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基于能量集成的CO2减排量的确定——冯霄


基于能量集成的CO2 减排量的确定
CO2 Emission Reduction through Energy Integration 冯 霄 西安交通大学化学工程系

主要内容
1.前言 2.能量集成的基本概念 3.CO2减排量的计算方法 4.工程实例(PTA能量集成) 5.结论

1.前言
? 温室效应

引起全球气候变暖,是当前国际社会 共同关注的重大环境问题之一。 ? CO2是对全球气候变暖影响最大的一种温室气 体,其温室效应占整个大气层的温室效应来源 的60%。 ? 大气中CO2等温室气体浓度的增加主要是因为 人类活动的结果。

Diagram

能源利用 工业过程 采伐森林 农业 ……
大气中CO2 浓度增加 温室效应 加 剧

? 中国所有人为活动引起的温室气体排放中,CO2的 排放量最大,其中能源活动引起的CO2排放占96%。 ? 据估计中国能源活动产生的二氧化碳排放位居第 二,仅次于美国。随着能源消费的增加,中国温 室气体总排放量仍会有较大幅度的增长。

? 化工生产属能源密集性生产过程,化工生产过程 中CO2的排放,基本是由于化工生产过程中利用能 源或燃烧燃料产生的。 ? 因此,对企业的能量系统进行集成,不仅可以提 高能源的利用效率,也可以减少CO2的排放。

夹点技术

能量集成 能量集成 CO2减排量 提高能源的利用效率

减少CO2的排放

减排量计算

2 能量集成的基本概念 ? 夹点分析技术是建立在热力学基本定律的基础 上,用于化工过程集成的方法体系。

复合曲线

总复合曲线

夹点技术 ? 夹点技术是以热力学为基础,运用拓扑学的概念 和方法,对过程系统作出直观、形象的描述与处 理,从客观的角度分析过程系统中能量流沿温度 的分布,从中发现系统用能的“瓶颈” 所在,并 给以“解瓶颈”的一种方法。

当一股物流吸入或放出 dQ 热量时,其温度发 生dT的变化,则 dQ=CP·dT 式中:CP—热容流率,单位为kW/℃。热容流率是 质量流率与定压比热的乘积。

如果把一股物流从供给温度 TS 加热或冷却至 目标温度TT,则所传的总热量为: Q=∫CP·dT

若热容流率CP可作为常数,则 Q=CP(TT-TS)=ΔH 这样就可以用温 -焓图上的一条直线表示一股 冷流被加热或一股热流被冷却的过程。CP值 越大,T-H图上的线越平缓。

? 单一物流的温焓线的特征 ? 物流温焓线的斜率为物 流热容流率的倒数 ? 温焓线可以在T—H图上 平移,而并不改变其对 物流热特性的描述

T

Tt
ΔT

Ts
ΔH=Q

(a )冷流股

H

T TT TS Q
冷物流

T TS TT H Q
热物流

H

在过程工业的生产系统中,通常总是有若干 冷物流需要被加热,而又有另外若干热物流需要 被冷却。对于多股热流,我们可将它们合并成一 条热复合曲线;对于多股冷流,我们也可将它们 合并成一条冷复合曲线。

物流的复合温焓线
? 复合温焓线的作法 ? 划分温区 ? 计算各温区内的热量
T
T1 T2 T3 T4 T5

B A C
(T1 ? T2 )( B) (T2 ? T3 )( A + B + C) (T3 ? T4 )( A + C) (T4 ? T5 )( A)

H

每一个温区的总热量可表示为:

ΔH i =

∑ CP (T
j j

i

? Ti +1 )

T
T1 T2 T3 T4 T5

H

热流的复合温焓线

当有多股热流和多股冷流进行换热时, 可将所有的热流合并成一根热复合曲线, 所有的冷流合并成一根冷复合曲线,然后 将两者一起表示在温-焓图上。

在温-焓图上,冷、热复合曲线的 相对位置有三种不同的情况

夹点的形成

III

II

I

A

B

QC2 QC3 QR3 QC1

QR2 QH3

QH2

QH1

但是,在夹点温差为零下操作需要无限大的 传热面积,是不现实的。可以通过技术经济评价 而确定一个系统最小的传热温差—夹点温差。因 此,夹点可定义为冷热复合温焓线上传热温差最 小的地方。

确定了夹点温差之后的冷热复合曲线图

?夹点的特征 ? 夹点处的传热温差最小 ? 夹点处系统的热通量为零

夹点的意义 ?(1)夹点处热、冷物流间传热温差最小, 限制了进一步回收过程系统的能量,构成 了系统用能的“瓶颈”。 ?(2)夹点把过程系统分为两个独立的子系 统:夹点上方为净热阱,夹点下方为净热 源。

夹点的分析
T

热源

夹点

T 热阱 热源 α

Q HMIN +α

热阱 H 图 5a

Q CMIN +α H 图 5b

夹点设计的原则

?夹点之上不应设置任何公用工程冷却器 ?夹点之下不应设置任何公用工程加热器 ?不应有跨越夹点的传热

? 换热网络的节能潜力= 实际加热公用工程量-最小加热公用工程量

总复合曲线

总复合曲线以冷、热流体的平均温度为 纵坐标,焓为横坐标。总复合曲线可以从冷 热复合曲线获得:将冷复合曲线上移半个夹 点温差,将热复合曲线下移半个夹点温差, 然后再由同温度下两曲线上的横坐标相减即 得该温度下总复合曲线的横坐标值。

总复合曲线 ?总复合曲线表示系统中热通量与温 位的关系 ?总复合曲线的作用
? 合理的配置系统的公用工程 ? 合理的设置热机、热泵、分离器等

T

加热公用工程 QHmin

A 夹点 D F E G H C B

冷却公用工程 QCmin

总复合曲线

T

QH,min

a

最低温度 加热蒸汽 c

b

夹点 最高温度 发生蒸汽 A C/W Q C,min

H

2 能量集成的基本概念 ? 夹点分析技术是建立在热力学基本定律的基础 上,用于化工生产过程集成的方法体系。

复合曲线

总复合曲线

节能潜力
? 通过夹点分析可得到化工生产过程的能量目标和节 能潜力。能量目标指换热网络中最小加热公用工程 用量和最小冷却公用工程用量。 ? 节能潜力就是现行系统实际的公用工程用量与能量 目标之差,计算公式:
E
P

= EO ? EG

? 化工生产过程能量集成的基本目标就是使原料和 能源消耗最小,以达到经济效率最大化,同时减 少生产过程的废物排放。 ? 在化工生产过程工业采用能量集成技术具有提高 能源利用效率和减少环境污染的双重效益。

3 CO2减排量的计算方法 ? 根据能量消耗而进行二氧化碳排放计算的基本过 程:

? 本文提出的CO2减排的计算方法,主要是针对采用 能量集成技术而形成的CO2减排量的计算。 ? 首先,按能量的种类统计节能潜力,提取出节约 燃料的种类和数量,以及节省电力的数量。

? 然后,根据节能的种类和数量可计算CO2减排量。
44 Q = ∑ (α i × ΔEi )× 12 i
? Q为CO2减排量(kg-CO2); ? αi为能源i的CO2排放系数(kg-C/kWh); ? 44/12为CO2的碳当量折算为二氧化碳当量系数。 ? ΔEi为能源i的节约量,kW;其中ΔE=ce×Ep,Ep为终端 能源节约量,ce为能源转化效率。

? 燃料燃烧CO2排放系数αi的经验数据
数据来源 DOE/EIA 日本能源经济研究所 中国工程院 国家环保局温室气体控制项目 国家科委气候变化项目 国家科委北京项目 煤炭 0.702 0.756 0.68 0.748 0.726 0.656 石油 0.478 0.586 0.54 0.583 0.583 0.591 天然气 0.389 0.449 0.41 0.444 0.409 0.452

? 假设所用电力为燃煤火力发电,根据2002 年中国供电 煤耗为383gce/kWh,电力的CO2排放系数
数据来源 DOE/EIA 日本能源经济研究所 中国工程院 国家环保局温室气体控制项目 国家科委气候变化项目 国家科委北京项目 煤炭 0.269 0.290 0.260 0.286 0.278 0.251

4 工程实例(PTA能量集成) 4.1 工程实例简介 ? 某石化公司,年产72万吨精对苯二甲酸。 ? 对生产装置中各个子系统,利用焓衡算、火用分 析以及夹点分析技术,对其氧化反应、换热网络、 产品结晶、动力回收等子系统的能量系统,进行 能量优化研究工作。分析现行换热网络,采用夹 点技术,可得到温焓复合曲线,总复合曲线。

换热网络温焓复合曲线

换热网络温焓总复合曲线

? 根据复合曲线和总复合曲线,结合现场的实际情况,综合 分析了该PTA装置各子系统的能量系统,并提出了可用于 指导工厂对能量系统进行改造的优化方案。

4.1.1 氧化反应热的最优回收 ? 反应尾气从198℃被冷却到178℃,可以回收10.00万 kW的能量,产生1.17万kW的动力。在不改变目前的设 备和操作条件下,用新产生的1.17万kW动力代替现有 的蒸汽轮机(输出功率7831.0kW)拖动空气压缩系统 的空压机,可以节省11MPa蒸汽34吨/小时以及节省 1870吨/小时循环冷却水;即节省蒸汽:30514.6kW, 节省循环水而节省的电力为:103.9kWh。

4.1.2 结晶热的最优回收。 ? 对结晶热采用副产蒸汽方案需要多消耗0.53MPa蒸 汽2366kg/h,副产1.8MPa蒸汽3000kg/h,总的可 以节约热量484kW。

4.1.3 换热网络的优化 ? 经换热网络优化可节约0.53MPa蒸汽1837kg/h、 1.0MPa蒸汽685kg/h、7.7MPa蒸汽1230kg/h,换热网 络优化总共可节省热量2677kW。

4.1.4 蒸汽系统优化 ? 经蒸汽系统优化,9MPa的蒸汽使用量变为26826 kg/h,比现行蒸汽系统用量减少3174 kg/h,1MPa的 蒸汽用量变为4287 kg/h,比现行蒸汽系统用量增加 了713 kg/h。蒸汽系统优化总共可节约热量: 2362kW。

4.2 CO2减排计算
? CO2排放系数取中国工程院数据,假设采用不同燃料的热 效率是一样的(在实际中燃煤的热效率要比燃油、燃气 低)。根据节能潜力,可算出各种燃料的减少量 (kWh),再根据燃料的CO2排放系数可算出CO2减排量。 ? 经优化后,各子系统节约蒸汽而节约的总热量为: 36038kW,所有蒸汽都由加热炉产生,加热炉的热效率取 0.85,则采用不同的燃料(天然气、石油、煤炭),节省 燃料引起的CO2减排量计算如下表所示。

燃料CO2减排量计算表 项目 CO2排放系数,kg-C/kg 节约热量,kWh 热效率系数 燃料低位发热量,kJ/kg 燃料消耗减少量,kW 燃料消耗减少量,kg CO2减排量,kg-CO2/h 天然气 0.41 36038 0.85 489008 51483 31213 4692 石油 0.54 36038 0.85 415008 51483 3678 7282 煤炭 0.68 36038 0.85 220008 51483 69378 17297

电力CO2减排量计算表

项目 循环水系统节能,kWh CO2排放系数,kg-C/kWh CO2减排量,kg-CO2/h

参数 103.9 0.260 99

4.3 计算结果分析 ? 通过对燃料和电力节约引起的CO2排放量计算可 知,PAT装置各能量系统经优化后,CO2减排效果 显著。
CO2减排量统计 燃料消耗引起 的CO2排放 燃料种类 排放量,kg-CO2/h 天然气 4692 99 4791 27.54 石油 7282 99 7381 42.43 煤炭 17297 99 17396 100.00

电力消耗引起的CO2排放,kg-CO2/h 减排量合计,kg-CO2/h 比较(燃料基准为煤炭),%

5 结论
? 基于夹点分析的能量集成技术,不仅可以优化能量的利用 结构,提高能量的利用效率,也可以减少CO2的排放。 ? 通过对采用各种燃料的CO2减排量可知,煤炭的CO2排放量 要比油、气高得多。但是,从经济的角度考虑,煤炭要比 油、气便宜;对我国来说这一点更为突出,油、气储量较 少,煤炭储量相对丰富,而且容易得到。煤炭是我国的主 要能源,因此采用能量集成,节约能源、减少CO2排放对 我国尤为重要。 ? 随着CDM(清洁发展机制)及排放交易的发展,基于能量 集成的CO2减排减排技术及关于CO2减排量的计算,对企业 来说意义重大。

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