 北京工商大学硕士学位论文 务，平均节能3 - 5 。加州政府为实施建筑能效标准，对数以万计的建筑商、 设计师、装修者和检测人员进行培训。 1 9 9 6 - - 9 7 年美国科罗拉多州大学的工业评价中心( c s u i a c ) 对2 5 家中小 型制造企业进行了清洁生产审核。审核结果共产生有成本效益的的节能降耗、 清洁生产、提高生产率的方案1 7 6 项，其中9 2 项有关节能降耗的，5 4 项有关 清洁生产技术的，和3 0 项利于提高生产效率的。执行这些方案，每年可节省 成本$ 4 6 0 万，其中节能降耗可节省成本$ 1 7 5 9 年，清洁生产可节省成本$ 7 0 2 9 年，提高生产率节省成本$ 1 3 3 6 7 9 年，投资回收期为0 4 4 年“。 看起来推行清洁生产的优势显而易见( 减少污染、节省成本、提高适应 性、工艺效率、减少倾向性) ，但是清洁生产往往不能被快速推行或实旆，美 国i u i n o i s 的废弃物管理和研究中心( w a s t em a n a g e m e n ta n dr e s e a r c h c e n t e r ) 已经就此现象做了调查和研究，发现成功的案例对于顺利推行清洁生 产尤为重要嘲。加拿大多伦多的区域可持续性研究( t r s p ) 发现企业推行清洁 生产有下列7 大动力汹1 ，按降序捧列分别是：政府强制规定、协同资金项目、 工作需要、符合环境规范、降低风险、节能降耗和提高效率。 1 4 国内清洁生产审核中能量审核的现状 s m i t hr 曾在1 9 9 5 年提出过程能量优化综合技术作为过程工业节能降耗 和提高竞争能力的有效手段，成为清洁生产的关键一环，其基本目标是能源消 耗最小化嘲随后大连理工大学的俞红梅、张曾子和姚平经都认为清洁生产与 过程能量优化综合技术在理论方法上是相通的，他们在总结换热网络。夹点分 析”的基础上，发展了“水夹点”技术，对质量交换网络的理论进行深入的探 讨，并开展工业废水最小的应用研究“1 。探讨。生命周期评价”技术在化工过 程中的应用，建立化工过程的生命周期模型，开发基于进化算法的清洁生产求 解框架姗。姚平经在多年从事过程系统能量优化综合的理论研究及工业生产装 置技术改造实践的基础上，发展了过程系统能量优化综合技术例洲，主要 有：1 ) 基于热力学原理，首次提出了“过程用能一致性原则”。根据热力学 第一、第二定律从用能本质的角度把反应、分离、换热、热机、热泵等过程 的用能特性抽提出来，转化为当量的冷、热流股，使得大规模、复杂的全过程 9 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 系统从用能的本质上统一为整体。其能量优化综合问题转化为相应的有约束换 热网络系统的最优化综合问题。2 ) 将“夹点分析”划分为系统的。操作型夹 点计算”和。设计型夹点计算”利用操作型计算来正确地描述能量在系统中 的流动分布情况，进而作出用能状况诊断；在用能诊断的基础上，利用设计型 夹点计算，对系统采用能量集成策略进行调优。3 ) 改进了采用单一的a z ( h e a tr e c o v e r ya p p r o a c ht e m p e r a t u r e ) 来确定过程系统夹点的传统方法， 利用有效温位进行过程系统的能量优化综合，简化了计算，并提高了工程实用 性4 ) 建立严格的系统能量优化综合混合整数非线性规划( m i n l p ) 模型，以 过程的能演消耗费用、投资费用、对环境污染最小以及系统柔性为优化综合目 标；发展了遗传算法、模拟退火等进化算法，能够成功地求取大规模系统能量 综合的最有解。1 9 9 9 年，姚平经首次将过程能量优化综合和清洁生产放在了一 起研究“”目前，夹点技术常被用于企业能量集成改造恤1 和节水分析嘲。 华南理工大学华贲教授建立和发展了过程系统热力学分析和能量综合优化 的“三环节”策略方法首次阐明了过程系统的能量流结构特征，并建立了有 普遍性的、严格的数学模型；将( 火用) 经济学方法运用于过程系统分析和优 化，提出了优化和调优的策略方法和途径，阐明了各子系统之问的相互影响机 制和相互制约关系嘲儿圃。教授尹清华等以。三环节”能量流结构理论为基础建 立了精馏过程多工况优化设计的( 火用) 经济数学模型，提出了精馏过程的多工 况优化设计策略方法：将其分解为单个塔的多工况优化设计和塔间热集成的优 化两个层次，有效输出( 火用) 价和待回收( 火用) 价为协调变量来解决多工况优 化设计问题”1 咖。2 0 0 4 年，谢新安、刘焕彬等建立了造纸企业。三环节”能量 结构模型，对某造纸企业的能量系统进行了热量平衡、( 火用) 平衡以及能量效 率进行了计算和分析，并分别对能量利用环节、能量回收环节和能量转换环节 的能量利用、能量回收和能量转换效率进行了评价嗍油1 。 1 5 国内在实施清洁生产审核时未能全面实施能量审核 已经有大量的有关清洁生产审核的指导性教材，书籍，资料等，也有大量 的有关企业能量流、能源审核的资料。但是国内却几乎没有把能量审核融入到 清洁生产审核中去的资料和具体操作指南。企业能量平衡、能量审核本来就应 1 0 北京工商大学硕士学位论文 该是属于清洁生产审核一部分。至于清洁生产审核时未能全面实旌能量审核， 究其原因如下： 1 ) 节能本身存在市场缺陷和市场障碍 节能投资缺乏吸引力，能源效率往往不是企业或消费者关注的首要问 题；许多企业能源费用占成本的比例很小，或者较高的能源成本可以通过 提价来回收；外部成本，特别是能源生产利用的环境成本，以及保障能源 安全的评价没有计入能源价格。 2 ) 政府调控力度不够，能源消费体制弊端突出 据世界银行以及美国、加拿大、俄罗斯等国的研究，市场力量对实现 节能潜力的贡献率仅为2 0 左右；在现今能源短缺的形势下，不重视节能 或能效，与电力行业大量的投资扩张相比，节能投资显得微不足道；对政 府的审批部门来说，节能不在他们的审批范围之内。 3 ) 我国推行清洁生产审核的本身动力不足 环境意识生态消费现实化程度低 平时的宣传舆论就没有引导大家 去考虑节能、能源效率，对节能的重要性缺乏足够的认识； 缺乏推行清洁生产审核的外部支持能量审核技术要求高，缺乏专 业的审核人员、审核制度等，节能监管和服务机构能力建设落后 我国企业推行清洁生产的内部条件不足 我国还没有走出高增长、 高消耗、高污染的粗放型扩张的经济增长模式，企业管理水平不完善， 缺乏有效的节能激励政策。 4 ) 我国目前进行的清洁生产审核，注重从源头减少污染物排放，注重间接 节能( 结构节能) ，清洁生产技术节能，而缺少审核直接节能( 技术节 能) ，即提高能源转换环节和终端能源利用环节的能源利用效率 5 ) 理论研究不足 国内对于能量审核的理论研究不足，至今没有完善的旨在提高能量利用 效率的能量审核方法。对于能量审核的范畴、审核中能量的计量方法、 如何寻找高能耗、好能损的原因等缺乏相应的理论研究。 1 1 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 1 6 研究内容 通过查阅大量的文献资料，发现国内企业有关能量的审核主要集中在能源 部分，也就是企业一次能源、二次能源的利用方面的审核而清洁生产的审核 则主要集中在物质流方面的审核，从源头减少污染物的产生，主要集中在追踪 企业物质流。本文研究的主要内容是清洁生产审核中能量审核的方法学。研究 能量审核方法学的目的是为了能够找到一种旨在提高企业能量利用效率的科学 的有效的标准化方法。其主要内容包括： 1 ) 在清洁生产的审核内容中融入能量审核的内容，从审核的准备、预审 核、审核、可行性评估、实施到可持续清洁生产的节能降耗阶段，分别 说明如何以物质流为纲，追踪系统或企业能量流。 2 ) 将能源审核和清洁生产中的能量审核区别开来，能源审核主要追踪企业 中的一次能源、二次能源的利用，找出高能耗、高能损的部位，寻找其 原因，提出并实施旨在节能降耗的方案。清洁生产中的能量审核则更侧 重于对过程能量的审核，在物质流、废物流的基础上，对能量进行审 核，以期提高企业能效。 3 ) 在对审核重点做能量衡算时，提出根据不同侧重点，可以分别计算按能 量损失的不同形式计算能损率，或计算整个审核重点或其中一操作过程 的能量利用效率、能损量、能损率。 4 ) 提出需建立设备、单元操作过程等的能损率评价标准，在标准范围内的 能损率是可以被允许的 5 ) 以物质的焓为基础，将物质的焓看成是随物质移动的能量，在衡算输 入、输出能量平衡时，将原料、中间产品、产品、废弃物等各种物质形 态的物质能量计入其中，认为废弃物的产生也是一种能量的损失，通过 能量衡算，找出高能耗、高能损的原因，提出并实旋清洁生产的节能降 耗的方案，旨在减少污染物、废弃物产生量，提高物质能量的利用效率 和能源利用效率。 6 ) 针对企业物理操作过程的能量输入、输出，提出清洁生产审核中的能量 北京工商大学硕士学位论文 审核的能量衡算模型，由于化学过程的能量衡算相对较为复杂，未在本 文中叙及。 7 ) 假设企业蒸汽( 热水) 系统为一个审核重点，循着清洁生产审核的能量 审核方法，将蒸汽( 热水) 系统分成蒸汽( 热水) 的生产、输送、终端 利用和回收利用四个部分分别进行能量审核，并阐述如何通过能量衡 算，找出可能存在的能损点和能损原因，并针对具体的节能机会，实现 提高能效的目的。 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 第二章清洁生产审核中的能量审核方法和程序 节能降耗和清洁生产相辅相成，互助互利。也就是，通过节能降耗可以减 少在能源生产过程中产生的废物量，同时，废物量的减少也会相应减少废物治 理所需的能耗。 节能降耗也能达到减少资源耗用量的目的。节能降耗实施可以减少由于运 用能源而产生的污染物。例如，工厂使用锅炉产生蒸汽用于生产生活，如果绕 行整个厂区的蒸汽管道不采取保温措施，那么为确保所需蒸汽的温度，就要消 耗更多的天然气或煤等燃料蒸汽管道的保温措施有助于使蒸汽长时间保持在 所需温度。这样，有助于减少用于产生蒸汽的天然气或煤等燃料量，达到节能 的效果，也有助于减少锅炉燃烧天然气或煤等燃料所产生的污染物。 要实施清洁生产审核中的能量审核，首先要确定是否真的需要进行能量审 核，然后确定清洁生产中能量审核的类型，内审还是外审。接下来主要从总体 上讨论清洁生产审核中开展能量审核的概念、审核方法学和审核实施的组织程 序等。 2 1 能量审核程序框架 清洁生产审核中的能量审核主要是对现存的运行工艺进行深度审核，目的 在于通过节能降耗提高运行效率和能源效率。其中重要的是要牢记审核的目的 是为了提高运行效率，而不应该集中在环境指标和安全指标的达标问题。当然 如果存在需要解决的特殊问题则需要审核小组讨论解决。例如，锅炉废气捧放 不达标，不仅损失大量热量，而且污染超标，就此审核小组应讨论如何达标的 问题。 在通用的清洁生产审核程序的基础上，以侧重企业能量流为前提，确定能 量审核的程序如下： 1 4 北京工商大学硕士学位论文 l1 确定审核方式l1 组建审核小组 一j2 筹划和组织2 取得管理层支持 段13 制定审核计划i 3 确定审核对象磊目标 i4 培训 r1 能量使用现状调查 i2 能量浪费损失调查 段3 确定审核重点和需监测参数 l4 确定能量审核目标、权重打分并编写预审核报告 、5 提出和实揸无“氐费方案 ，1 对审核重点进行监铡和分析 l 2 实测输入输出物质各参数( 包括组成、温度、压力等) l 井完成物质和能量街算 3 工艺评价( 分析废物流和能量损失的原因) i 4 采集合理化建议并提出并筛选节能降耗方案 i5 提出和实施无，低赞方案 l1 技术性评价 j2 环境评价 段1 3 经济性评价 i4 确定实施方案 ，1 调整项目，获取资金 i 2 安装设备 j3 执行实施 i4 评价实施结果的性能 i5 编写能量审核报告 成功实施节能项目，持续清洁生产 图2 一l 清洁生产审核中能量审核程序框架 本文以清洁生产审核中审核企业热能为线，来阐述清洁生产审核的同时进 行能量审核的方法，并提出相应的评价因子。 清洁生产审核中能量审核方法学的理论研究 2 2 能量审核准备阶段 这一阶段包括审核方式的确定、筹划、制定审核计划和培训四个步骤。这 一阶段要求组建审核小组、取得管理层支持、确定审核对象