面向可持续氧化铝生产的经济高效电热耦合综合能源系统设计

《Energy》：Designing cost-effective electricity-heat integrated energy systems for sustainable alumina production

　　

电热耦合能源系统（EH-IES）为支持传统氧化铝生产脱碳提供了提供电力和多压力蒸汽的有前景的途径。然而，现有方法仍未能充分表征凝结水回收、电加热、分级蒸汽产生和压力匹配蒸汽输送之间的系统级相互作用。在此，提出了一种用于可持续氧化铝生产的新 EH-IES，并开发了一个混合整数线性规划（MILP）框架用于系统设计和运行集成，以总年成本（TAC）和温室气体（GHG）排放为竞争目标。结合 ε-约束法和 TOPSIS 进一步量化了经济性能与减排之间的权衡。以年产能 200 万吨的绿色氧化铝厂为案例研究，结果显示，经济驱动设计最小化了 TAC，但仍高度依赖常规热电联产和燃气锅炉，而以可再生能源为主导的设计以显著更高的成本实现了更高的可变可再生能源集成。帕累托最优设计提供了最低的 GHG 排放，并在经济性能与减排之间提供了有利的权衡，TAC 为 6.8291 亿 CNY，GHG 排放量为 23.825 万吨，相对于经济驱动案例，成本增加约 55.64%，排放减少 58.20%。这一性能得益于风电、电极锅炉以及高中低压固体热储锅炉的协调部署，共同实现了电热解耦和稳定的多压力蒸汽供应。这些发现为绿色氧化铝生产中具有成本效益的 EH-IES 设计提供了宝贵的见解和实用指南。

在碳中和目标和工业深度脱碳紧迫性的驱动下，绿色氧化铝已成为中国传统铝业可持续转型的战略途径 [1,2]。然而，氧化铝生产具有连续且高强度的电力和多压力等级蒸汽需求特征，需要稳定供应以维持连续过程操作 [3,4]。目前，这些电力和热力需求仍主要由化石燃料来源满足，包括燃煤发电、热电联产发电和燃煤锅炉 [5,6]。因此，氧化铝行业面临着巨大的减少碳排放压力 [7] [8]。用于产生过热蒸汽的传统燃煤锅炉系统本质上效率低下 [9]，由于煤炭燃烧效率仅为 35% 至 38%，且在蒸汽通过管道传输过程中存在相当大的损失（8-12%）[10]。在实际的氧化铝精炼厂中，拜耳法通常要求连续供电以及不同压力等级的饱和或过热蒸汽用于消化、蒸发、沉淀和辅助加热过程 [11]。取决于工厂配置和工艺路线，蒸汽通常通过低压、中压和高压蒸汽管网供应，而整体能源需求包括大量的电力消耗和用于过程加热的大量热能消耗。目前，许多氧化铝厂仍依赖燃煤锅炉、燃煤热电联产机组或购买电网电力来满足这些耦合的电力 - 蒸汽需求。还探索了几种用于氧化铝生产的替代脱碳途径，包括直接电气化、基于氢的加热、碳捕集和过程强化。直接电气化可以减少现场化石燃料燃烧，但其应用于连续多压力蒸汽供应仍面临可再生能源可变性和过程可靠性要求的挑战。基于氢的加热提供了一条潜在的低碳燃料替代路线，但仍受限于氢生产成本、储存、运输和燃烧器改造要求。碳捕集可以减少现有化石燃料机组的排放，但不能从根本上减少燃料依赖，并可能引入额外的能量惩罚和系统复杂性。过程强化可以提高能源效率，但通常受限于特定过程的约束，可能无法完全解决耦合的电力 - 蒸汽供应问题。相比之下，EH-IES 通过协调可再生能源电力、电加热、热能储存、凝结水回收和多压力蒸汽网络，提供了一条系统级途径，使其特别适合于支持连续氧化铝生产中的稳定和低碳运行。因此，有必要开发高效的电热耦合能源系统（EH-IES）用于可持续氧化铝生产，该系统可以同时确保持续稳定的电力交付和多压力蒸汽供应，增强可再生能源集成，并减少对化石燃料的结构性依赖。

近年来，由于 EH-IES 在高效跨矢量能源集成方面的潜力，受到了越来越多的关注 [12,13]。该领域的研究已从传统的基于热电联产和锅炉的供应架构 [14] 发展为协同电热耦合框架，该框架联合优化可再生能源发电、电能转热能技术和蒸汽网络，以平衡脱碳和经济性能 [15] [16]。

在此背景下，越来越多的工作推动了 EH-IES 的建模、规划和运营 [17] [18]。Qin 等人 [19] 提出了一种广义准动态模型以及基于分解的迭代求解方法，将建模精度提高至平均误差 0.09%。Zhang 等人 [20] 开发了一种考虑当地和国家基础设施的集成规划模型，并量化了 EH-IES 对英国脱碳战略的贡献。Wu 等人 [21] 引入了一种容量配置和需求响应的联合优化方法，实现了经济性能和运行灵活性的同步改善。Yu 等人 [22] 提出了一种考虑供热管网热储容量的城市综合能源系统站网协调规划方法，协同优化站址选址、容量配置和网络拓扑。Dai 等人 [23] 明确将电锅炉和热能储存纳入多热源系统以增强运行灵活性，而 Zhang 等人 [24] 进一步建立了电热储锅炉选址、定容和运行优化的双层规划模型。

对于面临可再生能源可变性的高耗能工业过程，几项研究已开始探索特定领域的能源系统配置。Tang 等人 [25] 提出了一种由气象预报辅助的风 - 光 - 熔盐耦合能源系统，以满足氧化铝浸出过程的稳定蒸汽需求。然而，现有研究主要关注工业园区或通用综合能源系统场景，因此仍不足以捕捉绿色氧化铝生产中电力、多压力蒸汽和关键工艺之间的严格过程约束和耦合关系。为了确保在可变可再生能源电力下可靠的工业蒸汽供应，热能储存（TES）越来越被引入 EH-IES [26] [27]。TES 允许将低成本电力转化为储存的热能，并在需要时释放为热或蒸汽，从而实现时间负荷转移，并部分地将电力消耗与蒸汽交付解耦 [28] [29]。最近的研究证明了 TES 在增强 IES 灵活性和脱碳性能方面的潜力。例如，Drei?igacker 等人 [30] 提出并实验验证了一种双模式电加热高温固体 TES 系统，该系统能够进行电充电和对流热放电。Steinmann 等人 [31] 开发了一种压缩热能储存系统，该系统通过耦合热泵和热机循环实现双向电热转换，同时还提供热电联产功能和季节性适应性。此外，Guo 等人 [32] 分析了不同 TES 配置下风 - 光互补熔盐储存系统的经济性能。对于氧化铝精炼等高温过程工业，直接电气化蒸汽供应已被确认为一种可能可行的脱碳途径 [33,34]。Sáez-Guinoa 等人 [35] 进行了全面的技术经济评估，并表明氧化铝生产的电气化可以大幅减少 CO2 排放。Yang 等人 [36] 提出了一种两阶段双层优化框架，用于协调电解铝需求响应、余热回收和可再生能源集成。Shen 等人 [37] 开发了一种多目标优化框架，通过协调过程升级、可再生能源电力、储能和 CCUS，确定了铝业分阶段碳减排途径。Trombetti 等人 [38] 强调了铝作为可回收、高密度能量载体在短期和长期储存中的作用，能够实现可再生能源驱动的冶炼与热、氢和电力生产的耦合。Ding 等人 [39] 提出了一种基于 MPC 的源 - 荷协调策略，将热发电机和电解铝负荷相结合，以平滑风能引起的联络线功率波动。Qu 等人 [40] 开发了一种基于碳排放流的优化模型，协调电解铝负荷和灵活配电网，在维持生产的同时减少排放。然而，TES 与电锅炉和蒸汽网络仍然只是松散集成。因此，当前方法难以捕捉连接凝结水回收、电加热和多压力蒸汽产生的全链耦合过程，而这些过程对于设计压力匹配的蒸汽供应架构和有效的电热解耦策略至关重要。

总之，对于需要多压力蒸汽供应和高度可靠连续运行的氧化铝生产系统，目前仍没有统一的、系统级的和面向优化的 EH-IES 设计建模框架。此外，现有研究尚未充分捕捉凝结水回收、电加热、分级蒸汽产生和多压力蒸汽供应相互作用之间的系统级耦合。因此，需要一个系统级设计和优化框架，明确捕捉电力和多压力蒸汽需求以及连续蒸汽供应约束。本工作解决了这些重要的研究空白，其主要贡献总结如下：
提出了一种用于氧化铝生产的 EH-IES 架构，协调电极锅炉与高中低压固体热储锅炉，以提供稳定的双压力蒸汽供应，同时实现热电解耦。
●开发了一种面向过程的 EH-IES 架构，协调可再生能源电力、电极锅炉、固体热储存、凝结水回收和双压力蒸汽供应用于氧化铝生产。
●开发了一个小时分辨率的混合整数线性规划（MILP）模型用于 EH-IES 设计，包含技术选择、容量定容、运行调度、启动和停机约束以及电力 - 蒸汽平衡，以系统经济性和排放为竞争目标。
●结合 ε-约束法和基于 TOPSIS 的决策分析来生成和评估帕累托最优解，从而揭示不同情景下成本与排放之间的权衡以及系统配置模式。

本工作的其余部分组织如下。第 2 节介绍了 EH-IES 及其用于氧化铝生产的流规格。第 3 节详细介绍了 EH-IES 设计的模型公式和决策框架。该方法应用于中国内蒙古通辽市一家年产能 200 万吨 t yr?1 的绿色氧化铝厂，结果在第 4 节中进行了详细讨论。最后，在第 5 节得出结论。

章节片段
问题描述
图 1 展示了用于可持续氧化铝生产的 EH-IES 示意图。该 EH-IES 灵活利用可再生能源或化石燃料资源来生产氧化铝生产所需的电力和蒸汽。电力可由太阳能光伏（PV）、风力涡轮机（WT）、燃煤热电联产（CHP）发电产生，或从电网购买。电池储存子系统缓冲多余电力，并在电力短缺期间放电以确保
方法
用于可持续氧化铝生产的具有成本效益的 EH-IES 设计被制定为一个 MILP 问题，包含技术选择和定容、运行边界、机组承诺建模以及电力和蒸汽平衡，以总年成本（TAC）和温室气体排放（GHG）为目标函数。本工作考虑了一年中的小时级建模解决方案（?∈??={1,2,?,8760}）用于 EH-IES 设计，以捕捉系统运行的变化。
案例研究
中国内蒙古自治区通辽市一家年产能 200 万吨 t yr?1 的绿色氧化铝厂作为本工作的案例研究。在内蒙古，政策支持为工业园区通过源、网、荷、储的集成协调开发绿色供电系统创造了新机遇 [44]。该配置有助于减少化石燃料依赖并缓解碳排放。该系统由可再生能源组成
结论与未来工作
开发了一个 MILP 框架来优化用于可持续氧化铝生产的 EH-IES 的设计和运行。提出的框架解决了多压力蒸汽供应的耦合挑战，同时容纳了高比例间歇性可再生能源发电。结果显示，纯粹经济驱动的设计（TAC：4.3877 亿 CNY，GHG：59.691 万吨）高度依赖化石燃料基热电联产和燃气锅炉。然而，以可再生能源为主导的能源

CRediT 作者贡献声明
Liang Tang：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，方法论，正式分析，数据管理，概念化。Songyi Li：写作 – 审阅与编辑，可视化，方法论，数据管理。Pingxu Ge：写作 – 审阅与编辑，可视化，数据管理。Jiaxin Ding：写作 – 审阅与编辑，可视化，数据管理。Xiaodong Zhang：写作 – 审阅与编辑，可视化，数据管理。Zuming Liu：写作 – 审阅与编辑，监督，方法论，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。

Liang Tang|Songyi Li|Pingxu Ge|Jiaxin Ding|Xiaodong Zhang|Zuming Liu
上海交通大学 智慧能源学院，中国 上海，200240