煤化工热能系统的评价方法探讨

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1化工热能动力联合生产技术

［1］长期以来，不同功能系统多是相互独立的。常规热能动力系统的核心为热力循环，侧重于热与功的转换利用，局限于物理能范畴，受制于卡诺理论框架。而传统化工生产则侧重于化工工艺，想方设法把原料中的有效成分最大程度地转化为产品。它们追求单一功能目标的思路无法破解能耗高、化学能损失大及环境污染严重等难题。因此，系统整合思想受到重视，多能源互补和多产品联产已成为当今世界能源动力系统发展的主要趋势与特征。多联产是指通过系统集成把化工过程和热能动力系统整合，在完成发电、供热等热工功能的同时生产化工产品，实现多领域的多功能综合，其本质特征是系统集成，更合理的物质与能量综合梯级转换利用。图1为某化工热能动力多联产示意图。根据图1，化工生产过程为原料的加工和转换过程。在此过程中，需要与热能动力系统发生诸多联系，包括由热能动力系统供给反应所需的蒸汽和动力装置所需的电力等，而化工过程副产的部分蒸汽可进入热能动力系统中，进行全厂的平衡。现代化工生产在探求分产能效提高的同时，越来越趋向于追求总体效能的提高。例如，通过对某煤制烯烃项目的验收，发现全厂热能动力系统约占总耗能的28%，工艺装置能耗占总耗能的72%。工艺系统的能源效率很难进一步提高，但是热电的炉机配置和供电模式对全厂综合能效影响较大，进行系统优化后可较大程度提高全厂综合能效水平。图2为煤气化热能动力多联产在化学工业中的应用。图2所示项目以最大限度地优化利用煤气化产生的合成气组分为基础，向化工生产装置（如，醋酸、醋酐装置）提供CO气体，向化工生产装置（如，合成氨装置）提供H2，同时充分利用合成气中的CO2生产尿素等，从源头上减少温室气体的排放，并进行酸性气体的处理，实现脱硫；部分合成气经过处理后进入燃气轮机，燃机排气进入余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽部分直接用于供热，其余进入汽轮发电机组，从而实现热能、动力多联产。传统煤化工产业存在能耗高、污染重、规模小、工艺技术落后等局限，其发展正面临着原料供应、环保、新兴产业冲击等三个方面的挑战，而燃煤电厂在发展过程中也遇到能源利用效率没有实质性突破和环保压力越来越大的困境。煤化工和发电两个系统单独运行时，对能源和资源的利用并不是最充分的。如果把发电和煤化工结合起来，可以使得温度、压力、物质的梯级利用达到最佳，实现效率最高、排放最小，两者相互结合和促进。煤气化热能动力多联产是将煤气化产生的合成气经过处理后，用于联合循环发电和用于化工产品的生产，其比例可以调节，并且生产化工产品的弛放气可以进入燃气轮机发电。它是煤气化、气体处理、气体分离、化工品的合成与精制和联合循环发电五部分有机耦合的一种技术。通过整体优化，相对于独立分产系统，其总能利用率提高，污染物排放降低，经济效益提高，势必成为未来能源化工产业发展的重要方向［2］。目前，煤化工热能动力多联产系统集成和设计优化尚未形成完整的理论体系，优化方法、评价准则等基础问题亟待突破。对多联产认识还存在许多误区，如把多联产看作是相应的化工与动力的简单联合，各自保持与分产时的相同流程；把多联产简单地理解为多产品系统等。煤化工热能动力多联产系统中，化工动力侧多是希望运行在设计工况，而通常把热力系统的运行工况分为设计工况和变工况。设计工况是在给定的设计参数与要求下的基准工况，随着环境大气条件、外界负荷或系统本身等变动，热力系统总是处于非设计工况运行。为了避免变工况给系统分析带来的困难，本文中采用全年运行工况，突破设计工况点的旧框架，全面考虑全部可能运行区域的特性，以及相应的评价准则与设计优化方法等。分析化工热能动力系统的所有可能运行工作状况（稳定工况和过渡态工况）的总和，科学地描述与评估总能系统的性能特性，对煤化工热能动力多联产项目的选择具有一定的指导意义。

2传统热力性能评价准则

长期以来，热力学第一定律被广泛应用。对于单一能源输入和单一供能输出（如单纯供热或纯发电等）的能源动力系统来说，热效率能够比较好地描述系统能量转换利用的有效性与优劣，也比较简单易懂。但对于功、热并供与化工、动力联产等复杂的系统，由于没有区分功与热、化工与电力等品位差异及其在价值上的不等价性，就不适用了。最初，功、热并供系统常采用两个指标（热效率和功热比）来综合评估。若对比的某个系统的两个性能指标都好，才能得出明确的结论；如果出现“一好一差”的情况，就很难评说哪一个系统更好了。有关研究相继拓展到冷-热-电联产系统和热、电分摊理论问题。尽管许多研究有了重要进展，但至今没有解决问题，且化工-热能-动力多联产系统集成优化比热-电联产系统还要复杂得多，所以越来越多的人认识到单纯从热力学第一定律的角度，无法合理评价化工-热能-动力多联产系统的优劣。后来，有些学者采用热力学第二定律。火用表示一定参数工质在基准环境下所能做功的最大可能性，将“质”与“量”结合起来去评价能量的价值，改变了人们对能的性质、能的损失和能的转换效率等问题的传统看法，开拓了一个新的热工分析理念。热力学第一定律效率（简称热效率，又称总能利用效率）是联产系统各种形式的能量输出的总量Qout（包括化工产品、发电量、制冷量与供热量）与输入能源总能量Qin（所消耗的一次能源总量）的比值。该值越高，表明系统的热力性能越好。热效率把化工产品与热工产品（功、制冷量供热量）等不同品质与品位的能量等同看待，直接相加。因此，基于热力学第一定律的系统热力性能评价准则，只是反映系统能量转换利用的数量关系。既没有对不同有效输出的品质与品位加以区分，又没有合理反映产生有效输出所消耗能量的分摊情况［4］。虽然热效率应用得最早，而且至今还得到应用，但它通常只适用于单一功能系统，而对于化工－动力联产系统等多功能系统来说，则是不科学与不合理的。［5］在联产系统和参照的分产系统输出相同的产品（化工产品种类和量与热工产品种类和量）条件下，两者总能耗之差的相对比值即联产系统相对节能率Esr（或Est），Esr＝Qd-QcogQd（1）式（1）中：Qd———参照的分产系统总能耗；Qcog———联产系统总能耗。相对节能率体现的是联产系统与参照的分产系统的对比。关注联产系统与参照分产系统相比时能源消耗的节约情况。鉴于联产系统与分产系统中化工原料、产品与热动原料、产品的类型和数量存在不一致的情况，需要界定边界条件。例如，相同的能源输入量或相同的产品输出量等。此外，联产系统和与其比较的参照分产系统生产的化工产品和热工产品的类型和量以及它们之间比例（如化／动比等）应该有个合理的界定。不同的化／动比，计算出来的节能率并不相同，有时也会出现“化／动比越大，节能率就越高”的结论。有的学者通过建立多联产系统化、电分摊理论模型，分析化工生产过程和热-功转换过程的性能特性、能耗分摊情况，使得计算结果更具有针对性。应用相对节能率作为联产系统评价准则时，正确选择相应的参照分产系统性能基准（简称参照基准）非常重要。通常采用定折合性能基准法和当量折比系数法等。定折合性能基准法是假定参照的分产系统中相关的性能均为一个定值时计算出的性能基准，如某焦炉煤气联合循环效率为52%，某焦炉煤气制甲醇能耗44.9MJ／kg等。当量折比系数法是通过规定不同燃料之间热值比值的一个当量折比系数来计算联产系统的参照基准。如假定1kg焦炭的热值与0.9714kg标准煤相当，表达不同能源之间关系。采用不同参照性能基准进行分析时，在数量变化率上有较大的差异，但总的变化趋势大致相同。事实上，相对节能率与热效率一样，都把不同的有效输出等同对待，没有区分它们在品质与品位上的不等价性，仍局限于热力学第一定律概念；且应用范围较窄，特别是多能源输入时，出现太多的参照分产系统（如双能源输入和双产品输出的系统就需4个），不但使得性能指标量的计算变得复杂，而且使系统性能定性比较模糊不清。许多学者尝试应用热力学第二定律来处理不同能量在品质与品位上的不等价性问题，它以各种能量的火用（最大理论做功能力）来进行统一评价，并由此推出基于热力学第二定律的火用效率。火用效率是将功与热合并到一个合理的综合指标中来统一评价的准则，定义为能源动力系统输出的总火用（Eout）与输入的总火用（Ein）之比值，即所产功及输出热量中最大转化功与输入总火用之比值：ηex=Eout／Ein=（P+BQ）／Ein。（2）式（2）中，B为折扣系数，它指代由热转化为功的最大可能性，由卡诺循环效率确定，用热力学第二定律来定量评价。火用效率比热效率更合理之处在于：基于热力学第一定律的评价只考虑了化工产品与热工产品的热性能，且忽略热工产品中电、冷、热之间的差别；火用效率对它们的品位或价值有不同的评价。可见，火用效率的确在热力学上更加正确地看待不同能量的差异，注意到了不同输出在热力学方面的不等价性。但是，火用的概念是从热转功的最大可能性出发，并不适合于用来描述化工生产过程和制冷过程等能量转换利用问题。另外，化工产品的火用与热工产品的火用以及冷火用与热火用等都难以选择同一的基准环境。为此，作为评价准则同样存在一定的不合理性。对于功－热联产系统来说，火用效率在热力学上把能量的量与质相结合起来，将功与热合并到一个综合指标中来统一评价的准则。根据热力学第二定律，功能够全化为热，而热是不能全化为功的。两者虽然可用同一量纲表达，但存在明显的品位差别，功的品位比热高得多，且功与热在经济上的价格也不是等价的。许多工程技术人员对经典的火用概念多限于理论上理解，与实践应用相距甚远，因此，至今未能得到普遍使用。如果从其它角度来定量评定不同能量的价值，就可以得出另一种不同能量价值比和定义出另一种评价准则，或者称之为广义的火用效率。经济火用效率ηEC提出另一种规定价值比B的方法，即系统供热与供电（功）的售价之比：B=CR／CW。（3）式（3）中，价值比B联系实际的经济效益，一定程度上更实际地反映功、热并供装置的性能，从而反映出热力系统的能量转换利用的优劣。经济火用效率只考虑了热与电（功）的售价比，没有考虑不同燃料的价格不同。这在比较使用不同燃料（其价格可能差别很大，如汽油与原煤）的装置时就不够全面。为了改进这一点，可在经济火用效率的基础上再加上燃料价格的考虑，从而提出经济火用系数XEC，XEC=ηEC×Cw／Cf。（4）式（4）中，Cw／Cf是单位能量电（功）与燃料的价格比，反映了燃料投入所获得的经济增值比例（未考虑初投资等成本）。当然，经济火用效率和经济火用系数是否合理，与热／电（功）售价比、电（功）与燃料的价格比等定得正确与否有关。实际上，影响热、电（功）售价的因素很多，经济火用效率和经济火用系数用来进行化工热能动力多联产系统的设计优化，存在一定的不确定性。

3能量综合梯级利用率

［6］20世纪80年代初，我国著名科学家吴仲华先生提出各种不同品质的能源要合理分配、对口供应，做到各得其所，并从能量转化的基本定律出发，阐述了热能综合梯级利用与品位概念，倡导按照“温度对口、梯级利用”能源高效利用的原则。近期，相关研究从物理能（热能）的梯级利用扩展到化学能与物理能综合梯级利用，提出冷－热－电联产系统能量梯级利用率与化工热能动力联产系统能量梯级利用率等新准则。在能源动力系统中，物质化学能通过化学反应实现其能量转化。因此，物质能的转化势必与其发生化学反应的做功能力（吉布斯自由能变化△G）和物理能的最大做功能力（物理火用）紧密相关。对于一个化学反应的微分过程，存在如下关系：dE=dG+TdSηc。（5）式（5）中，dE———过程物质能的最大做功能力变化；dG———吉布斯自由能变化；TdS———过程中以热形式出现的能量；T———反应温度，K；dS———过程熵变化；ηc———卡诺循环效率，ηc=1-T0／T；T0———环境温度，K。上式描述物质火用、化学反应吉布斯自由能和物理火用的普遍关系。从而揭示如何分别通过化学反应过程和物理过程实现物质dE的逐级有效转化与利用。在此基础上，定义表征联产系统化学能梯级利用特征的化学能梯级利用收益率，如式（6）：Rgain=ΔEthnetEs-（Ep+Ethnet）。（6）式（6）中，Rgain———联产系统化学能梯级利用收益率；ΔEthnet———联产系统热转功循环所得热火用相对于分产系统的增长量；Es-（Ep+Ethnet）———从分产系统看，进入系统的化学火用（Es）除部分转移到产品中（Ep）、部分转化为热转功循环的有效净热火用（Ethnet），其余均消耗或损失于系统内部。这部分化学火用损失即为联产系统化学火用梯级利用的最大潜力。因此，Rgain代表了多联产系统化学能梯级利用的收益占分产系统的化学火用损失（化学火用利用潜力）的比例，即联产系统通过集成整合成的化学能梯级利用收益率。它是量化描述联产系统中化学能品位梯级利用水平的一个最重要指标。若在化工动力联产系统集成时，以化学能收益率Rgain作为优化目标，把化学能梯级利用水平与系统集成特征变量和独立设计变量以及联产系统性能特性等关联起来，就可构建基于化学能梯级利用准则的多联产系统设计优化方法。

4基于能源-环境-经济的综合评价体系

基于火用的概念，系统输出热的火用值要低于本身热值，把它与功相比时要打一个折扣，常借助卡诺循环效率所表达的热转化为功的理论限度来给有效热输出打个折扣，以区分热与功的不等价性。但是，化工产品的火用值与热工能量的火用值则难以比较。随着经济的发展，能源、环境问题日益突出，由此而诞生的能源、环境、经济等综合的评价准则受到重视。专家们试图从多目标综合层面来评估多联产系统。能源（Energy）、环境（Environment）、经济（Economy）系统是一个有机的整体，同时存在着相互影响、相互制约的发展关系。近些年来，世界各国政府、研究机构以及专家学者都深刻地认识到能源、经济以及环境之间的相互作用对于解决能源问题的重要影响，开始将三者结合起来综合考虑能源问题，探求综合平衡与协调发展，从而形成了3E系统理论的研究框架，并取得大量的理论与实践成果［7］。这些问题的研究涉及多个学科领域，不同专业的学者选择了不同的研究视角与方法，得到的结论也有所差别。然而，他们的研究都在更多地使用数量经济学、系统工程以及运筹学的方法对能源、环境、经济三者之间的关系和内部规律进行定量分析。国内外基于能源-环境-经济对化工－热能－动力多联产进行评价研究不足，本文探索建立评价体系，利用多项指标进行测算，多角度全面刻画出系统的特性。从而为项目的前期决策，为地区能源、环境、经济协调发展机制的建设以及社会经济宏观发展目标的制定提供数据支持与决策依据。能源、环境、经济（3E）分析一般采用协调度评价，应用的理论和采用的方法虽不尽相同，均力图通过量化概念反映出来，但这个量化的数值没有办法直接表明其所处的状态性质。本文将能源、环境、经济分析用于化工热能动力多联产系统，分成一级要素和二级要素，并确定权重，根据设定的评分依据分5个等级，进行综合评价。这样就使得原来复杂的协调度概念变得更加简单，同时也更加实用［5］。评价指标选取那些使用频度较高的指标，进行分析、比较、综合，并采用专家评分法对指标进行调整，使得评价具有可操作性［8］。基于能源-环境-经济（3E）对化工热能动力多联产项目进行综合评价的思路及其相应步骤如下：合理选定一级及二级要素，并分别确定其权重；进行评价要素分析，根据技术发展水平等确定最优标准；计算对应化工热能动力多联产项目的分值，进行综合评价。具体如下。建立评价体系分析模型，选定环境保护、资（能）源利用效率和技术经济指标为一级要素；SO2排放强度、NOx排放强度、中水回用率、一般固废综合利用率、CO2减排潜力、能源转化效率、能耗指标、水耗指标、内部收益率、区域经济带动等为二级要素。根据环保优先、合理和节约利用资源、效益良好和区域经济带动等原则，合理确定各级要素的权重，再根据业内专家调整，得到化工热能动力多联产项目评价体系权重。根据化工热能动力多联产的项目的不同，相关二级要素会有所调整，对应评价体系权重也会根据产品种类、生产规模、工艺路线、公用工程配置等诸多因素进行针对性的调整。进行评价要素分析，根据技术发展水平等确定最优标准。4.1.2.1环境保护要素特征污染物指的是能够反映某种行业所排放污染物中有代表的部分。不同的化工生产对应的主要污染物排放并不相同。但从化工及热能动力系统的行业特点出发，SO2、NOx为最基本的特征污染物。中水回用，一方面为供水开辟了第二水源，大幅度降低新鲜水的消耗量；另一方面在一定程度上减轻污废水对水源的污染。目前，世界上无论是水资源丰富还是水资源相对紧缺的国家都将中水回用作为节约用水、加强环境保护的一项重要举措。化工热能动力多联产项目一般耗水量较大，务必提高中水回用率，提高水的重复利用和循环使用率。一般固废综合利用率指一般固体废物综合利用量占一般固体废物产生量的百分率。《节能环保产业“十二五”发展规划》中，资源综合利用被明确为除节能和环保之外重点支持的产业。提高一般固废综合利用率可以实现资源利用和环境保护的双重目标。近年来巨大的能源消耗和温室气体排放使我国承受了很大的压力。我国CO2气体减排的任务很重。化工和电力行业CO2的排放较大，有效实施化工能源动力多联产，也是降低CO2排放的举措。特别是煤化工项目，应采用有效控制CO2排放的能源利用技术路线。环境保护要素取值参照相关污染物排放标准、政策文件及同等项目国内外先进水平确定，在此基础上，对项目进行评价。化工行业整体能源、资源消耗量大，选定能源转化效率、能耗、水耗等要素，总体上可以体现其资（能）源利用水平。参照国内外先进水平，在此基础上进行总体评价。能源转化率采用热力学第一定律计算，能耗指标按照吨产品的资（能）源消耗确定，水耗指标为加工和转换单位资（能）源消耗的水资源。技术经济评价要素一方面评价项目自身的财务效益，同时也关注项目建设对区域经济带动、产业结构调整的影响，主要包括：项目财务内部收益率及区域经济带动指标等。项目财务内部收益率参照行业内的先进制进行评定，区域经济带动综合考虑项目对地区经济发展的影响。［9］根据上述评价系统确定的权重和评分依据，将分值分成5个等级，进行综合评价。随着我国能源战略多元化进程的加快，我国烯烃工业发展将进一步提升原料多元化，适度减少石化工业发展对原油资源的依赖，进一步提升煤制烯烃产业的发展水平。下面针对三个烯烃项目，应用能源-经济-环保评价体系进行综合评价。建立评价体系分析模型，合理确定各级要素及权重，如表1所示。根据煤制烯烃的先进指标，结合GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》、《大宗工业固体废物综合利用“十二五”规划》、GB8978—1996《污水综合排放标准》等相关污染物排放标准、政策文件及同等项目国内外先进水平确定（表2）。煤制烯烃产业为高耗能、耗水产业，资（能）源利用效率要素从能源转化效率、能耗、水耗三方面评价（表3）。含财务内部收益率和区域经济带动两项，见表4。根据上述评价系统确定的权重和评分依据，整理确定最终的评价标准，如表5所示。针对三个煤制烯烃项目，参照以上的评价标准进行评定，如表6所示。根据表6并结合能源-环境-经济综合评价法，做出如下解释。（1）通过该综合评价法，能够针对不同项目或同一项目的不同方案，进行分析评价。例如，表6中项目一（方案一）虽然环保要素和资（能）源利用效率要素优异，但相对技术经济指标较低，通过综合考虑，总体评价分值仍较高，而项目三（方案三）以降低环保和资（能）源利用效率为代价获取经济效益，总体评价较低。（2）能源-环境-经济综合评价中，根据项目不同，选取的权重及分值标准等会有所不同，但是基本上，同类别的项目均具有一定的可比性。（3）能源-环境-经济综合评价适用于不同方案及不同项目的分析对比，选出在能源-环境-经济等方面更优的方案及项目。（4）能源-环境-经济综合评价体系融合了能源-环境-经济等因素，综合协调了进行方案或项目分析时节能不环保、节能不经济、环保不节能、环保不经济等能源、经济和环保之间的矛盾，平衡了相关各方的利益，力图实现社会效益、环境效益和经济效益的统一。（5）本文中能源-环境-经济综合评价评价体系有待于进一步完善，实现权重和分值的划定更科学，计算能源-环保-经济的协调度，并用于指导方案和项目的优化，推动技术进步。

煤化工热能动力多联产系统有效集成和耦合了化工生产、热电联产、热力供应、动力驱动等子系统，能够实现资源和能源的有效利用，实现化工与动力、能量梯级利用与物质高效转化的有机结合，突破单一行业提高效率、改善经济性、控制排放的局限性。化工热能动力多联产系统的特点为多能源输入、多产品输出。化工热能动力多联产系统的发展需要科学合理的评价指标体系，便于总体上评价系统的性能，并进而指导系统的优化。目前常用的系统性能评价指标主要为热效率、相对节能率、火用效率、经济火用效率、经济火用系数等。能量的综合梯级利用从多联产集成的本质出发，为多联产系统设计优化提供新的思路。传统的热力学性能指标难以全面科学评估其性能，应用不同的评价准则常常出现不同、甚至矛盾的结论。为此，单独作为系统设计的优化的主要目标函数也并不科学。近年来，能源、环境问题日益突出，由此而诞生的能源、环境、经济综合评价准则受到重视，并逐渐应用于分析地区能源、环境、经济协调发展。本文将能源-环境-经济综合评价法用于煤化工热能动力多联产系统，并采用全工况概念进行分析，多目标综合层面来评估多联产系统，更贴近实际运行情况，具有一定的实际意义。

本文作者：陈希章吴晓峰龚华俊白颐曲风臣工作单位：石油和化学工业规划院