王洪才，時章明，劉 波，陳 波，楊欽皓，葉 錚

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電解錳生產(chǎn)流程中物流對理想能耗的影響

王洪才1, 2，時章明1, 3，劉 波1，陳 波1，楊欽皓1，葉 錚1

(1. 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410083；2. 中南大學(xué)流程工業(yè)節(jié)能湖南省重點實驗室，長沙410083；3. 湖南節(jié)能評價技術(shù)研究中心，長沙410083)

為定量分析電解錳生產(chǎn)流程的能源利用情況，以鋼鐵生產(chǎn)流程的“基準物流圖”概念為基礎(chǔ)，建立電解錳生產(chǎn)流程的理想物流圖，提出理想能耗的計算方法。以某電解錳企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制該電解錳生產(chǎn)流程的實際物流圖和理想物流圖，計算出電解錳單位產(chǎn)品理想能耗為22.32GJ/t，并定量分析各類物流變化對電解錳理想能耗的影響。結(jié)果表明：在電解錳生產(chǎn)流程中，當出現(xiàn)物流時，將使能耗降低，有利于節(jié)能；當出現(xiàn)和物流時，將使能耗增加，而且越是后部工序出現(xiàn)這兩種物流，能耗增加的越多。為降低電解錳能耗，應(yīng)降低外排礦渣和陽極泥中Mn元素的含量，使各道工序中的含Mn物流盡量多地輸入到下一道工序。

電解錳；物流；理想物流圖；理想能耗

電解金屬錳生產(chǎn)是典型的高能耗、高污染、資源性的“兩高一資”行業(yè)。我國電解錳產(chǎn)能和產(chǎn)量的全球占比均超過98%，是世界最大的電解錳生產(chǎn)國、消費國和出口國[1]，提高電解錳能效水平已引起社會的廣泛重視。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要從電解錳清潔生產(chǎn)技術(shù)[2?5]、電解槽應(yīng)用技術(shù)[6?8]、電解錳陽極渣還原[9?10]以及電解錳污染防治[11?12]等方面對電解錳生產(chǎn)工藝進行研究，但對電解錳生產(chǎn)過程中各工序能源利用效率和生產(chǎn)流程中各工序能耗狀況及其影響因素沒有進行具體分析。

電解金屬錳的生產(chǎn)過程具有工序多、物流復(fù)雜、能耗高等特點，其中復(fù)雜的物流對電解錳產(chǎn)品的能耗、成本等技術(shù)經(jīng)濟指標都有很重要的影響。HYMAN等[13]針對流程工業(yè)開發(fā)了物流和能流的校對模型，并將其應(yīng)用到造紙[14?15]和鋼鐵[16?17]等行業(yè)；國內(nèi)部分學(xué)者采用物流分析法研究了工業(yè)部門[18]和城市間的能流狀況[19?20]，從宏觀層面分析物流與能流的相互關(guān)系。陸鐘武等[21]提出了基準物流圖研究方法，并將其應(yīng)用到鋼鐵行業(yè)，定量分析了鋼鐵生產(chǎn)流程中物流變化對能耗的影響關(guān)系[22?23]。此后，該研究方法被拓展應(yīng)用到氧化鋁[24?28]、鉛冶煉[29?30]、鎳鐵冶煉[31]和鋁電解[32]等行業(yè)，定量分析各自生產(chǎn)流程中物流對能耗的影響因素，為推動流程工業(yè)節(jié)能減排和提高產(chǎn)品能效水平做出重要貢獻。由于電解金屬錳生產(chǎn)過程與鋼鐵、氧化鋁等行業(yè)生產(chǎn)過程都屬于流程工業(yè)，本文作者借鑒鋼鐵[21]和氧化鋁[25]生產(chǎn)流程中的“基礎(chǔ)物流圖”概念，研究提出電解錳生產(chǎn)流程的“理想物流圖”分析方法，計算電解錳單位產(chǎn)品理想能耗，并應(yīng)用該方法定量分析某電解錳企業(yè)生產(chǎn)流程中各類物流變化對能耗的影響，為電解錳行業(yè)開展節(jié)能降耗提供定量分析的依據(jù)。

1 電解錳生產(chǎn)流程的理想物流圖

金屬錳是由錳礦石、硫酸、液氨等原料經(jīng)過多個物理化學(xué)變化從天然資源到最終金屬錳產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)流程主要有破碎(Crushing, CR)、化合(Combination, CO)、壓濾(Filter-press, FP)、電解(Electrolysis, EL)、后處理(Post-treatment, PT)等5道工序組成?；阡撹F和氧化鋁生產(chǎn)流程中基準物流圖的概念[21, 26]，采用e?p分析方法[27]，結(jié)合電解錳生產(chǎn)工藝，建立一種 “全封閉單行道”式的電解錳生產(chǎn)流程物流圖：1) 全流程中含Mn物流的唯一流向是從上游工序流向下游工序；2) 在流程中途，沒有含Mn物流的輸入、輸出。能夠同時滿足以上兩個條件，并以1 t Mn為最終產(chǎn)品的物流圖，定義為電解錳生產(chǎn)流程的理想物流圖，如圖1所示。

圖1 電解錳生產(chǎn)流程的理想物流圖

圖中每個圓圈代表一道工序，圓圈上方所標的1、2、3、4、5是各工序物流中含Mn元素的質(zhì)量分數(shù)(噸Mn元素在噸物流中所占比例)，在理想物流圖中，只在最后一道工序產(chǎn)出Mn成品，即5=1；圓圈下方所標的01、02、03、04、05是各工序的理想工序能耗(GJ/t合格工序產(chǎn)品)；圖中箭頭表示含Mn物流的流向，在每個箭頭旁邊的1/1、1/2、1/3、1/4是各工序的實物產(chǎn)量與Mn產(chǎn)量之比，稱其為理想折合比，并記作01、、03、04，其中1/5=05=1。

本研究中所稱的“理想能耗”，是指在不改變現(xiàn)有生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備條件下，所能獲得的最佳能耗。它是一個可望而不可及的能耗水平，不包括因為技術(shù)進步和設(shè)備更新等生產(chǎn)條件變化而提高的能耗。根據(jù)理想物流圖的定義，可得電解錳生產(chǎn)流程中1 t Mn的理想能耗0如式(1)所示：

式(1)是同各種物流變化狀況下電解錳單位產(chǎn)品能耗值進行比較的基準。

2 電解錳生產(chǎn)理想能耗計算分析

本研究以某電解錳生產(chǎn)流程為例，計算分析該企業(yè)電解錳單位產(chǎn)品的理想能耗。

2.1 電解錳生產(chǎn)流程的物流類型

實際上電解錳生產(chǎn)流程中物流不可能完全滿足理想物流圖中提到的兩個假設(shè)條件，對任何一道生產(chǎn)工序()來說，都可能發(fā)生圖2所示的物流狀況。

1)輸入物流，第?1道工序的產(chǎn)品作為原料輸入到第道工序，其錳素流量為G?1；

2)外加物流，從流程外界加入第道工序的含錳物流，其錳素流量為；

3)排放物流，第道工序向外界輸出的含錳物流，其錳素流量為；(，其中為外輸?shù)牡趇道工序合格產(chǎn)品所含錳元素質(zhì)量，是向外界輸出的不合格產(chǎn)品、生產(chǎn)損失等所含錳元素質(zhì)量)

4) 循環(huán)物流，第道及其下游各工序生產(chǎn)的不合格產(chǎn)品或廢品，作為原料重新返回到本道工序或其他上游工序循環(huán)使用，其錳素流量為；(其中，為返回本工序的物流所含錳元素質(zhì)量，為由本工序返回到其上游第道工序的物流所含錳元素的質(zhì)量(=1, 2, …,?1)，為下游第道工序生產(chǎn)的不合格產(chǎn)品或廢品，作為原料返回到第道工序所含錳元素的質(zhì)量(=+1,+2, …,)，即滿足)

5) 輸出物流，第道工序輸出給第+1道工序的合格產(chǎn)品，其錳素流量為G。

上述5類物流滿足錳元素質(zhì)量守恒關(guān)系，如式(2)所示：

由圖2可知，在電解錳生產(chǎn)流程中，有一股從第一道工序一直貫穿到最后一道工序的主物流G。除主物流外，還有3種不同類型的物流：第一類物流(物流)，是指從流程以外輸入到各道工序的含Mn物流；第二類物流(物流)，包括從各道工序輸出后又返回本工序重新處理的物流、由各道工序輸出后返回它們上游工序重新處理的物流以及由下游工序返回到各工序去的物流；第三類物流(物流)，是指各道工序向外界輸出后不再返回到生產(chǎn)流程中的各股物流。

2.2 理想能耗計算及驗證分析

以最終產(chǎn)品為1 tMn為基準，結(jié)合文獻[21?23]中相關(guān)計算方法，根據(jù)某電解錳企業(yè)年度平均生產(chǎn)和能耗數(shù)據(jù)，可繪制出其實際物流圖，如圖3所示。

圖3 電解錳生產(chǎn)流程的實際物流圖

圖3中每個圓圈下方標明了各道工序的工序能耗，在每個箭頭上方標明了各股物流折合比(噸Mn元素在噸物流中的比例)，并在括號中注明了與之相當?shù)腗n元素質(zhì)量(t)。由式(1)可得電解錳產(chǎn)品實際能耗為s=27.99 GJ/t。

同時，根據(jù)該企業(yè)的年度公告，同年度電解錳成品年平均能耗是27.95 GJ/t(成品電解錳品位為99.70%)，折合100%品位的電解錳能耗為28.03 GJ/t。與本研究計算得出的電解錳單位產(chǎn)品能耗相對誤差僅為=0.14%?？紤]到生產(chǎn)過程中如原料、環(huán)境、溫度等不穩(wěn)定因素的影響，此相對誤差在允許范圍內(nèi)，由此可驗證式(1)的可靠性。

根據(jù)理想物流圖的概念，在圖3的基礎(chǔ)上，可繪制電解錳生產(chǎn)流程的理想物流圖，如圖4所示。

圖4 電解錳生產(chǎn)流程的理想物流圖

圖4中圓圈下方標明的是各工序的理想工序能耗，箭頭上方注明的是各股物流的折合比，箭頭下方注明的是各工序產(chǎn)品Mn元素含量。

根據(jù)理想物流圖數(shù)據(jù)，由式(1)計算可得：

0=1.3430×5.5494+0.1214×44.0529+0.0190×

50.5051+7.6986×1.0468+0.5011×1=22.32 GJ/t

即電解錳生產(chǎn)流程的單位產(chǎn)品理想能耗為22.32 GJ/t，該企業(yè)實際能耗s與理想能耗0相比，當年存在25.40%的節(jié)能潛力。

3 各類物流變化對理想能耗影響

根據(jù)圖2生產(chǎn)工序的物流圖分析可知，在電解錳實際生產(chǎn)過程中有3類物流偏離理想物流圖的情況，分別是含錳物流(二氧化錳礦粉)從外界輸入流程的中間工序；下游工序的廢品(電解工序陽極液，后處理工序含錳廢水)返回上游工序重新處理；含錳物流從中間工序向外界輸出，不回收(壓濾工序輸出礦渣，破碎工序輸出粉塵及礦粉運輸損失，電解工序輸出陽極泥)。以圖1為例，結(jié)合文獻[21]中的計算方法，分別舉例分析各類物流偏離理想物流圖時對電解錳單位產(chǎn)品理想能耗的影響。

3.1 含Mn物流從外界輸入到流程工序

二氧化錳礦粉從流程外界輸入到化合工序?qū)儆谶@種情況，如圖5所示。

圖5 含Mn物流從外界輸入到流程工序的物流圖

此種情況下電解錳單位產(chǎn)品能耗1如式(3)所示：

與電解錳單位產(chǎn)品理想能耗相比，其能耗增量如式(4)所示：

同理分析可知，假設(shè)當有含Mn物流從外界輸入到電解工序時，電解錳單位產(chǎn)品能耗如式(5)所示：

與電解錳單位產(chǎn)品理想能耗相比，其能耗增量如式(6)所示：

3.2 含Mn物流返回上游工序重新處理

電解工序中的陽極液返回到化合工序重新處理屬于這種情況，如圖6所示。電解工序有含Mn物流返回到化合工序重新處理，電解工序的合格產(chǎn)品仍然保持原來的數(shù)量，即1 t，同時也會有t(＜1)含Mn物流產(chǎn)生，電解工序總實物產(chǎn)量增至(1+) t，相應(yīng)的化合、壓濾工序?qū)嵨锂a(chǎn)量也增至(1+) t。

圖6 含Mn物流返回上游工序重新處理的物流圖

此種情況下電解錳單位產(chǎn)品能耗2如式(7)所示：

與電解錳單位產(chǎn)品理想能耗相比，其能耗增量如式(8)所示：

0.04 GJ/t

分析可知，從任何工序回收含Mn物流到其上游工序進行再處理，增加該工序的工序能耗和上游接受物流工序的折合比，從而增加電解錳單位產(chǎn)品能耗。且在其他條件相同的情況下，含Mn物流返回的距離(按進出兩工序的序號差值計)越長，對電解錳單位產(chǎn)品能耗的影響越大，離理想能耗的目標越遠。因此，在流程中間工序減少含Mn物流廢品或副產(chǎn)品的產(chǎn)生和降低返料量，是降低電解錳能耗的主要的節(jié)能措施。

3.3 含Mn物流從中間工序向外輸出

結(jié)合對雙載式多層穿梭車立體倉庫聯(lián)合進出庫流程的分析，設(shè)單次入庫兩個貨物分別為i和j，貨架的列方向為x，層方向為y，目標貨位分別為(xi，yi)和(xj，yj)；出庫兩個貨物分別為m和n，所在貨位分別為(xm，ym)和(xn，yn)；I/O位置用o點表示。按照進出庫貨物是否在同一層，單次聯(lián)合進出庫分為以下4種情況進行分類討論：

壓濾工序向外界輸出礦渣屬于此種情況，如圖7所示。壓濾工序有t(＜1)礦渣向外界輸出(不回收)，此時，壓濾工序的實物產(chǎn)量仍為1 t，而總的產(chǎn)物有(1+) t，相應(yīng)地上游各道工序的實物產(chǎn)量都將增至(1+) t。

圖7 含Mn物流從中間工序向外輸出的物流圖

此種情況下電解錳單位產(chǎn)品能耗3如式(9)所示：

與電解錳單位產(chǎn)品理想能耗相比，其能耗增量如式(10)所示：

1.41 GJ/t

結(jié)果表明，從任何工序向外界輸出含Mn物流，增加該工序的工序能耗和上游各道工序的折合比，從而增加電解錳單位產(chǎn)品能耗。而且在其他條件不變的情況下，向外界輸出含Mn物流的工序越靠后，對電解錳單位產(chǎn)品能耗的影響越大，離理想能耗的目標越遠。為降低電解錳產(chǎn)品能耗，必須努力降低各道工序直接向外界輸出的不合格產(chǎn)品、廢品或其他含Mn物流。

綜合以上分析可知，電解錳生產(chǎn)流程中，各股物流對理想能耗的影響如表1所列。

表1 電解錳生產(chǎn)流程物流對理想能耗的影響

從物流角度分析，壓濾工序向外界輸出礦渣和電解工序向外界輸出陽極泥對電解錳單位產(chǎn)品能耗增量的影響分別是5.21和1.41GJ/t，合計占到所有物流對能耗增量影響的94.71%；二氧化錳礦粉被從流程外界輸入到化合工序會使電解錳單位產(chǎn)品能耗降低，影響量為?23.06%。為降低電解錳單位產(chǎn)品能耗，應(yīng)盡量減少外排礦渣和陽極泥中Mn元素的含量。

4 結(jié)論

1) 借鑒鋼鐵生產(chǎn)流程基準物流圖的概念，建立電解錳生產(chǎn)流程的理想物流圖；提出理想能耗的概念，并以某電解錳生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行計算分析，驗證理想能耗計算方法的可靠性。

2) 定量分析了電解錳生產(chǎn)流程中各類物流變化對理想能耗的影響，結(jié)果表明：在影響電解錳單位產(chǎn)品理想能耗的6股物流中，壓濾工序向外界輸出礦渣時對能耗增量的影響最大，占比達74.54%；其次，從電解工序向外界輸出陽極泥對能耗增量的影響也較高，占比為21.17%；二氧化錳礦粉從流程外界加入化合工序時，會促使能耗降低。

3) 在電解錳生產(chǎn)流程中，凡由外界向某中間工序加入含Mn物流(物流)，必有利于節(jié)能，且越是發(fā)生在靠后的工序，節(jié)能效果越顯著；凡是由流程中間工序向外界輸出(物流)或返回本工序及上游工序重新處理(物流)的含Mn物流，必將增大該工序及其上游工序的實物產(chǎn)量和折合比，從而增大電解錳產(chǎn)品能耗，而且越是靠后的工序發(fā)生上述情況(和物流)，耗能越多。

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Influence of material flows in electrolytic manganese metal process on its optimal energy intensity

WANG Hong-cai1, 2, SHI Zhang-ming1, 3, LIU Bo1, CHEN Bo1, YANG Qin-hao1, YE Zheng1

(1. School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Hunan Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry,Central South University, Changsha 410083, China;3. Hunan Research Center of Energy-saving Evaluation Technology, Changsha 410083, China)

In order to quantitatively analyze the energy utilization in the electrolytic manganese metal (EMM) process, based on the concept of standard material flows diagram of steel manufacturing process, the concept of optimal material flows diagram of the EMM process was defined and the calculation method of optimal energy intensity was put forward. Based on the EMM plant data, the real material flows diagram of this plant was figured out, and the optimal material flows diagram was established accordingly. The unit optimal energy intensity for the EMM products was calculated as 22.32GJ/t. The influences of material flows in EMM process on its optimal energy intensity were analyzed quantitatively as examples. The results show that, when the material flows ofare happened in the EMM process, the energy intensity of final product decreases, and it is beneficial for energy-saving. Nevertheless, when the material flows ofandhappen in the EMM process, the energy intensity of final product increases significantly. In order to decrease the energy intensity of EMM product, the manganese containing materials of mineral waste residue and anode mud should be reduced, and the manganese containing materials should be impelled input to the next unit process as many as possible.

electrolytic manganese metal; material flow; optimal material flow diagram; optimal energy intensity

Project(51376198) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2013SK3290) supported by the Science and Technology Funds of Hunan, China; Project (20150533218) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University, China

2015-12-28; Accepted date:2016-04-11

WANG Hong-cai; Tel: +86-731-88836930; E-mail: hongcai_001@163.com

1004-0609(2016)-08-1774-08

TF792

A

國家自然科學(xué)基金資助項目(51376198)；湖南省科技計劃資助項目(2013SK3290)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金資助項目(20150533218)

2015-12-28；

2016-04-11

王洪才，講師，博士研究生；電話：0731-88836930；E-mail: hongcai_001@163.com

(編輯 李艷紅)