煤化工裝置的能量轉(zhuǎn)化率研究

唐宏青

(中科合成油工程有限公司,北京 100195)

能量轉(zhuǎn)化率的概念來自物理學,是用來解釋能量守恒定律的。這里討論的能量轉(zhuǎn)化率是針對煤化工裝置,不針對物理學。

在工程建設中,這個概念原來是用于發(fā)電裝置的,近年來這個概念在煤化工裝置建設中備受關注。

現(xiàn)在,在化工裝置中,這個概念被用來說明工藝過程中原料和產(chǎn)物的關系。能量轉(zhuǎn)化率高的意思是原料的利用率高,這樣的工藝過程就好,反之亦然。

許多投資者認為,從能量轉(zhuǎn)化率出發(fā),應該選擇能量轉(zhuǎn)化率高的產(chǎn)品作為煤化工的發(fā)展方向。

應該說這個說法是有一定的道理,提高能源利用的效率是工業(yè)發(fā)展的重要指標,畢竟在不要浪費能量的問題上,大家的立場是一樣的。

但是,事實上不完全如此,存在一些誤區(qū)。我們要綜合考慮各種因素,能量轉(zhuǎn)化率不是我們選擇產(chǎn)品的主要因素。

化工生產(chǎn)裝置最重要的數(shù)據(jù)不是能量轉(zhuǎn)化率,而是單位產(chǎn)品的綜合能耗。綜合能耗是指統(tǒng)計報告期內(nèi),主要生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合能耗總和。[1]

綜合能耗是最直接表示一個產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中消耗的能量,不管什么方式,對于同一種原料來說,轉(zhuǎn)化的工藝不同,綜合能耗就有差別。隨著化工科研的深入,特別是催化劑的更新?lián)Q代,節(jié)能技術的運用,化工產(chǎn)品的綜合能耗在不斷下降。

因此,工業(yè)界關心的是綜合能耗,不是能量轉(zhuǎn)化率,而理論界關心的是能量轉(zhuǎn)化率,不是綜合能耗。這就是目前雙方的差距。

近年來,理論界不斷發(fā)出研究能量轉(zhuǎn)化率的信息,甚至不恰當?shù)靥岢瞿芰哭D(zhuǎn)化率的理論值,給媒體的思維造成了影響,造成投資方向過分集中,煤制甲醇的過熱就是最典型的例子。因此,我們有必要對化工裝置的能量轉(zhuǎn)化率問題作一剖析,使這個概念能夠結(jié)合工業(yè)裝置的實際情況,配合綜合能耗的概念,更好地為我們的裝置建設服務。

1 能量轉(zhuǎn)化率的定義

對于一個煤化工裝置來說,能量轉(zhuǎn)化率是最終出裝置有效產(chǎn)品的熱值之和與進裝置各種原料熱值的和之比。

對于煤化工來說,“原料”是指煤、電、水、蒸汽、催化劑、溶劑等各種形式的物質(zhì)流和能量流的輸入?！坝行Мa(chǎn)品”是指主產(chǎn)物和有用的副產(chǎn)物。

這個問題不難,在裝置設計完成以后,應該能夠得到消耗定額,然后算出它的能耗設計值。而在裝置穩(wěn)定運行后,進行裝置的實際能耗測定,則是一件比較困難的事,要做許多準備工作,特別是儀表的校正,通常稱這項工作為標定。這兩個數(shù)據(jù)之間有一定的差別。

問題在于,對于一個工業(yè)過程,達不到設計值的原因是什么?如何使其達到設計值?未利用的能量跑到什么地方去了?如何利用這部分能量?對這些問題的研究,比研究不同工藝過程的能量轉(zhuǎn)化率之高低還要重要。搞清這個問題后,就要想方設法減少消耗,力求推動技術進步,使企業(yè)真正得到好處,使社會得到進步。

筆者希望,工業(yè)界不要糾纏不同產(chǎn)品能量轉(zhuǎn)化率高低的比較,不要用能量轉(zhuǎn)化率來引導投資的方向。該建什么裝置就建什么裝置,同時應該著手多想辦法,在現(xiàn)有裝置上節(jié)能降耗,這樣就可以提高企業(yè)的經(jīng)濟效益,降低碳排放,配合政府在國際排放會議上承諾的任務,為改善人類居住環(huán)境做貢獻。

2 能量轉(zhuǎn)化率的特性

能量轉(zhuǎn)化率與表達范圍有關,它可以是整個國家的、集團的、聯(lián)合企業(yè)的、單個工程的、某一個工序的或單元設備等多種形式,是由用戶決定用它來表達什么問題的。

能量轉(zhuǎn)化率具有工程性、可變性和整體性的三大特點。

2.1 工程性

能量轉(zhuǎn)化率的討論已經(jīng)進行了很久,有的學者把這個數(shù)據(jù)當作理論數(shù)據(jù)來研究,指出某種工藝的能量轉(zhuǎn)化率是多少,并用此評價應不應該進行裝置建設。

例如,有文獻從理論上得到煤制甲醇和煤制柴油的理論能量轉(zhuǎn)化率比例為1∶0.438[2],也就是說采用甲醇代油要比煤制油節(jié)約煤資源一半左右。這個數(shù)據(jù)被多位學者引用,成為目前甲醇熱的理論基礎。

事實上,這個說法是不妥的。煤制甲醇和煤制柴油不存在這樣的固定比值,因為能量轉(zhuǎn)化率不是一個理論值。

就單個工程而言,能量轉(zhuǎn)化率與工程設計和裝置運行有關。也就是說,它與裝置規(guī)模、原料、工藝流程、關鍵設備的結(jié)構(gòu)、裝置內(nèi)熱力系統(tǒng)的配置等多方面的因素有密切關系。設計同一個裝置,不同的設計院給出的能量轉(zhuǎn)化率是不同的。同樣的煤氣化過程,不同的煤氣化方法具有不同的能量轉(zhuǎn)化率。目前,沒有一種理論可以推算一類具體工程的能量轉(zhuǎn)化率。

例如,國內(nèi)最近設計的內(nèi)蒙古克倫克旗煤制天然氣裝置甲烷的綜合能耗為63.58 G J/km3,即噸烷能耗88.8 G J。甲烷的熱值可計為36.0 G J/km3,即噸烷熱值50.3 GJ,從而導出該過程能量轉(zhuǎn)化率為56.6%。而同樣的單位在設計阜新工程時,給出的能量轉(zhuǎn)化率為51.8%。這就是說,能量轉(zhuǎn)化率隨工程而定。

2.2 可變性

正因為是工程數(shù)據(jù),一種工藝的能量轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)是在不斷變化的,不是一成不變的。隨著工藝技術的進步,催化劑的改進,設備制造能力的提高等技術的發(fā)展,能量轉(zhuǎn)化率的數(shù)據(jù)在變化。

以合成氨為例,上世紀70年代天然氣制合成氨的噸氨能耗為42 GJ,到上世紀末是29 GJ,現(xiàn)在可以低于28 GJ。30多年來合成氨工業(yè)的進步,主要就體現(xiàn)在能耗的降低上,也就是能量轉(zhuǎn)化率的提高?，F(xiàn)在再要這樣大幅度地提高是比較困難的,再進步的步伐就很小了。

就煤制甲醇和煤制柴油來說,上述0.438這個數(shù)據(jù)可能來自于該項工藝研究的早期數(shù)據(jù),是在某種特定情況下得到的推測值。在不同時期,這個數(shù)據(jù)不同。隨著煤制油技術的進步,這個比例在變化。特別是催化劑的更新,節(jié)能技術的運用,它的能量轉(zhuǎn)化率在不斷提高。

目前,一些新興的化工工藝正如三十多年前的合成氨工業(yè)一樣,例如費托合成柴油,正步入快速提高能量轉(zhuǎn)化率的黃金時代。深入地進行科學研究,促使催化劑和工藝更新?lián)Q代,有可能大幅度提高能量轉(zhuǎn)化率。因此,完全立足于這些工藝昨天和今天的能量轉(zhuǎn)化率來判斷是否需要發(fā)展,是有失公允的。

用合成氨的進步來判斷合成柴油的進步,是可行的。三年來,合成柴油的能量轉(zhuǎn)化率已經(jīng)提高到35%以上,發(fā)展速度很快。然而,今天費托合成柴油技術,還沒有發(fā)展到難以進步的地步,還大有發(fā)展的余地,新的催化劑和整體工藝還在不斷提高。科學創(chuàng)新給費托合成柴油帶來強大的生命力,我們對待這項技術,要看到它的明天,科學家歷來是把明天的發(fā)展作為自己奮斗的目標。

2.3 綜合性

在一股多種產(chǎn)品的聯(lián)合裝置中,由于幾條工藝線路中的能量利用是交叉的,公用工程(主要是蒸汽冷凝液系統(tǒng))不能夠按照單獨產(chǎn)品進行分割,這時候很難對每一種產(chǎn)品的能耗進行計算。產(chǎn)品越多,越難分割,只能作綜合計算。得到的數(shù)據(jù)是噸產(chǎn)品的能耗,而不是每一個產(chǎn)品的能耗。

3 綜合能耗計算方法

綜合能耗的計算是有一定規(guī)則的,它實際上是規(guī)范了一個企業(yè)的生產(chǎn)行為。因此,國家制定了綜合能耗的計算標準,即《綜合能耗計算通則》[1],在1981、1990年和 2008年先后出版、修改了這個標準。

在這些標準中,對于原料煤、油品、水、電、蒸汽等都有明確的計算規(guī)定。例如,每1 kW·h電的標準煤耗值等于10.228 MJ(2 443 kcal),1 t水等于2512 kJ。詳見表1、表2。表中有一些物質(zhì)是混合物,因此其熱值是平均值。

表1 各種能源折標準煤參考系數(shù)[1]

表2 耗能工質(zhì)能源等價值表[1]

近年來,由于火電技術的進步,使電力標準煤耗值發(fā)生較大的變化(見表3)。例如,90年代初,這一數(shù)據(jù)為427 g/(kW·h),而2008年為349 g/(kW·h)。因此,新標準中寫為“按當年火電發(fā)電標準煤耗計算”。

表3 我國歷年供電標準煤耗

另外,原化工部對于合成氨企業(yè)制定了《合成氨產(chǎn)品能源消耗量的計算方法》[3]。目前,煤化工企業(yè)就是根據(jù)各自的產(chǎn)品消耗定額,按照這些標準來計算的,各個企業(yè)給出的同類產(chǎn)品綜合能耗是不同的。由此可見,綜合能耗是企業(yè)的數(shù)據(jù),不存在理論值。

4 流程優(yōu)劣的評價方法

從工程設計的角度看來,噸產(chǎn)品的能耗是一個描述方法,這也是整個工程的宏觀數(shù)據(jù)。部分煤化工產(chǎn)品的能耗數(shù)據(jù)見表4。

表4 煤化工產(chǎn)品的能耗

事實上,用能耗來表示工藝過程的性能是非常好的形式。因為一個裝置是否具備能量轉(zhuǎn)化高效的特性,單位產(chǎn)品的能耗數(shù)據(jù)最一目了然,同一原料、同一產(chǎn)品的工藝過程比較時,能耗高低最說明問題。

煤制甲烷和甲醇的產(chǎn)業(yè)鏈比較短,氣化后加工的工藝比較簡單,導致它們的能量轉(zhuǎn)化效率比較高。特別是合成氨,有幾十年發(fā)展的歷史和大型化的經(jīng)驗,現(xiàn)在的能量轉(zhuǎn)化率已經(jīng)是比較高了,再提高是可能的,但是幅度不會很大。

不難看出,提升煤化工的效率是所有煤化工工藝的發(fā)展良策。

在上述數(shù)據(jù)中,煤制烯烴的能耗比較高,是因為它的產(chǎn)業(yè)鏈比較長,反應步驟比較多,能量損失比較大。這些工藝目前沒有實際的生產(chǎn)裝置考核數(shù)據(jù),因而僅僅是推測的數(shù)據(jù)。

我們不能把一些工業(yè)化試驗的能耗數(shù)據(jù),隨意用來與其他大規(guī)模裝置上的數(shù)據(jù)進行比較,那種認為工程放大是很簡單的想法,是貽誤他人天真可笑的想法。試驗裝置的能耗數(shù)據(jù),考慮的因素比較少,很難考慮公用工程的閉合狀態(tài)。因此,我們只能先按照設計值來估價,待示范裝置運行后,有一個完整的裝置作依據(jù),然后再精確化。對新技術來說,開始的期望不要太高,工藝和催化劑技術不斷改進,能耗會逐步下降的。

5 能量轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)是否重要

能量轉(zhuǎn)化率的具體數(shù)據(jù)是否重要呢?筆者認為在有些情況下是重要的,在有些情況下是不重要的,主要表現(xiàn)在以下幾方面。

(1)對同一種產(chǎn)品、同一種原料、不同的工藝作比較是重要的。

這個問題在設計工作中經(jīng)常體現(xiàn)出來,設計院要作工藝比較,其中最重要的指標就是能耗。不同工藝路線的能耗比較,往往決定了一種工藝路線的取舍。例如,采用低溫甲醇洗脫碳,就是因為其能耗比較低,效率高,因此是煤化工首選的脫硫脫碳方法。

現(xiàn)在被認為是一項非常重要的工作——“從礦到輪”的研究,是因為看到這個問題的重要性。確切來說,這個問題應該這樣定義:

“如果用能量轉(zhuǎn)化率來判斷,從煤出發(fā),生產(chǎn)某一個產(chǎn)品的工藝何種效率高,則表達平臺應設定為1 t標煤轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品能讓標準車跑多少路”。

這就是說,判斷煤制化工產(chǎn)品燃料的能量轉(zhuǎn)化率,應該是“從礦到輪”的全過程能量評價。見圖1。這個圖是這樣設計的,各條路線的起點是1 t標準煤,以運輸一定重量的物質(zhì)為基礎,最終看各條路線能跑多少公里路。

中國汽車研究中心在2008年作了一項研究[6],發(fā)表了題為《中國未來多種車用燃料的Well to Wheels能量消耗和溫室氣體排放研究》的報告,長達170頁,得出這樣的結(jié)論:“研究結(jié)果表明,在所有汽車燃料中,石油基燃料(汽油、柴油)擁有在WTT(油井到油箱)階段最高的能量效率,同時配以高效的汽車驅(qū)動技術,如混合驅(qū)動技術,使得整體WTW(油井到車輪)的總能量消耗、化石能耗以及溫室氣體排放與其他燃料途徑相比表現(xiàn)均衡?？紤]到基礎設施、生產(chǎn)技術成熟度、車輛技術、成本等方面的因素,石油基燃料將在未來較長時間內(nèi)占據(jù)車用燃料市場的主導地位”。

圖1 從礦到輪的能量轉(zhuǎn)化率(1 t標煤不同車類能跑的里程)

這篇報告基本上指出了一個方向,即柴油的地位是不可動搖的。這是系統(tǒng)工程論的具體運用,是用全局觀念來認識能量轉(zhuǎn)化率的問題。

當然,這個問題太復雜,難以用單元的數(shù)據(jù)來分析問題,一定要考慮到整個工程,要有全國平均的數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)不容易統(tǒng)計出來,因為實際的情況非常復雜,有些因素不太好精確測定。

因此,目前還沒有一個報告能夠提供精確的數(shù)據(jù)來作為權(quán)威。上面的圖1還沒有能夠得到一個完全的和精確的解。

(2)對同一種產(chǎn)品、不同原料是不重要的。

如果我們想得到甲醇,用天然氣來作原料,明顯比用煤來作原料的能耗低,這個結(jié)論已是人所共知的常識,再作比較已經(jīng)沒有什么意義。在一個只有煤資源的地方,去強調(diào)天然氣化工的能量轉(zhuǎn)化率如何高,不是對牛彈琴嗎?在這種地方只有強調(diào)節(jié)能改造、降低能耗。

現(xiàn)實的情況是,由于我國天然氣資源不足,有一些用天然氣生產(chǎn)甲醇和合成氨的工廠,現(xiàn)在改用煤作原料。按照現(xiàn)在的說法是主動降低能量轉(zhuǎn)化率,與理論界的想法背道而馳。

(3)對不同產(chǎn)品的意義不是很明顯。如果再加上對環(huán)境的影響,問題會變得更加復雜,這樣的比較是不必要的。

近年來,這個問題非常熱門,熱心學者要證明煤制甲醇、煤制三烴、電動車等比煤制柴油的能量轉(zhuǎn)化率高[4],執(zhí)意不希望建設煤制柴油的工廠。

這個比較有必要嗎?

這里以煤制不同產(chǎn)品為例來謀取說明這個問題。圖2說明同樣的標煤可以得到不同的產(chǎn)品,提供的能量是不同的。我們能否得到將煤生產(chǎn)甲烷和甲醇是最合理的結(jié)論呢?不能!因為我們還要看這個產(chǎn)品是否是國家需要的,能夠替代別種產(chǎn)品的。圖2說明,這些產(chǎn)品是不同的,它們的用途是不同的。

圖2 能量轉(zhuǎn)化圖

現(xiàn)在熱門的甲醇汽油,代替的是汽油而不是柴油。在世界上,汽油是過剩的物資,柴油是缺額的物資,在當前的中國,也是這個局面。甲醇、乙醇、天然氣、電動(車)、MTG等代替汽油,代來代去,越代汽油越過剩,見圖3。

圖3 替代汽油圖

可以這樣認為,柴油和汽油是有區(qū)別的,不宜相提并論。

因此,甲醇汽油與煤制柴油不要混為一談,比較它們的能量轉(zhuǎn)化率是毫無意義的。

總之,我們沒有必要過分認真地用能量轉(zhuǎn)化率作不同產(chǎn)品的橫向比較。我國目前最大的煤化工產(chǎn)品是煤制合成氨,幾十年來,它的建設從來都是由國民經(jīng)濟中的農(nóng)業(yè)需求來決定的,而非取決于氨和甲醇等產(chǎn)品的能耗差別。我們都記得,在一定的歷史時期,能耗較高的小合成氨廠,為我國的農(nóng)業(yè)作出過巨大貢獻,盡管現(xiàn)在已經(jīng)逐步消失,但是它的歷史功績卻不能磨滅。

更令人確信的是,在常用的手冊中,不存在在標準狀態(tài)定義下的液氨燃燒熱數(shù)據(jù),因此,行業(yè)內(nèi)歷來沒有對其能量轉(zhuǎn)化率做過分析,工業(yè)界關心的就只是合成氨的綜合能耗。對于尿素,通常只比較它的氨耗(約580 kg),而不是綜合能耗。

6 保障基本能源和化學品的供給

在研究能量轉(zhuǎn)化率的時候,我們不能忘記發(fā)展經(jīng)濟的目的是為了保障供給,現(xiàn)在的說法是滿足市場需要。一旦迫切需要的時候,就是能量轉(zhuǎn)化率低一些,也要生產(chǎn)出來,這里不妨以柴油為例。

國家對柴油的需要是一種剛性需求,它的作用是甲醇不能做到的。例如,到 2008年底,我國有 373× 104km的公路[5],路上跑的大部分是柴油車,強大的國防需求驅(qū)使我們?yōu)樘箍?、裝甲車、艦船、潛艇和各種戰(zhàn)車提供特殊的柴油。全國13億人民的衣食要求,大部分是依靠柴油車來實現(xiàn)和滿足的,尤其是那些遠離鐵道線的地方。石油化工的發(fā)展,為這些柴油發(fā)動機提供了絕大部分的動力,這是不可動搖的剛性需求,甲醇汽油在這里難有用武之地。

特別要提醒一下,為了實現(xiàn)在全國供油暢通無阻,已經(jīng)建立了一個龐大的供油和為車輛加油的系統(tǒng)。上世紀50年代全國加油站總量只有70座,70年代末發(fā)展到600座,90年代末為5 000多座,現(xiàn)在已經(jīng)建成了約10萬個加油站,總資產(chǎn)約為4000億,這是車用燃料的生命線。正是這條生命線,托起了我國的公路運輸和保障了13億人民的市場繁榮。

目前許多替代燃料的方案,要想推翻這個系統(tǒng),是極其困難的。特別是如果要采用電動車,另起爐灶建立變電站和充電站,其投資很大,充電時間長,效率很低,使用上極不方便。因此,電動車用于城市小汽車或公交尚可,不宜作長途公路運輸物流用。在替代柴油上,電動車沒有優(yōu)勢。(在鐵路運輸上,電動車比柴油車合理。)

在這里,如果我們的煤化工能夠為此作一些努力,提供一些輔助供應,用煤制取一些柴油作為補充,應該說是件好事。

我們還要提醒一下,通過煤制烯烴的工藝,長長的流程導致能量轉(zhuǎn)化率很低。國內(nèi)在建的兩個MTP裝置,能量轉(zhuǎn)化率都在30%左右,可以肯定,煤制三烴的能量轉(zhuǎn)化率低于費托合成柴油。

目前,國內(nèi)對煤制甲烷給予了很大的熱情,四個煤制甲烷裝置已經(jīng)獲得國家發(fā)改委的批準。這是由于我國的天然氣資源不足和進口天然氣的數(shù)量仍然不能滿足國內(nèi)需要決定的,用煤制甲烷來補充天然氣的不足,與能量轉(zhuǎn)化率的高低無關。

出于同樣的原因,現(xiàn)在建設這些MTP裝置的意圖,是為了彌補每年聚丙烯的不足而造成的大量進口,也與能量轉(zhuǎn)化率無關。

7 結(jié) 論

能量轉(zhuǎn)化率作為一種有效工具,在我們了解工藝過程中發(fā)揮了巨大的作用,但是我們不能變成“唯能量轉(zhuǎn)化率”論者,不能走向極端,一切都拿能量轉(zhuǎn)化率作為判據(jù)。煤制甲醇的能量轉(zhuǎn)化率高,不能擺脫甲醇過剩的局面,原因很簡單,甲醇的需求沒有預期的多。甲醇要替代的汽油,本身是過剩的物資。當前的甲醇熱應該降溫,適度發(fā)展煤制柴油和甲烷,是符合國家利益的。

選擇產(chǎn)品的原則是國家的需求和技術的成熟度,這是絕對不能動搖的。

[1]中華人民共和國國家標準.GB/T 2589-2008,綜合能耗計算通則 [S].

[2]全國化工行業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展趨勢 [EB/OL].六鑒化工咨詢網(wǎng),2006-09-20. http://www.6chem.com/04.asp?id=1133

[3]中華人民共和國化學工業(yè)部.HG29804-91,合成氨產(chǎn)品能源消耗量的計算方法 [S].

[4]煤制“三烴”優(yōu)于煤制油 [N].中國化工報,2009-09-30.

[5]中國公路通車總里程60年增長45倍 [EB/OL].中央政府門戶網(wǎng)站,2009-08-16. http://www.gov.cn

[6]中國未來多種車用燃料的Well to Wheels能量消耗和溫室氣體排放研究 [R].中國汽車研究中心通用汽車報告.2008.