煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)方法的進(jìn)展研究＊

孫凱蒂 解 強(qiáng) 霍衛(wèi)東

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.北京低碳清潔能源研究所，北京市昌平區(qū)，102209）

煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)方法的進(jìn)展研究＊

孫凱蒂1解 強(qiáng)1霍衛(wèi)東2

（1.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.北京低碳清潔能源研究所，北京市昌平區(qū)，102209）

對煤化工系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的能效評價(jià)是節(jié)能減排和工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)，本文在對能量分析、火用分析、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)和夾點(diǎn)技術(shù)等能效分析方法或工具的原理在煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)應(yīng)用進(jìn)行綜述性評價(jià)的基礎(chǔ)上，分析比較了各種能效評價(jià)方法的適用性和局限性，結(jié)合煤化工技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢，提出了建立煤化工系統(tǒng)能效評估方法學(xué)的必要性和途徑。

煤化工 能效分析 火用分析法 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)法 夾點(diǎn)技術(shù)

近年來，煤炭占我國一次性能源構(gòu)成的70%左右，煤化工在我國能源化工領(lǐng)域占有重要地位，目前國家加速了煤制油和煤代油等石油替代技術(shù)的開發(fā)和工業(yè)化，這使我國高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)在富煤、少油、貧氣的大環(huán)境下，減輕對石油的依賴程度。與石油化工和天然氣化工相比，煤化工能耗高，同時(shí)傳統(tǒng)煤化工普遍存在裝置老化和技術(shù)落后的問題，具有很大的節(jié)能潛力；現(xiàn)代煤化工處于產(chǎn)業(yè)示范階段，同樣存在著能效低、工藝流程與技術(shù)集成待優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)。若要使現(xiàn)代煤化工得到長足的發(fā)展，就需要提高能效水平并減少污染物的排放。然而，目前并沒有針對煤化工系統(tǒng)專門制定的能效分析方法，加上煤化工工藝流程長、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，各種能流、物流和反應(yīng)復(fù)雜交錯(cuò)，不能直接套用其他傳統(tǒng)工業(yè)的能效評價(jià)方法。因此，全面掌握裝置、子系統(tǒng)及煤化工系統(tǒng)等各個(gè)層面的用能特點(diǎn)，深入剖析各能效評價(jià)方法的適用性與局限性，提出結(jié)合各種能效評價(jià)方法優(yōu)勢并與煤化工體系高度匹配的能效評價(jià)方法學(xué)，可以對煤化工系統(tǒng)進(jìn)行能效分析，并對其改造和優(yōu)化，最終達(dá)到節(jié)能減排的結(jié)果，是提高煤化工系統(tǒng)能效水平的有效途徑。

目前，能效評價(jià)方法主要有以下幾類：一是依據(jù)熱力學(xué)第一定律的能量平衡法；二是依據(jù)熱力學(xué)第一定律與第二定律的火用分析法；三是將經(jīng)濟(jì)分析與火用分析法相結(jié)合的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)；四是應(yīng)用于換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與改進(jìn)等方面的夾點(diǎn)技術(shù)。上述4種能效分析方法已發(fā)展得較為成熟，此外還有研究者提出其他能效分析方法。

本文在對能量平衡法、火用分析、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)和夾點(diǎn)技術(shù)等現(xiàn)有能效評價(jià)方法和在煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)應(yīng)用進(jìn)行綜述性評價(jià)的基礎(chǔ)上，分析、比較和確定了各種能效評價(jià)方法的適用性及局限性，以期掌握國內(nèi)外煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)方法的研究現(xiàn)狀，指導(dǎo)和建立煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)方法學(xué)。

1 能量分析法

1.1 能量分析法的原理及方法

能量分析法依據(jù)熱力學(xué)第一定律，分析設(shè)備或裝置在能量 “數(shù)量”上的利用和損失的情況，反映了直接散失到環(huán)境中的能量 （外部損失），著重計(jì)算由于 “三廢”排放及保溫不好導(dǎo)致的散熱和散冷等能量損失，為初步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排指明了的方向。

能量分析法的應(yīng)用步驟可參照 《GB／T2558-2000，設(shè)備熱效率計(jì)算通則》。

1.2 能量分析法的應(yīng)用

煤化工的能效評價(jià)工作剛剛起步，針對能量分析法，僅有學(xué)者對煤化工中的部分設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行了用能診斷。對于焦?fàn)t的能量分析最為深入，并且有著作對其進(jìn)行了全面的探討，此外，Marcin Liszka等專家對煤氣化系統(tǒng)進(jìn)行了熱平衡計(jì)算。

能量分析所需參數(shù)多、計(jì)算繁瑣，為了使計(jì)算更加準(zhǔn)確和迅速，計(jì)算機(jī)在煤化工裝置或系統(tǒng)能量分析中得到了運(yùn)用，可以將Visual Basic中的ActiveX技術(shù)與Excel相結(jié)合，用VB制作可視化界面，以Excel建模測算和分析水煤氣爐的熱平衡，然而應(yīng)用僅局限于對鍋爐和氣化爐等裝置構(gòu)建模型，其他方面的應(yīng)用還有待拓展。

1.3 能量分析法的適用性與局限性

能量分析法最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是能量平衡和物料衡算數(shù)據(jù)的獲取，尤其要注意數(shù)據(jù)的一致性，通常直接測定各參數(shù)或計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值。然而對于煤化工系統(tǒng)中尤其是一些新工藝，如煤炭直接液化、煤制烯烴等，并沒有能夠參考的現(xiàn)實(shí)案例，也未建立起各參數(shù)檢測用儀器與測量方法標(biāo)準(zhǔn)，難以準(zhǔn)確測量物流組成和物性參數(shù)，導(dǎo)致結(jié)果的精確性受到影響。

通過對體系進(jìn)行能量分析，可提出回收余熱、回收廢棄物資和副產(chǎn)品、減少物料的泄漏等改進(jìn)措施來減少體系的外部損失，即能量分析法能夠十分直觀地指出能量 “量”的耗散。但能量分析法卻未考慮到反應(yīng)設(shè)備內(nèi)發(fā)生不可逆反應(yīng)時(shí)的能量 “質(zhì)”的損失 （內(nèi)部損失），即做功能力的下降 （火用損失）。而火用分析法恰好能夠彌補(bǔ)這一不足，通過計(jì)算過程系統(tǒng)中能量 “質(zhì)”的降級程度，反映能量利用不合理的癥結(jié)所在。

2 火用分析法

2.1 火用分析法的原理及方法

火用是一定形式的能量或者一定狀態(tài)的物質(zhì)，經(jīng)過完全可逆的變化過程后，達(dá)到與環(huán)境完全平衡狀態(tài)的過程中該能量或物質(zhì)所做的最大功，火用從“量”和 “質(zhì)”結(jié)合的角度規(guī)定了能的 “價(jià)值”?；鹩梅治龇ㄓ?jì)算能量中的火用在裝置或設(shè)備中的轉(zhuǎn)換、利用和損失情況，并深刻揭示能量在轉(zhuǎn)換過程中變質(zhì)退化的本質(zhì)，為合理用能指明了方向。

火用分析法與其他分析方法相關(guān)聯(lián)，并逐步地發(fā)展與完善，提出了將三環(huán)節(jié)法與火用分析法結(jié)合的思想，從能量利用的角度將工藝過程分為3個(gè)環(huán)節(jié)：能量轉(zhuǎn)換和傳輸環(huán)節(jié)、能量的工藝?yán)铆h(huán)節(jié)、能量的回收環(huán)節(jié)，有針對性地對體系進(jìn)行火用分析?？紤]到用能設(shè)備重要性的差異，并依據(jù)設(shè)備的重要程度，可以選用三箱分析法的 “黑箱”或 “白箱”模型。采用 “黑箱”模型時(shí)僅計(jì)算系統(tǒng)總火用損，對于重要能耗設(shè)備選用 “白箱”模型，詳細(xì)分析體系內(nèi)各過程的火用損率以掌握其薄弱環(huán)節(jié)。而王志國提出的 “三環(huán)節(jié)-三箱”組合分析法，即依次對裝置或設(shè)備進(jìn)行三環(huán)節(jié)分析和三箱分析。

火用分析法具體的操作步驟可從 《熱力過程火用分析基礎(chǔ)》、 《工程火用分析方法》以及 《GB／T 14909-2005能量系統(tǒng)火用分析技術(shù)導(dǎo)則》等參考書目中獲得。

2.2 火用分析法的應(yīng)用

迄今為止，火用分析法的大部分應(yīng)用集中在煤氣化或以煤氣化為首的現(xiàn)代煤化工系統(tǒng)。

諸多學(xué)者對不同煤氣化系統(tǒng)進(jìn)行了火用分析。有學(xué)者對氣流床煤氣化過程中各子系統(tǒng)的火用量做出衡算，重點(diǎn)分析了洗滌冷卻過程中的火用損失，比較了采取回收與不回收排出的水蒸汽這兩種工藝時(shí)的火用利用程度，認(rèn)為前者是減少冷卻室火用損失的有效途徑。另外，為了研究設(shè)備內(nèi)部用能的宏觀特性，針對煤氣化過程建立了 “黑箱”模型。還有學(xué)者對土耳其多種煤的氣化過程進(jìn)行了火用分析。

IGCC（整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)）是近年來開發(fā)的新能源化工體系，火用分析法是掌握各設(shè)備內(nèi)部損失程度的重要方法。將IGCC系統(tǒng)劃分為燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)和氣化爐系統(tǒng)，分析并改進(jìn)了火用利用程度最低的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和氣化爐系統(tǒng)。與上述研究不同，還可以采用不同的系統(tǒng)劃分方式，將IGCC系統(tǒng)劃分為空分、氣化、凈化、壓氣機(jī)、燃燒室、透平、余熱鍋爐和汽機(jī)7個(gè)子系統(tǒng)。分析了空分整體化程度對各子系統(tǒng)火用損失分布的影響，指出改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒、煤氣化和空氣分離等過程的內(nèi)部不可逆性是實(shí)現(xiàn)IGCC系統(tǒng)在能源利用和改善污染上的突破途徑，計(jì)算求得某IGCC系統(tǒng)的全局火用效率為40%。

煤化工多聯(lián)產(chǎn)近年來發(fā)展迅速，但節(jié)能減排的工作目前才剛剛起步。通過對焦?fàn)t煤氣與氣化煤氣共制合成氣系統(tǒng)、焦炭和甲醇／動力多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了火用效率的分析和對比，認(rèn)為新系統(tǒng)能夠明顯降低火用損。煤基甲醇—?jiǎng)恿Χ嗦?lián)產(chǎn)系統(tǒng)也受到了關(guān)注，通過對火用平衡與圖像火用進(jìn)行分析并揭示系統(tǒng)與關(guān)鍵過程的能量利用特點(diǎn)，提出采取動力側(cè)聯(lián)合循環(huán)替代化工自備電廠的蒸汽循環(huán)等方法能夠取得明顯的節(jié)能效果的觀點(diǎn)。

2.3 火用分析法的適用性與局限性

火用分析法以能量衡算和物料衡算為基礎(chǔ)，因此分析過程中的難點(diǎn)同樣是對煤化工系統(tǒng)各物流的物料流率、組成、溫度、壓力、比熱和潛熱等數(shù)據(jù)的收集，實(shí)際上這是很困難的。對于火用分析的軟件而言，僅存在一個(gè)由The Exergoecology Portal網(wǎng)站提供的簡易火用計(jì)算器，輸入化學(xué)式后即給出相應(yīng)元素、離子或化合物的火用值、標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能和焓值，但實(shí)際物流大多是混合物，無特定化學(xué)式，仍需進(jìn)一步選取公式求解物流火用值。不僅如此，為了方便研究，研究者在實(shí)際操作時(shí)往往還會做出一系列的假設(shè)。上述原因都降低了火用分析法的可操作性和精確程度。

火用分析法從能量的數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度出發(fā)分析能量中的火用在裝置或設(shè)備中的轉(zhuǎn)換、利用和損失情況，主要是對裝置或設(shè)備進(jìn)行火用平衡的計(jì)算，量化子系統(tǒng)及裝置設(shè)備中的不可逆損失，找出薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)而指出優(yōu)化方向。但火用分析法卻沒有考慮經(jīng)濟(jì)環(huán)境，故不能對產(chǎn)品定價(jià)，也無法從系統(tǒng)全局的水平上進(jìn)行用能的分析與優(yōu)化。

3 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)

3.1 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的原理及方法

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)又稱火用經(jīng)濟(jì)學(xué)，是在火用分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種把熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)因素統(tǒng)一考慮的交叉學(xué)科。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)把系統(tǒng)放入兩個(gè)環(huán)境中去考慮，一個(gè)是物理環(huán)境，其參量為熱力學(xué)的物理量，如溫度、壓力和化學(xué)勢等；另一個(gè)是經(jīng)濟(jì)環(huán)境，描述整個(gè)環(huán)境的參量是一系列的經(jīng)濟(jì)信息，如價(jià)格、成本和利潤等，目的是在熱力學(xué)量度與資金支付方面找到一種平衡，以期達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最佳。

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析方法主要包括成本會計(jì)模式、優(yōu)化模式、矩陣模式與結(jié)構(gòu)理論。矩陣模式和結(jié)構(gòu)理論綜合了前幾種模式的特點(diǎn)，解決了復(fù)雜能量系統(tǒng)參數(shù)多帶來的不便，代表著熱經(jīng)濟(jì)學(xué)發(fā)展的最新成果。

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的具體計(jì)算及分析方法可參照 《熱經(jīng)濟(jì)學(xué)》等文獻(xiàn)。

3.2 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的應(yīng)用

熱經(jīng)濟(jì)學(xué)在煤化工方面的應(yīng)用并不多見，將熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的矩陣分析法應(yīng)用于煤制甲醇系統(tǒng)的評價(jià)過程中，通過比較單產(chǎn)系統(tǒng)和多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的成本差和火用經(jīng)濟(jì)系數(shù)等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)了各系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。還有研究對比了浙江大學(xué)熱、電、煤氣、焦油多聯(lián)產(chǎn)裝置在設(shè)計(jì)工況和運(yùn)行工況下產(chǎn)品的單位熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本值，分析了煤炭價(jià)格對產(chǎn)品成本值的影響，計(jì)算了不同氣化溫度下產(chǎn)品的單位熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本。

雖然熱經(jīng)濟(jì)學(xué)在煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)領(lǐng)域的應(yīng)用還不成熟，但在熱電廠的分析、定價(jià)等方面已廣泛應(yīng)用，對煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)或有借鑒價(jià)值。已有研究者針對燃煤循環(huán)流化床鍋爐多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，借助熱經(jīng)濟(jì)學(xué)結(jié)構(gòu)理論建立起火用成本模型和火用經(jīng)濟(jì)學(xué)成本模型，并探討了煤炭價(jià)格和氣化爐溫度等因素對能量成本與非能量費(fèi)用的影響。也有學(xué)者對流化床燃燒鍋爐蒸汽發(fā)電廠進(jìn)行了詳盡的火用經(jīng)濟(jì)學(xué)分析。另外，還有學(xué)者將熱力學(xué)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)學(xué)環(huán)境及污染物排放環(huán)境有機(jī)結(jié)合，提出了 “廣義子系統(tǒng)”的概念。

3.3 熱經(jīng)濟(jì)學(xué)法的適用性與局限性

在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)在物理環(huán)境下的分析歸根結(jié)底是對各股物流火用值的求解，因此對其進(jìn)行火用平衡計(jì)算時(shí)就會遇到火用分析法應(yīng)用時(shí)的困難，如物性參數(shù)難以精確選取測量，公式繁瑣且計(jì)算易出錯(cuò)。不僅如此，當(dāng)系統(tǒng)置于經(jīng)濟(jì)環(huán)境中時(shí)還會面臨原料成本和產(chǎn)品價(jià)格隨國際市場波動的狀況，當(dāng)市場價(jià)格發(fā)生較大波動時(shí)必須對系統(tǒng)重新分析。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)的計(jì)算軟件還處于開發(fā)測試階段，目前僅存在一個(gè)名為TAESS的能量系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)分析軟件，但只能對系統(tǒng)做出粗略的分析，無法獲得每一股火用流的熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本。

熱經(jīng)濟(jì)分析法能夠從全局的角度揭示多聯(lián)產(chǎn)效益產(chǎn)生的原因，并合理分?jǐn)側(cè)剂稀㈦娏案鞣N商品的成本，實(shí)現(xiàn)熱系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)，并通過研究產(chǎn)品的成本來比較各方案的可行性。熱經(jīng)濟(jì)學(xué)雖有以上優(yōu)點(diǎn)卻無法對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析優(yōu)化，也無法揭示設(shè)備中的不可逆損失。

4 夾點(diǎn)技術(shù)

4.1 夾點(diǎn)技術(shù)的原理及方法

夾點(diǎn)技術(shù)最初主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)這一領(lǐng)域，隨后夾點(diǎn)技術(shù)還擴(kuò)展至廢水最小化和氫夾點(diǎn)等方面。

夾點(diǎn)技術(shù)基于熱力學(xué)，從宏觀的角度分析過程系統(tǒng)中能流沿溫度的分布，并從中發(fā)現(xiàn) “瓶頸”。夾點(diǎn)技術(shù)的使用過程復(fù)雜，具體方法可參照 《能量的有效利用——夾點(diǎn)分析與過程集成》。

4.2 夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用

夾點(diǎn)技術(shù)在石油化工系統(tǒng)換熱網(wǎng)絡(luò)以及其他化工裝置的分析與優(yōu)化中都取得了顯著的節(jié)能效果，也有極少數(shù)的學(xué)者對煤化工系統(tǒng)的部分工段進(jìn)行了優(yōu)化分析，而從煤化工系統(tǒng)全局的角度出發(fā)來進(jìn)行系統(tǒng)整體用能情況探討的相應(yīng)成果目前還處于空白階段。

有學(xué)者考察了某煤氣化制甲醇項(xiàng)目中的渣水處理、變換熱回收、低溫甲醇洗、甲醇合成及精餾等子系統(tǒng)中換熱網(wǎng)絡(luò)匹配情況。除了煤制甲醇系統(tǒng)之外，某焦化廠的焦油蒸餾工序經(jīng)過夾點(diǎn)技術(shù)分析，通過改造換熱網(wǎng)絡(luò)并增加保溫設(shè)備，取得了明顯的節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 夾點(diǎn)技術(shù)的適用性與局限性

夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用包括了而又不僅限于水網(wǎng)絡(luò)、換熱網(wǎng)絡(luò)和熱回收項(xiàng)目等，還包含工藝條件、可操作性的改進(jìn)以及公用工程系統(tǒng)。雖然目前夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用于煤化工的研究較少報(bào)道，但是煤化工系統(tǒng)中的部分子系統(tǒng)，例如熱泵循環(huán)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、蒸餾裝置和分離系統(tǒng)等都有利用夾點(diǎn)技術(shù)來減少能耗和優(yōu)化工藝的可能性。依據(jù)夾點(diǎn)技術(shù)已開發(fā)出Aspen Pinch與Aspen Hx-net等軟件，并且結(jié)合Aspen Plus及Aspen Hysys等強(qiáng)大的模擬工具，能夠極大地提高計(jì)算效率及準(zhǔn)確性，石油化工領(lǐng)域中的煉油廠蒸餾裝置和常減壓裝置等均已利用軟件對換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化而達(dá)到了良好的節(jié)能效果。而如何拓展這些軟件工具的應(yīng)用范圍并精確地運(yùn)用至煤化工系統(tǒng)是今后的努力方向。

雖然夾點(diǎn)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，但反應(yīng)器作為用能過程中最重要的環(huán)節(jié)，其內(nèi)部能量損失的診斷卻不能通過夾點(diǎn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行換熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)一般通過改變其他部分來更好地適合反應(yīng)器，應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)對煤化工系統(tǒng)分析優(yōu)化時(shí)尤其要注意反應(yīng)器的處理方式。此外，夾點(diǎn)技術(shù)還無法對產(chǎn)品定價(jià)，也不能計(jì)算設(shè)備的內(nèi)部火用損。

5 其他分析方法

能值分析法把貫穿于能源運(yùn)動始終的太陽能作為過程分析的本質(zhì)，把系統(tǒng)中的自然因素、社會因素以及所有涉及到的物質(zhì)或能量統(tǒng)一用太陽能表示，這樣分析各影響因素時(shí)就有了一致的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

另外，層次分析法作為一種常用的系統(tǒng)綜合分析和評價(jià)方法以及多目標(biāo)決策分析技術(shù)，它能使思維過程層次化，實(shí)現(xiàn)簡化分析和計(jì)算。

6 結(jié)語

目前，煤化工行業(yè)呈現(xiàn)出蒸蒸日上的勢頭，煤炭直接液化和間接液化、煤制甲醇及甲醇轉(zhuǎn)烯烴（MTO／MTP）以及煤制天然氣 （SNG）等都已在我國得到產(chǎn)業(yè)示范甚至商業(yè)化應(yīng)用。與此同時(shí)，煤化工行業(yè)的迅速發(fā)展給環(huán)境來了巨大壓力，處于發(fā)展中的現(xiàn)代煤化工能效尚低，工藝與技術(shù)集成也待優(yōu)化，對煤化工系統(tǒng)進(jìn)行能效分析并對其改造和優(yōu)化無疑是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高煤化工系統(tǒng)能效的有效途徑。

現(xiàn)代煤化工具有原料煤來源迥異、組成性質(zhì)差別大、流程長和生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，各種能流、物流和反應(yīng)復(fù)雜交錯(cuò)、將多種能源和化學(xué)品生產(chǎn)技術(shù)耦合的多聯(lián)產(chǎn)等特征。迄今為止，針對煤化工系統(tǒng)專門制定的能效分析方法尚未見諸報(bào)道，電力和石化等行業(yè)研究應(yīng)用成熟的能效評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)難以直接套用。前文提及的能量平衡、火用分析、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)法以及夾點(diǎn)技術(shù)等方法或工具應(yīng)用于煤化工工藝環(huán)節(jié)或裝置能效評估的嘗試和實(shí)踐，表明了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。夾點(diǎn)技術(shù)具有較好的整體、系統(tǒng)的能效提高功能，即便如此也僅限于換熱網(wǎng)絡(luò)和水網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方面，其余各法多針對于裝置和工藝環(huán)節(jié)。此外，能量分析法、火用分析法乃至于熱經(jīng)濟(jì)學(xué)法在應(yīng)用時(shí)，都以獲取能量平衡和物料衡算所需的各物流的物性數(shù)據(jù)為前提。然而煤化工系統(tǒng)中尤其是一些新工藝，如煤炭直接液化、煤制烯烴等，還沒有完善的數(shù)據(jù)庫，對高溫、高壓下的一些特殊體系物性測量的方法也尚待研究建立。

因此，現(xiàn)代煤化工系統(tǒng)能效評估方法的建立尚需以下方面的研究和進(jìn)展為基礎(chǔ)：

（1）研究建立煤化工系統(tǒng)能效評估方法學(xué)。煤化工或以煤化工為主體的能源化工園，是由多種裝置、專門工藝及公用工程按功能模塊組合和構(gòu)建的巨系統(tǒng)。其能效評價(jià)方法學(xué) （即能效評價(jià)的過程和步驟），應(yīng)該是把煤化工復(fù)雜系統(tǒng)按點(diǎn) （裝置，反應(yīng)單元、單元操作）—線 （工藝）—面 （煤化工企業(yè)或能源化工園）進(jìn)行剖析；選擇適于裝置、單元操作、換能系統(tǒng)的能效評價(jià)工具，對煤化工的點(diǎn)—線—面進(jìn)行能效的量 （數(shù)量）—質(zhì) （質(zhì)量）—效益（技術(shù)經(jīng)濟(jì)）多層次的能效評估；基于煤化工能效評估的集成軟件平臺，對煤化工系統(tǒng)的點(diǎn)—線—面的能量在量和質(zhì)兩方面的利用水平評估結(jié)果進(jìn)行整合，并最終以全系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)確定系統(tǒng)的優(yōu)化方案。

（2）研究建立現(xiàn)代煤化工工藝物流和物理化學(xué)性質(zhì)測試方法，獲取煤化工原料、中間物及特殊化學(xué)品的物性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如前所述，伴隨著煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)的實(shí)踐，逐漸暴露出的難題是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的缺乏和獲取的巨大難度。由于缺乏監(jiān)測用儀器、測量方法或標(biāo)準(zhǔn)，難以測定或估算煤化工系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各物流的組成及物性參數(shù)，基本條件的欠缺與偏差會在很大程度上影響評估結(jié)果的精確性。因此，開發(fā)適用于煤化工體系各物流參數(shù)、物性常數(shù)的測量手段是能效評價(jià)方法學(xué)準(zhǔn)確性的保障。

（3）煤化工工藝反應(yīng)單元的建模及優(yōu)化?，F(xiàn)代煤化工系統(tǒng)研究的不充分性以及巨大的工程化投資，導(dǎo)致很難采用工程放大的手段來研究整個(gè)體系的用能狀況或驗(yàn)證優(yōu)化效果。若能為各反應(yīng)設(shè)備乃至整個(gè)煤化工系統(tǒng)建立起較準(zhǔn)確的模型，再借助流程模擬軟件模擬并驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性，那么就能夠用最低的成本提出切實(shí)可行的改進(jìn)方案，用較小的代價(jià)去實(shí)現(xiàn)預(yù)期的節(jié)能目標(biāo)。

（4）研究、構(gòu)建煤化工能效評估軟件平臺。按照煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)方法學(xué)建立的方法和步驟，完成煤化工的點(diǎn)—線—面能效的量—質(zhì)—效益多層次的能效評估，可以選擇的方法和工具有多種。這些方法和工具 （軟件）基于不同的框架、采用不同的模型、具有不同的參數(shù)輸入輸出特征。因此，需要一個(gè)在能效評價(jià)方法學(xué)下建立把煤化工系統(tǒng)仿真模擬軟件及不同能效評價(jià)工具整合為一體的軟件平臺，它包含各種能效評價(jià)方法計(jì)算公式的數(shù)據(jù)庫、煤化工系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的精確模型、配以物流物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，能將各單元模型輸入輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)一單位的程序以及能將各設(shè)備或流程經(jīng)能效分析所得的結(jié)果轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一基準(zhǔn)的算法。這樣才能將煤化工系統(tǒng)各部分評價(jià)結(jié)果相結(jié)合并靈活調(diào)用，生成煤化工系統(tǒng)能效評價(jià)方法學(xué)所指定的評價(jià)指標(biāo)，基于分析結(jié)果提出優(yōu)化方案后，通過流程模擬的功能來檢驗(yàn)優(yōu)化方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性。這個(gè)平臺應(yīng)能對整個(gè)體系進(jìn)行多環(huán)節(jié)和多目標(biāo)的全面能效評價(jià)，以滿足對復(fù)雜的煤化工能源工業(yè)園的能效評估與優(yōu)化的要求。

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Study on methodology for evaluation of energy efficiency of coal chemical processes

Sun Kaidi1，Xie Qiang1，Huo Weidong2
（1.School of Chemical and Environmental Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.National Institute of Clean and Low Carbon Energy，Changping，Beijing 102209，China）

Integrated evaluation of energy efficiency processes plays a foundation role in coal chemical industry to achieve energy saving and emission reduction.Based on the detailed literature survey of energy analysis and efficiency evaluation methods and technologies principles application，including heat balance analysis，exergy analysis，thermal economics and pinch technology，this paper analyzed and compared the applicability and limitations of these energy efficiency evaluation methods.In view of coal chemical technology characters and development trends，the necessities and approaches of energy efficiency assessment methodology for coal chemical systems have been proposed.

coal chemical industry，energy analysis and efficiency evaluation，exergy analysis，thermal economics method，pinch technology

TQ836

A

國家863高技術(shù)基金項(xiàng)目（2011AA05A202）

孫凱蒂 （1990-），女，黑龍江大慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)槊夯は到y(tǒng)能效分析和優(yōu)化。

（責(zé)任編輯 王雅琴）