煤化工系統能效評價方法的進展研究＊

孫凱蒂 解 強 霍衛東

（1.中國礦業大學 （北京）化學與環境工程學院，北京市海淀區，100083；2.北京低碳清潔能源研究所，北京市昌平區，102209）

煤化工系統能效評價方法的進展研究＊

孫凱蒂1解 強1霍衛東2

（1.中國礦業大學 （北京）化學與環境工程學院，北京市海淀區，100083；2.北京低碳清潔能源研究所，北京市昌平區，102209）

對煤化工系統進行全面深入的能效評價是節能減排和工藝優化的基礎，本文在對能量分析、火用分析、熱經濟學和夾點技術等能效分析方法或工具的原理在煤化工系統能效評價應用進行綜述性評價的基礎上，分析比較了各種能效評價方法的適用性和局限性，結合煤化工技術的特點和發展趨勢，提出了建立煤化工系統能效評估方法學的必要性和途徑。

煤化工 能效分析 火用分析法 熱經濟學法 夾點技術

近年來，煤炭占我國一次性能源構成的70%左右，煤化工在我國能源化工領域占有重要地位，目前國家加速了煤制油和煤代油等石油替代技術的開發和工業化，這使我國高速發展的經濟在富煤、少油、貧氣的大環境下，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，同時傳統煤化工普遍存在裝置老化和技術落后的問題，具有很大的節能潛力；現代煤化工處于產業示范階段，同樣存在著能效低、工藝流程與技術集成待優化的現實。若要使現代煤化工得到長足的發展，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專門制定的能效分析方法，加上煤化工工藝流程長、生產環節多，各種能流、物流和反應復雜交錯，不能直接套用其他傳統工業的能效評價方法。因此，全面掌握裝置、子系統及煤化工系統等各個層面的用能特點，深入剖析各能效評價方法的適用性與局限性，提出結合各種能效評價方法優勢并與煤化工體系高度匹配的能效評價方法學，可以對煤化工系統進行能效分析，并對其改造和優化，最終達到節能減排的結果，是提高煤化工系統能效水平的有效途徑。

目前，能效評價方法主要有以下幾類：一是依據熱力學第一定律的能量平衡法；二是依據熱力學第一定律與第二定律的火用分析法；三是將經濟分析與火用分析法相結合的熱經濟學；四是應用于換熱網絡設計與改進等方面的夾點技術。上述4種能效分析方法已發展得較為成熟，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、熱經濟學和夾點技術等現有能效評價方法和在煤化工系統能效評價應用進行綜述性評價的基礎上，分析、比較和確定了各種能效評價方法的適用性及局限性，以期掌握國內外煤化工系統能效評價方法的研究現狀，指導和建立煤化工系統能效評價方法學。

1 能量分析法

1.1 能量分析法的原理及方法

能量分析法依據熱力學第一定律，分析設備或裝置在能量 “數量”上的利用和損失的情況，反映了直接散失到環境中的能量 （外部損失），著重計算由于 “三廢”排放及保溫不好導致的散熱和散冷等能量損失，為初步實現節能減排指明了的方向。

能量分析法的應用步驟可參照 《GB／T2558-2000，設備熱效率計算通則》。

1.2 能量分析法的應用

煤化工的能效評價工作剛剛起步，針對能量分析法，僅有學者對煤化工中的部分設備或系統進行了用能診斷。對于焦爐的能量分析最為深入，并且有著作對其進行了全面的探討，此外，Marcin Liszka等專家對煤氣化系統進行了熱平衡計算。

能量分析所需參數多、計算繁瑣，為了使計算更加準確和迅速，計算機在煤化工裝置或系統能量分析中得到了運用，可以將Visual Basic中的ActiveX技術與Excel相結合，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，然而應用僅局限于對鍋爐和氣化爐等裝置構建模型，其他方面的應用還有待拓展。

1.3 能量分析法的適用性與局限性

能量分析法最關鍵的環節是能量平衡和物料衡算數據的獲取，尤其要注意數據的一致性，通常直接測定各參數或計算一段時間內統計數據的平均值。然而對于煤化工系統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實案例，也未建立起各參數檢測用儀器與測量方法標準，難以準確測量物流組成和物性參數，導致結果的精確性受到影響。

通過對體系進行能量分析，可提出回收余熱、回收廢棄物資和副產品、減少物料的泄漏等改進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設備內發生不可逆反應時的能量 “質”的損失 （內部損失），即做功能力的下降 （火用損失）。而火用分析法恰好能夠彌補這一不足，通過計算過程系統中能量 “質”的降級程度，反映能量利用不合理的癥結所在。

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的物質，經過完全可逆的變化過程后，達到與環境完全平衡狀態的過程中該能量或物質所做的最大功，火用從“量”和 “質”結合的角度規定了能的 “價值”。火用分析法計算能量中的火用在裝置或設備中的轉換、利用和損失情況，并深刻揭示能量在轉換過程中變質退化的本質，為合理用能指明了方向。

火用分析法與其他分析方法相關聯，并逐步地發展與完善，提出了將三環節法與火用分析法結合的思想，從能量利用的角度將工藝過程分為3個環節：能量轉換和傳輸環節、能量的工藝利用環節、能量的回收環節，有針對性地對體系進行火用分析。考慮到用能設備重要性的差異，并依據設備的重要程度，可以選用三箱分析法的 “黑箱”或 “白箱”模型。采用 “黑箱”模型時僅計算系統總火用損，對于重要能耗設備選用 “白箱”模型，詳細分析體系內各過程的火用損率以掌握其薄弱環節。而王志國提出的 “三環節-三箱”組合分析法，即依次對裝置或設備進行三環節分析和三箱分析。

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

2.2 火用分析法的應用

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

諸多學者對不同煤氣化系統進行了火用分析。有學者對氣流床煤氣化過程中各子系統的火用量做出衡算，重點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的火用利用程度，認為前者是減少冷卻室火用損失的有效途徑。另外，為了研究設備內部用能的宏觀特性，針對煤氣化過程建立了 “黑箱”模型。還有學者對土耳其多種煤的氣化過程進行了火用分析。

IGCC（整體煤氣化聯合循環發電系統）是近年來開發的新能源化工體系，火用分析法是掌握各設備內部損失程度的重要方法。將IGCC系統劃分為燃氣輪機系統、換熱系統、蒸汽輪機系統和氣化爐系統，分析并改進了火用利用程度最低的燃氣輪機系統和氣化爐系統。與上述研究不同，還可以采用不同的系統劃分方式，將IGCC系統劃分為空分、氣化、凈化、壓氣機、燃燒室、透平、余熱鍋爐和汽機7個子系統。分析了空分整體化程度對各子系統火用損失分布的影響，指出改進燃氣輪機燃燒、煤氣化和空氣分離等過程的內部不可逆性是實現IGCC系統在能源利用和改善污染上的突破途徑，計算求得某IGCC系統的全局火用效率為40%。

煤化工多聯產近年來發展迅速，但節能減排的工作目前才剛剛起步。通過對焦爐煤氣與氣化煤氣共制合成氣系統、焦炭和甲醇／動力多聯產系統進行了火用效率的分析和對比，認為新系統能夠明顯降低火用損。煤基甲醇—動力多聯產系統也受到了關注，通過對火用平衡與圖像火用進行分析并揭示系統與關鍵過程的能量利用特點，提出采取動力側聯合循環替代化工自備電廠的蒸汽循環等方法能夠取得明顯的節能效果的觀點。

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，因此分析過程中的難點同樣是對煤化工系統各物流的物料流率、組成、溫度、壓力、比熱和潛熱等數據的收集，實際上這是很困難的。對于火用分析的軟件而言，僅存在一個由The Exergoecology Portal網站提供的簡易火用計算器，輸入化學式后即給出相應元素、離子或化合物的火用值、標準吉布斯自由能和焓值，但實際物流大多是混合物，無特定化學式，仍需進一步選取公式求解物流火用值。不僅如此，為了方便研究，研究者在實際操作時往往還會做出一系列的假設。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量和質量相結合的角度出發分析能量中的火用在裝置或設備中的轉換、利用和損失情況，主要是對裝置或設備進行火用平衡的計算，量化子系統及裝置設備中的不可逆損失，找出薄弱環節進而指出優化方向。但火用分析法卻沒有考慮經濟環境，故不能對產品定價，也無法從系統全局的水平上進行用能的分析與優化。

3 熱經濟學

3.1 熱經濟學的原理及方法

熱經濟學又稱火用經濟學，是在火用分析的基礎上發展起來的一種把熱力學分析與經濟因素統一考慮的交叉學科。熱經濟學把系統放入兩個環境中去考慮，一個是物理環境，其參量為熱力學的物理量，如溫度、壓力和化學勢等；另一個是經濟環境，描述整個環境的參量是一系列的經濟信息，如價格、成本和利潤等，目的是在熱力學量度與資金支付方面找到一種平衡，以期達到經濟效益最佳。

熱經濟學分析方法主要包括成本會計模式、優化模式、矩陣模式與結構理論。矩陣模式和結構理論綜合了前幾種模式的特點，解決了復雜能量系統參數多帶來的不便，代表著熱經濟學發展的最新成果。

熱經濟學的具體計算及分析方法可參照 《熱經濟學》等文獻。

3.2 熱經濟學的應用

熱經濟學在煤化工方面的應用并不多見，將熱經濟學的矩陣分析法應用于煤制甲醇系統的評價過程中，通過比較單產系統和多聯產系統各子系統的成本差和火用經濟系數等指標，發現了各系統的薄弱環節。還有研究對比了浙江大學熱、電、煤氣、焦油多聯產裝置在設計工況和運行工況下產品的單位熱經濟學成本值，分析了煤炭價格對產品成本值的影響，計算了不同氣化溫度下產品的單位熱經濟學成本。

雖然熱經濟學在煤化工系統能效評價領域的應用還不成熟，但在熱電廠的分析、定價等方面已廣泛應用，對煤化工系統能效評價或有借鑒價值。已有研究者針對燃煤循環流化床鍋爐多聯產系統，借助熱經濟學結構理論建立起火用成本模型和火用經濟學成本模型，并探討了煤炭價格和氣化爐溫度等因素對能量成本與非能量費用的影響。也有學者對流化床燃燒鍋爐蒸汽發電廠進行了詳盡的火用經濟學分析。另外，還有學者將熱力學環境、經濟學環境及污染物排放環境有機結合，提出了 “廣義子系統”的概念。

3.3 熱經濟學法的適用性與局限性

在實際應用中，系統在物理環境下的分析歸根結底是對各股物流火用值的求解，因此對其進行火用平衡計算時就會遇到火用分析法應用時的困難，如物性參數難以精確選取測量，公式繁瑣且計算易出錯。不僅如此，當系統置于經濟環境中時還會面臨原料成本和產品價格隨國際市場波動的狀況，當市場價格發生較大波動時必須對系統重新分析。熱經濟學的計算軟件還處于開發測試階段，目前僅存在一個名為TAESS的能量系統熱經濟分析軟件，但只能對系統做出粗略的分析，無法獲得每一股火用流的熱經濟學成本。

熱經濟分析法能夠從全局的角度揭示多聯產效益產生的原因，并合理分攤燃料、電力及各種商品的成本，實現熱系統進行最優設計，并通過研究產品的成本來比較各方案的可行性。熱經濟學雖有以上優點卻無法對換熱網絡進行分析優化，也無法揭示設備中的不可逆損失。

4 夾點技術

4.1 夾點技術的原理及方法

夾點技術最初主要應用于設計和優化換熱網絡這一領域，隨后夾點技術還擴展至廢水最小化和氫夾點等方面。

夾點技術基于熱力學，從宏觀的角度分析過程系統中能流沿溫度的分布，并從中發現 “瓶頸”。夾點技術的使用過程復雜，具體方法可參照 《能量的有效利用——夾點分析與過程集成》。

4.2 夾點技術的應用

夾點技術在石油化工系統換熱網絡以及其他化工裝置的分析與優化中都取得了顯著的節能效果，也有極少數的學者對煤化工系統的部分工段進行了優化分析，而從煤化工系統全局的角度出發來進行系統整體用能情況探討的相應成果目前還處于空白階段。

有學者考察了某煤氣化制甲醇項目中的渣水處理、變換熱回收、低溫甲醇洗、甲醇合成及精餾等子系統中換熱網絡匹配情況。除了煤制甲醇系統之外，某焦化廠的焦油蒸餾工序經過夾點技術分析，通過改造換熱網絡并增加保溫設備，取得了明顯的節能效果與經濟效益。

4.3 夾點技術的適用性與局限性

夾點技術的應用包括了而又不僅限于水網絡、換熱網絡和熱回收項目等，還包含工藝條件、可操作性的改進以及公用工程系統。雖然目前夾點技術應用于煤化工的研究較少報道，但是煤化工系統中的部分子系統，例如熱泵循環系統、制冷系統、蒸餾裝置和分離系統等都有利用夾點技術來減少能耗和優化工藝的可能性。依據夾點技術已開發出Aspen Pinch與Aspen Hx-net等軟件，并且結合Aspen Plus及Aspen Hysys等強大的模擬工具，能夠極大地提高計算效率及準確性，石油化工領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絡優化而達到了良好的節能效果。而如何拓展這些軟件工具的應用范圍并精確地運用至煤化工系統是今后的努力方向。

雖然夾點技術能夠實現換熱網絡的優化，但反應器作為用能過程中最重要的環節，其內部能量損失的診斷卻不能通過夾點技術來實現。在進行換熱網絡的設計和優化時一般通過改變其他部分來更好地適合反應器，應用夾點技術對煤化工系統分析優化時尤其要注意反應器的處理方式。此外，夾點技術還無法對產品定價，也不能計算設備的內部火用損。

5 其他分析方法

能值分析法把貫穿于能源運動始終的太陽能作為過程分析的本質，把系統中的自然因素、社會因素以及所有涉及到的物質或能量統一用太陽能表示，這樣分析各影響因素時就有了一致的衡量標準。

另外，層次分析法作為一種常用的系統綜合分析和評價方法以及多目標決策分析技術，它能使思維過程層次化，實現簡化分析和計算。

6 結語

目前，煤化工行業呈現出蒸蒸日上的勢頭，煤炭直接液化和間接液化、煤制甲醇及甲醇轉烯烴（MTO／MTP）以及煤制天然氣 （SNG）等都已在我國得到產業示范甚至商業化應用。與此同時，煤化工行業的迅速發展給環境來了巨大壓力，處于發展中的現代煤化工能效尚低，工藝與技術集成也待優化，對煤化工系統進行能效分析并對其改造和優化無疑是實現節能減排、提高煤化工系統能效的有效途徑。

現代煤化工具有原料煤來源迥異、組成性質差別大、流程長和生產環節多，各種能流、物流和反應復雜交錯、將多種能源和化學品生產技術耦合的多聯產等特征。迄今為止，針對煤化工系統專門制定的能效分析方法尚未見諸報道，電力和石化等行業研究應用成熟的能效評價方法和標準難以直接套用。前文提及的能量平衡、火用分析、熱經濟學法以及夾點技術等方法或工具應用于煤化工工藝環節或裝置能效評估的嘗試和實踐，表明了它們各自的優缺點和適用性。夾點技術具有較好的整體、系統的能效提高功能，即便如此也僅限于換熱網絡和水網絡的設計及優化方面，其余各法多針對于裝置和工藝環節。此外，能量分析法、火用分析法乃至于熱經濟學法在應用時，都以獲取能量平衡和物料衡算所需的各物流的物性數據為前提。然而煤化工系統中尤其是一些新工藝，如煤炭直接液化、煤制烯烴等，還沒有完善的數據庫，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，現代煤化工系統能效評估方法的建立尚需以下方面的研究和進展為基礎：

（1）研究建立煤化工系統能效評估方法學。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建的巨系統。其能效評價方法學 （即能效評價的過程和步驟），應該是把煤化工復雜系統按點 （裝置，反應單元、單元操作）—線 （工藝）—面 （煤化工企業或能源化工園）進行剖析；選擇適于裝置、單元操作、換能系統的能效評價工具，對煤化工的點—線—面進行能效的量 （數量）—質 （質量）—效益（技術經濟）多層次的能效評估；基于煤化工能效評估的集成軟件平臺，對煤化工系統的點—線—面的能量在量和質兩方面的利用水平評估結果進行整合，并最終以全系統的經濟效益為目標確定系統的優化方案。

（2）研究建立現代煤化工工藝物流和物理化學性質測試方法，獲取煤化工原料、中間物及特殊化學品的物性基礎數據。如前所述，伴隨著煤化工系統能效評價的實踐，逐漸暴露出的難題是基礎數據的缺乏和獲取的巨大難度。由于缺乏監測用儀器、測量方法或標準，難以測定或估算煤化工系統穩定運行時各物流的組成及物性參數，基本條件的欠缺與偏差會在很大程度上影響評估結果的精確性。因此，開發適用于煤化工體系各物流參數、物性常數的測量手段是能效評價方法學準確性的保障。

（3）煤化工工藝反應單元的建模及優化。現代煤化工系統研究的不充分性以及巨大的工程化投資，導致很難采用工程放大的手段來研究整個體系的用能狀況或驗證優化效果。若能為各反應設備乃至整個煤化工系統建立起較準確的模型，再借助流程模擬軟件模擬并驗證優化方案的可行性與經濟性，那么就能夠用最低的成本提出切實可行的改進方案，用較小的代價去實現預期的節能目標。

（4）研究、構建煤化工能效評估軟件平臺。按照煤化工系統能效評價方法學建立的方法和步驟，完成煤化工的點—線—面能效的量—質—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、具有不同的參數輸入輸出特征。因此，需要一個在能效評價方法學下建立把煤化工系統仿真模擬軟件及不同能效評價工具整合為一體的軟件平臺，它包含各種能效評價方法計算公式的數據庫、煤化工系統各環節的精確模型、配以物流物性參數的數據庫，能將各單元模型輸入輸出數據統一單位的程序以及能將各設備或流程經能效分析所得的結果轉換為統一基準的算法。這樣才能將煤化工系統各部分評價結果相結合并靈活調用，生成煤化工系統能效評價方法學所指定的評價指標，基于分析結果提出優化方案后，通過流程模擬的功能來檢驗優化方案的可行性與經濟性。這個平臺應能對整個體系進行多環節和多目標的全面能效評價，以滿足對復雜的煤化工能源工業園的能效評估與優化的要求。

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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高技術基金項目（2011AA05A202）

孫凱蒂 （1990-），女，黑龍江大慶人，碩士研究生，研究方向為煤化工系統能效分析和優化。

（責任編輯 王雅琴）