煤化工系统能效评价方法的进展研究＊

孙凯蒂 解 强 霍卫东

（1.中国矿业大学 （北京）化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083；2.北京低碳清洁能源研究所，北京市昌平区，102209）

煤化工系统能效评价方法的进展研究＊

孙凯蒂1解 强1霍卫东2

（1.中国矿业大学 （北京）化学与环境工程学院，北京市海淀区，100083；2.北京低碳清洁能源研究所，北京市昌平区，102209）

对煤化工系统进行全面深入的能效评价是节能减排和工艺优化的基础，本文在对能量分析、火用分析、热经济学和夹点技术等能效分析方法或工具的原理在煤化工系统能效评价应用进行综述性评价的基础上，分析比较了各种能效评价方法的适用性和局限性，结合煤化工技术的特点和发展趋势，提出了建立煤化工系统能效评估方法学的必要性和途径。

煤化工 能效分析 火用分析法 热经济学法 夹点技术

近年来，煤炭占我国一次性能源构成的70%左右，煤化工在我国能源化工领域占有重要地位，目前国家加速了煤制油和煤代油等石油替代技术的开发和工业化，这使我国高速发展的经济在富煤、少油、贫气的大环境下，减轻对石油的依赖程度。与石油化工和天然气化工相比，煤化工能耗高，同时传统煤化工普遍存在装置老化和技术落后的问题，具有很大的节能潜力；现代煤化工处于产业示范阶段，同样存在着能效低、工艺流程与技术集成待优化的现实。若要使现代煤化工得到长足的发展，就需要提高能效水平并减少污染物的排放。然而，目前并没有针对煤化工系统专门制定的能效分析方法，加上煤化工工艺流程长、生产环节多，各种能流、物流和反应复杂交错，不能直接套用其他传统工业的能效评价方法。因此，全面掌握装置、子系统及煤化工系统等各个层面的用能特点，深入剖析各能效评价方法的适用性与局限性，提出结合各种能效评价方法优势并与煤化工体系高度匹配的能效评价方法学，可以对煤化工系统进行能效分析，并对其改造和优化，最终达到节能减排的结果，是提高煤化工系统能效水平的有效途径。

目前，能效评价方法主要有以下几类：一是依据热力学第一定律的能量平衡法；二是依据热力学第一定律与第二定律的火用分析法；三是将经济分析与火用分析法相结合的热经济学；四是应用于换热网络设计与改进等方面的夹点技术。上述4种能效分析方法已发展得较为成熟，此外还有研究者提出其他能效分析方法。

本文在对能量平衡法、火用分析、热经济学和夹点技术等现有能效评价方法和在煤化工系统能效评价应用进行综述性评价的基础上，分析、比较和确定了各种能效评价方法的适用性及局限性，以期掌握国内外煤化工系统能效评价方法的研究现状，指导和建立煤化工系统能效评价方法学。

1 能量分析法

1.1 能量分析法的原理及方法

能量分析法依据热力学第一定律，分析设备或装置在能量 “数量”上的利用和损失的情况，反映了直接散失到环境中的能量 （外部损失），着重计算由于 “三废”排放及保温不好导致的散热和散冷等能量损失，为初步实现节能减排指明了的方向。

能量分析法的应用步骤可参照 《GB／T2558-2000，设备热效率计算通则》。

1.2 能量分析法的应用

煤化工的能效评价工作刚刚起步，针对能量分析法，仅有学者对煤化工中的部分设备或系统进行了用能诊断。对于焦炉的能量分析最为深入，并且有著作对其进行了全面的探讨，此外，Marcin Liszka等专家对煤气化系统进行了热平衡计算。

能量分析所需参数多、计算繁琐，为了使计算更加准确和迅速，计算机在煤化工装置或系统能量分析中得到了运用，可以将Visual Basic中的ActiveX技术与Excel相结合，用VB制作可视化界面，以Excel建模测算和分析水煤气炉的热平衡，然而应用仅局限于对锅炉和气化炉等装置构建模型，其他方面的应用还有待拓展。

1.3 能量分析法的适用性与局限性

能量分析法最关键的环节是能量平衡和物料衡算数据的获取，尤其要注意数据的一致性，通常直接测定各参数或计算一段时间内统计数据的平均值。然而对于煤化工系统中尤其是一些新工艺，如煤炭直接液化、煤制烯烃等，并没有能够参考的现实案例，也未建立起各参数检测用仪器与测量方法标准，难以准确测量物流组成和物性参数，导致结果的精确性受到影响。

通过对体系进行能量分析，可提出回收余热、回收废弃物资和副产品、减少物料的泄漏等改进措施来减少体系的外部损失，即能量分析法能够十分直观地指出能量 “量”的耗散。但能量分析法却未考虑到反应设备内发生不可逆反应时的能量 “质”的损失 （内部损失），即做功能力的下降 （火用损失）。而火用分析法恰好能够弥补这一不足，通过计算过程系统中能量 “质”的降级程度，反映能量利用不合理的症结所在。

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状态的物质，经过完全可逆的变化过程后，达到与环境完全平衡状态的过程中该能量或物质所做的最大功，火用从“量”和 “质”结合的角度规定了能的 “价值”。火用分析法计算能量中的火用在装置或设备中的转换、利用和损失情况，并深刻揭示能量在转换过程中变质退化的本质，为合理用能指明了方向。

火用分析法与其他分析方法相关联，并逐步地发展与完善，提出了将三环节法与火用分析法结合的思想，从能量利用的角度将工艺过程分为3个环节：能量转换和传输环节、能量的工艺利用环节、能量的回收环节，有针对性地对体系进行火用分析。考虑到用能设备重要性的差异，并依据设备的重要程度，可以选用三箱分析法的 “黑箱”或 “白箱”模型。采用 “黑箱”模型时仅计算系统总火用损，对于重要能耗设备选用 “白箱”模型，详细分析体系内各过程的火用损率以掌握其薄弱环节。而王志国提出的 “三环节-三箱”组合分析法，即依次对装置或设备进行三环节分析和三箱分析。

火用分析法具体的操作步骤可从 《热力过程火用分析基础》、 《工程火用分析方法》以及 《GB／T 14909-2005能量系统火用分析技术导则》等参考书目中获得。

2.2 火用分析法的应用

迄今为止，火用分析法的大部分应用集中在煤气化或以煤气化为首的现代煤化工系统。

诸多学者对不同煤气化系统进行了火用分析。有学者对气流床煤气化过程中各子系统的火用量做出衡算，重点分析了洗涤冷却过程中的火用损失，比较了采取回收与不回收排出的水蒸汽这两种工艺时的火用利用程度，认为前者是减少冷却室火用损失的有效途径。另外，为了研究设备内部用能的宏观特性，针对煤气化过程建立了 “黑箱”模型。还有学者对土耳其多种煤的气化过程进行了火用分析。

IGCC（整体煤气化联合循环发电系统）是近年来开发的新能源化工体系，火用分析法是掌握各设备内部损失程度的重要方法。将IGCC系统划分为燃气轮机系统、换热系统、蒸汽轮机系统和气化炉系统，分析并改进了火用利用程度最低的燃气轮机系统和气化炉系统。与上述研究不同，还可以采用不同的系统划分方式，将IGCC系统划分为空分、气化、净化、压气机、燃烧室、透平、余热锅炉和汽机7个子系统。分析了空分整体化程度对各子系统火用损失分布的影响，指出改进燃气轮机燃烧、煤气化和空气分离等过程的内部不可逆性是实现IGCC系统在能源利用和改善污染上的突破途径，计算求得某IGCC系统的全局火用效率为40%。

煤化工多联产近年来发展迅速，但节能减排的工作目前才刚刚起步。通过对焦炉煤气与气化煤气共制合成气系统、焦炭和甲醇／动力多联产系统进行了火用效率的分析和对比，认为新系统能够明显降低火用损。煤基甲醇—动力多联产系统也受到了关注，通过对火用平衡与图像火用进行分析并揭示系统与关键过程的能量利用特点，提出采取动力侧联合循环替代化工自备电厂的蒸汽循环等方法能够取得明显的节能效果的观点。

2.3 火用分析法的适用性与局限性

火用分析法以能量衡算和物料衡算为基础，因此分析过程中的难点同样是对煤化工系统各物流的物料流率、组成、温度、压力、比热和潜热等数据的收集，实际上这是很困难的。对于火用分析的软件而言，仅存在一个由The Exergoecology Portal网站提供的简易火用计算器，输入化学式后即给出相应元素、离子或化合物的火用值、标准吉布斯自由能和焓值，但实际物流大多是混合物，无特定化学式，仍需进一步选取公式求解物流火用值。不仅如此，为了方便研究，研究者在实际操作时往往还会做出一系列的假设。上述原因都降低了火用分析法的可操作性和精确程度。

火用分析法从能量的数量和质量相结合的角度出发分析能量中的火用在装置或设备中的转换、利用和损失情况，主要是对装置或设备进行火用平衡的计算，量化子系统及装置设备中的不可逆损失，找出薄弱环节进而指出优化方向。但火用分析法却没有考虑经济环境，故不能对产品定价，也无法从系统全局的水平上进行用能的分析与优化。

3 热经济学

3.1 热经济学的原理及方法

热经济学又称火用经济学，是在火用分析的基础上发展起来的一种把热力学分析与经济因素统一考虑的交叉学科。热经济学把系统放入两个环境中去考虑，一个是物理环境，其参量为热力学的物理量，如温度、压力和化学势等；另一个是经济环境，描述整个环境的参量是一系列的经济信息，如价格、成本和利润等，目的是在热力学量度与资金支付方面找到一种平衡，以期达到经济效益最佳。

热经济学分析方法主要包括成本会计模式、优化模式、矩阵模式与结构理论。矩阵模式和结构理论综合了前几种模式的特点，解决了复杂能量系统参数多带来的不便，代表着热经济学发展的最新成果。

热经济学的具体计算及分析方法可参照 《热经济学》等文献。

3.2 热经济学的应用

热经济学在煤化工方面的应用并不多见，将热经济学的矩阵分析法应用于煤制甲醇系统的评价过程中，通过比较单产系统和多联产系统各子系统的成本差和火用经济系数等指标，发现了各系统的薄弱环节。还有研究对比了浙江大学热、电、煤气、焦油多联产装置在设计工况和运行工况下产品的单位热经济学成本值，分析了煤炭价格对产品成本值的影响，计算了不同气化温度下产品的单位热经济学成本。

虽然热经济学在煤化工系统能效评价领域的应用还不成熟，但在热电厂的分析、定价等方面已广泛应用，对煤化工系统能效评价或有借鉴价值。已有研究者针对燃煤循环流化床锅炉多联产系统，借助热经济学结构理论建立起火用成本模型和火用经济学成本模型，并探讨了煤炭价格和气化炉温度等因素对能量成本与非能量费用的影响。也有学者对流化床燃烧锅炉蒸汽发电厂进行了详尽的火用经济学分析。另外，还有学者将热力学环境、经济学环境及污染物排放环境有机结合，提出了 “广义子系统”的概念。

3.3 热经济学法的适用性与局限性

在实际应用中，系统在物理环境下的分析归根结底是对各股物流火用值的求解，因此对其进行火用平衡计算时就会遇到火用分析法应用时的困难，如物性参数难以精确选取测量，公式繁琐且计算易出错。不仅如此，当系统置于经济环境中时还会面临原料成本和产品价格随国际市场波动的状况，当市场价格发生较大波动时必须对系统重新分析。热经济学的计算软件还处于开发测试阶段，目前仅存在一个名为TAESS的能量系统热经济分析软件，但只能对系统做出粗略的分析，无法获得每一股火用流的热经济学成本。

热经济分析法能够从全局的角度揭示多联产效益产生的原因，并合理分摊燃料、电力及各种商品的成本，实现热系统进行最优设计，并通过研究产品的成本来比较各方案的可行性。热经济学虽有以上优点却无法对换热网络进行分析优化，也无法揭示设备中的不可逆损失。

4 夹点技术

4.1 夹点技术的原理及方法

夹点技术最初主要应用于设计和优化换热网络这一领域，随后夹点技术还扩展至废水最小化和氢夹点等方面。

夹点技术基于热力学，从宏观的角度分析过程系统中能流沿温度的分布，并从中发现 “瓶颈”。夹点技术的使用过程复杂，具体方法可参照 《能量的有效利用——夹点分析与过程集成》。

4.2 夹点技术的应用

夹点技术在石油化工系统换热网络以及其他化工装置的分析与优化中都取得了显著的节能效果，也有极少数的学者对煤化工系统的部分工段进行了优化分析，而从煤化工系统全局的角度出发来进行系统整体用能情况探讨的相应成果目前还处于空白阶段。

有学者考察了某煤气化制甲醇项目中的渣水处理、变换热回收、低温甲醇洗、甲醇合成及精馏等子系统中换热网络匹配情况。除了煤制甲醇系统之外，某焦化厂的焦油蒸馏工序经过夹点技术分析，通过改造换热网络并增加保温设备，取得了明显的节能效果与经济效益。

4.3 夹点技术的适用性与局限性

夹点技术的应用包括了而又不仅限于水网络、换热网络和热回收项目等，还包含工艺条件、可操作性的改进以及公用工程系统。虽然目前夹点技术应用于煤化工的研究较少报道，但是煤化工系统中的部分子系统，例如热泵循环系统、制冷系统、蒸馏装置和分离系统等都有利用夹点技术来减少能耗和优化工艺的可能性。依据夹点技术已开发出Aspen Pinch与Aspen Hx-net等软件，并且结合Aspen Plus及Aspen Hysys等强大的模拟工具，能够极大地提高计算效率及准确性，石油化工领域中的炼油厂蒸馏装置和常减压装置等均已利用软件对换热网络优化而达到了良好的节能效果。而如何拓展这些软件工具的应用范围并精确地运用至煤化工系统是今后的努力方向。

虽然夹点技术能够实现换热网络的优化，但反应器作为用能过程中最重要的环节，其内部能量损失的诊断却不能通过夹点技术来实现。在进行换热网络的设计和优化时一般通过改变其他部分来更好地适合反应器，应用夹点技术对煤化工系统分析优化时尤其要注意反应器的处理方式。此外，夹点技术还无法对产品定价，也不能计算设备的内部火用损。

5 其他分析方法

能值分析法把贯穿于能源运动始终的太阳能作为过程分析的本质，把系统中的自然因素、社会因素以及所有涉及到的物质或能量统一用太阳能表示，这样分析各影响因素时就有了一致的衡量标准。

另外，层次分析法作为一种常用的系统综合分析和评价方法以及多目标决策分析技术，它能使思维过程层次化，实现简化分析和计算。

6 结语

目前，煤化工行业呈现出蒸蒸日上的势头，煤炭直接液化和间接液化、煤制甲醇及甲醇转烯烃（MTO／MTP）以及煤制天然气 （SNG）等都已在我国得到产业示范甚至商业化应用。与此同时，煤化工行业的迅速发展给环境来了巨大压力，处于发展中的现代煤化工能效尚低，工艺与技术集成也待优化，对煤化工系统进行能效分析并对其改造和优化无疑是实现节能减排、提高煤化工系统能效的有效途径。

现代煤化工具有原料煤来源迥异、组成性质差别大、流程长和生产环节多，各种能流、物流和反应复杂交错、将多种能源和化学品生产技术耦合的多联产等特征。迄今为止，针对煤化工系统专门制定的能效分析方法尚未见诸报道，电力和石化等行业研究应用成熟的能效评价方法和标准难以直接套用。前文提及的能量平衡、火用分析、热经济学法以及夹点技术等方法或工具应用于煤化工工艺环节或装置能效评估的尝试和实践，表明了它们各自的优缺点和适用性。夹点技术具有较好的整体、系统的能效提高功能，即便如此也仅限于换热网络和水网络的设计及优化方面，其余各法多针对于装置和工艺环节。此外，能量分析法、火用分析法乃至于热经济学法在应用时，都以获取能量平衡和物料衡算所需的各物流的物性数据为前提。然而煤化工系统中尤其是一些新工艺，如煤炭直接液化、煤制烯烃等，还没有完善的数据库，对高温、高压下的一些特殊体系物性测量的方法也尚待研究建立。

因此，现代煤化工系统能效评估方法的建立尚需以下方面的研究和进展为基础：

（1）研究建立煤化工系统能效评估方法学。煤化工或以煤化工为主体的能源化工园，是由多种装置、专门工艺及公用工程按功能模块组合和构建的巨系统。其能效评价方法学 （即能效评价的过程和步骤），应该是把煤化工复杂系统按点 （装置，反应单元、单元操作）—线 （工艺）—面 （煤化工企业或能源化工园）进行剖析；选择适于装置、单元操作、换能系统的能效评价工具，对煤化工的点—线—面进行能效的量 （数量）—质 （质量）—效益（技术经济）多层次的能效评估；基于煤化工能效评估的集成软件平台，对煤化工系统的点—线—面的能量在量和质两方面的利用水平评估结果进行整合，并最终以全系统的经济效益为目标确定系统的优化方案。

（2）研究建立现代煤化工工艺物流和物理化学性质测试方法，获取煤化工原料、中间物及特殊化学品的物性基础数据。如前所述，伴随着煤化工系统能效评价的实践，逐渐暴露出的难题是基础数据的缺乏和获取的巨大难度。由于缺乏监测用仪器、测量方法或标准，难以测定或估算煤化工系统稳定运行时各物流的组成及物性参数，基本条件的欠缺与偏差会在很大程度上影响评估结果的精确性。因此，开发适用于煤化工体系各物流参数、物性常数的测量手段是能效评价方法学准确性的保障。

（3）煤化工工艺反应单元的建模及优化。现代煤化工系统研究的不充分性以及巨大的工程化投资，导致很难采用工程放大的手段来研究整个体系的用能状况或验证优化效果。若能为各反应设备乃至整个煤化工系统建立起较准确的模型，再借助流程模拟软件模拟并验证优化方案的可行性与经济性，那么就能够用最低的成本提出切实可行的改进方案，用较小的代价去实现预期的节能目标。

（4）研究、构建煤化工能效评估软件平台。按照煤化工系统能效评价方法学建立的方法和步骤，完成煤化工的点—线—面能效的量—质—效益多层次的能效评估，可以选择的方法和工具有多种。这些方法和工具 （软件）基于不同的框架、采用不同的模型、具有不同的参数输入输出特征。因此，需要一个在能效评价方法学下建立把煤化工系统仿真模拟软件及不同能效评价工具整合为一体的软件平台，它包含各种能效评价方法计算公式的数据库、煤化工系统各环节的精确模型、配以物流物性参数的数据库，能将各单元模型输入输出数据统一单位的程序以及能将各设备或流程经能效分析所得的结果转换为统一基准的算法。这样才能将煤化工系统各部分评价结果相结合并灵活调用，生成煤化工系统能效评价方法学所指定的评价指标，基于分析结果提出优化方案后，通过流程模拟的功能来检验优化方案的可行性与经济性。这个平台应能对整个体系进行多环节和多目标的全面能效评价，以满足对复杂的煤化工能源工业园的能效评估与优化的要求。

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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

国家863高技术基金项目（2011AA05A202）

孙凯蒂 （1990-），女，黑龙江大庆人，硕士研究生，研究方向为煤化工系统能效分析和优化。

（责任编辑 王雅琴）