化工進(jìn)展2015年第34卷第4期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS●947●8研究開發(fā):德士古煤氣化工藝CO2排放分析譚心舜'，程樂斯',賈小平2，畢榮山'(青島科技大學(xué)計算機與化工研究所，山東青島266042; 2青島科技大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，山東青島266042 )摘要:煤化工是高耗能高CO2 排放的工業(yè)，利用熱力學(xué)分析方法對其工藝過程中能量利用情況進(jìn)行分析，可以有效地發(fā)現(xiàn)工藝的能量利用缺陷和節(jié)能潛力，為過程的節(jié)能優(yōu)化改造提供依據(jù)。目前熱力學(xué)分析方法主要包括能量衡算法和擁分析法，本文在對傳統(tǒng)熱力學(xué)方法進(jìn)行分析和評價的基礎(chǔ)上，指出了已有方法的不足，提出了新的熵?fù)矸治鱿嘟Y(jié)合的分析方法，并以德士古煤氣化工藝為例，分別使用傳統(tǒng)的能量衡算法、煙分析法和本文提出的熵炯結(jié)合分析法對工藝過程的能量利用情況進(jìn)行了分析，獲得了工藝過程中內(nèi)各模塊的能量、熵增和炯損分布。在此基礎(chǔ)上，將擁損與工藝過程中CO2 排放量建立聯(lián)系，經(jīng)過計算得到了工藝過程中各個設(shè)備對應(yīng)的CO2排放分布和煙損系數(shù)，得出氣化爐是工藝過程中主要的節(jié)能位置。這種能量與CO2 排放的關(guān)聯(lián)能為工藝過程的節(jié)能減排提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:煤氣化;熵產(chǎn);擁損; CO2排放量中圖分類號: TQ021.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號: 1000-6613 (2015) 04 - 0947- 05DOI: 10.16085/.issn. 000-6613.2015.04.008Analysis of exergy loss and CO2 emission in Texaco coal gasificationTAN Xinshun'，CHENG Lesi'，JLA Xiaoping2，BI Rongshan'( 'Institute of Computer and Chemical Engineering，Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042,Shandong, China; 2 School of Environment and Safety Engineering, Qingdao University of Science & Technology,Qingdao 266042，Shandong, China)Abstract: Coal chemical industry is noted for high energy consumption and significant discharge ofCO2. Using thermodynamic analysis to evaluat utilization of energy in such processes can effctivelyfind defects of energy utilization and energy-saving potential, and can provide the basis for energysaving optimization reconstruction of the process. Thermodynamic analysis includes energy balanceand exergy analysis. This paper presents the method of combining entropy analysis with exergyanalysis after reviewing the traditional analysis methods and pointing out their shortages. TakingTexaco coal gasification as an example，energy utilization was analyzed by using energy balance,exergy analysis and the proposed method. Energy consumption，entropy generation and distribution ofexergy loss of all modules were obtained. Based on this, the relationship between exergy loss and CO2emission was established, and distribution of CO2 emission and exergy loss coefficient of all moduleswere obtained by calculation. The gasifier was the main location for energy-saving. This relationshipwe established could provide theoretical basis for energy saving and emission reduction of the coalgasification process.Key words: coal gasification; entropy generation; exergy loss; CO2 emission收稿日期: 2014-09-03; 修改稿日期: 2014-11-04.第一作者:程樂斯(1987- -)，女，碩士研究生，從事化工系統(tǒng)工程基金項目:國家自然科學(xué)基金(21136003, 41101570)、 山東省自然科方向。聯(lián)系人:畢榮山cn@163com.學(xué)基金(ZR2011BL010) 及山東省高?？萍加媱?J11LB65) 項目。中國煤化工MYHCNMH G化I進(jìn)展2015年第34卷煤炭是我國的主要能源，由煤炭發(fā)展起來的煤中的部分煤發(fā)生裂解反應(yīng)，反應(yīng)后的混合物通過加化工行業(yè)是一個需要消耗大量的煤炭資源和水資源壓自燃燒噴嘴噴入氣化爐內(nèi)，在來自空分單元的富并排放大量廢水廢氣廢渣的大型基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)出。近幾氧氣流(其中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)約為95%)的作用下破年煤化工產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，但也伴隨著大量漿、霧化噴入氣化爐膛。爐膛反應(yīng)溫度為1350~CO2的排放，由此引起的溫室效應(yīng)也日趨嚴(yán)重，工1400C，水煤漿混合物與氧氣發(fā)生一系列的物理、藝過程中能耗和CO2的大量排放日漸成為人們關(guān)注化學(xué)過程，如水分蒸發(fā)、煤干餾、揮發(fā)物裂解燃燒的焦點。因此，實施相應(yīng)的節(jié)能減排措施來減少能以及炭的氣化等，最終生成主要成分為CO、H2、源的消耗和廢氣的排放，是應(yīng)對全球氣候問題、促.CO2、H2O的粗煤氣，同時還含有微量的N2、進(jìn)煤化工綠色發(fā)展的重大舉措，同時對工藝過程中CH4、H2S、 COS、熔融的灰分以及少量未轉(zhuǎn)化的能量的利用情況與CO2的排放量進(jìn)行分析是非常有碳0-1。經(jīng)換熱器冷卻后，通過旋風(fēng)分離器進(jìn)行分必要的2]。傳統(tǒng)的能量衡算法以能量平衡方程為基離，熔渣從塔釜排出。塔頂粗煤氣經(jīng)過分流后，分礎(chǔ)，只是從量的方面說明能量的利用狀況，無法詮別進(jìn)入換熱器換熱和洗滌塔洗滌，洗滌產(chǎn)生的廢水釋系統(tǒng)能量的品質(zhì)變化，不能正確地指出高能耗的由塔釜排出，塔頂?shù)拈W蒸汽經(jīng)冷凝混合器混合后進(jìn)部位和節(jié)能潛力的大小B1。孫海4利用有效能衡算入煤氣凈化塔除去coS，得到合成氣，進(jìn)入下一方程把過程內(nèi)部有效能的不可逆損失進(jìn)行了量化，工段使用。但未能將能量物質(zhì)所處的狀態(tài)考慮在內(nèi)，因此不能2熱力學(xué)分析體現(xiàn)裝置的用能完善程度。炯分析法根據(jù)炯衡算方程確定裝置過程的煙損及其分布，但只能分析實際熱力學(xué)分析方法就是對工藝過程中能量和物質(zhì)能量系統(tǒng)與理想可逆過程的差距，而無法進(jìn)行系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況運用熱力學(xué)的基本的優(yōu)化[5-8]。Gouy- Stodola關(guān)系式=ToSp將過程中的原理和方法進(jìn)行分析，從而確定過程中能量或有效熵產(chǎn)與炯損聯(lián)系起來9。本文提出熵炯結(jié)合分析能損耗的多少、原因及其位置，進(jìn)而找到工藝過程法，通過計算并進(jìn)-步分析不可逆過程的熵產(chǎn)，使改進(jìn)的潛力大小，并為制定相應(yīng)的優(yōu)化措施提供理熵產(chǎn)成為評價能量的指標(biāo)，并將建立炯損與CO2排論依據(jù)12141。放量的關(guān)系。本文以水煤漿進(jìn)料量193601.35kg/h、 富氧氣3638.43kmol/h為基礎(chǔ)，分別對該工藝運用能量衡1工藝介紹算法、炯分析法和熵炯結(jié)合分析法進(jìn)行來計算、分德士古水煤漿氣化工藝流程如圖1所示。煤質(zhì)析，并評價該工藝過程的能量利用情況，指出節(jié)能量分?jǐn)?shù)約為65%的水煤漿先進(jìn)入裂解塔，使水煤漿的位置，確定節(jié)能的潛力,同時評判這3種熱力學(xué)煤氣凈化塔冷凝混合器氧氣閃蒸汽裂解塔壓縮機白氣化爐水| 閃蒸汽N合成氣洗滌塔1水煤漿洗滌塔20換熱器1換熱器2換熱器30廢水混合器=>廢水一粗煤氣<旋風(fēng)分離器分流器.熔渣圖1德士古煤氣化工 藝流程中國煤化工MHCNMH G第4期譚心舜等:德士古煤氣化工藝CO2排放分析●949●分析方法的分析實質(zhì)及各自的優(yōu)缺點。能量衡算法分析結(jié)果表明，總能量中66.09%2.1能量衡算法分析的熱量由粗合成氣帶走進(jìn)入下一.工段，閃蒸塔釜帶能量衡算法是以熱力學(xué)第一-定律為基礎(chǔ)的-一種走的熱量占到23.91%，因此節(jié)能的重點是盡量回方法，具有普遍的適用性。通過能量衡算方程從能收閃蒸塔塔釜物料所攜帶的熱量，但這會導(dǎo)致最終量轉(zhuǎn)化的數(shù)量角度衡算能量的變化情況，通過物料粗合成氣中品質(zhì)降低，對后續(xù)工段的進(jìn)行有直接影與能量衡算計算出過程中的各項輸入能量、輸出能響，也會降低最終產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，該方法不能量，從而指出能量的分布、排出能的分布以及冷煤有效地指出節(jié)能的位置。氣效率η。2.1.3 冷煤氣效率η2.1.1能量衡算方法計算煤氣化過程實質(zhì)上是煤由固態(tài)通過氣化爐轉(zhuǎn)化能量衡算方程如式(1) 。成氣態(tài)的煤氣，并伴隨著能量的轉(zhuǎn)化、遷移和損2+Q2+Q3=24+9s + 26(1)失，因此，煤所能提供的總能量不能完全轉(zhuǎn)移到煤其中Q和Q4指物料帶入設(shè)備和帶出設(shè)備的熱氣中，這種轉(zhuǎn)化關(guān)系用冷煤氣效率來表示。量，可根據(jù)式(2)、式(3)計算。冷煤氣效率是衡量氣化爐工作性能好壞的重要Q=Smc,(T-T)指標(biāo)，其定義為生成的氣化煤氣的熱值與所用煤的Q=Sme,(T-T)3)熱值之比如式(4) [15-16。式中，m為質(zhì)量，kg; To 為基準(zhǔn)溫度，K; CpQgas(4)為物質(zhì)的定壓比熱容，kJ/(kg:K); T、T4 分別為Qcoal進(jìn)、出物料實際溫度，K.式中，n為冷煤氣效率，% ; Qgas 為氣化所得該工藝過程中物料帶入設(shè)備的熱量Q1包括進(jìn)煤氣的熱值，kg/h; Qcoal 為所用煤的熱值，kg/h。料中煤的熱量、水的熱量、氣體的熱量。物料帶出經(jīng)計算，排出氣化爐的煤氣所帶的熱值Qgas為設(shè)備的熱量Q4包括粗合成氣帶走的熱量和閃蒸塔2.758x 10°kg/h，因此該工藝過程中氣化爐的冷煤氣釜混合物帶走的熱量。設(shè)備熱負(fù)荷Qz可根據(jù)Aspen效率η為73.5%。Plus計算結(jié)果中得到。Qs表示的是加熱或冷卻設(shè)備2.2炯分析法所消耗的熱量或冷量，由于本工藝是穩(wěn)態(tài)操作，故炯分析法以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，通過有效Qs= 0。設(shè)備向環(huán)境散失的熱量即設(shè)備的熱損失Q6,能(炯)平衡方程計算過程的各項有效能損失及分按設(shè)備總熱量的10%計算。根據(jù)能量衡算方程，即布，特別是能計算出有效能排出損失的情況，從而找出能力利用的薄弱環(huán)節(jié)17-1]?？捎嬎愠雒簹饣に囘^程的熱效應(yīng)Q3。2.2.1炯方法計算2.1.2能 量衡算方法分析結(jié)果根據(jù)上述計算公式對該煤氣化工藝能量分布進(jìn)有效能(擁)衡算方程如式(5)行計算分析，計算結(jié)果如表1。SB.=SBw+ZD(5)表1能量衡算法分析結(jié)果有效能(煳)即系統(tǒng)從實際狀態(tài)到基準(zhǔn)狀態(tài)所項目輸.入能量輸出能量做的理想功，即式(6)。/kJh-1%/kJh11/%B=Wd=(H2-HI)-To(S2 -S)進(jìn)料中煤的熱量3.752x10° 0.0452D即過程的有效能損失，對于不可逆過程來氣體的熱量1.184x1010 12.60說即不可逆損耗，見式(7)。水的熱量4.474x107 0.050設(shè)備熱負(fù)荷-4.999*108 -0.531ZD=T,AS(7)過程的熱效應(yīng)7.885x1010 83.92.2.2炯方法分析結(jié)果粗合成氣帶走熱量6.211x1010 66.09炯分析法對整個工藝能量分布進(jìn)行分析，根據(jù)閃蒸塔釜混合物帶走熱量2.248x10'0 23.91上述計算公式計算出工藝過程中的能量分布，分析向環(huán)境散失的熱量9.398x109 10結(jié)果如表2。合計9.398*1010 100 9.398x1010 100從表2中中國煤化工于工藝中設(shè)YHCNM HG●950●化I進(jìn)展2015年第34卷表2炯分析法分析結(jié)果2.3.2炯損 Ir及其與CO2的聯(lián)系輸入爛輸出炯由于熵增Sp只能表征過程的不可逆性，無法項目/(kJh-'19AkJ:h-%量度模塊能量的損失，因此，利用Gouy- Stodola關(guān)理想功4.896*108100系式I=ToSp將熵增轉(zhuǎn)化成模塊的炯損，從而使熵輸出功1.320x 10%26.96增作為衡量能量損失的--個量度指標(biāo)。不可逆損耗在煤氣化進(jìn)行的過程中，隨著能量的產(chǎn)生、傳氣化爐1.097*108 22.41遞和轉(zhuǎn)化，有大量CO2直接產(chǎn)生，一部分隨合成氣裂解塔3.946*10706進(jìn)入后續(xù)的變換階段得以利用，一部分在后續(xù)階段3個換熱器1.440x108 29 42進(jìn)行洗滌吸收。由于能量的變化，會間接導(dǎo)致CO22個閃蒸塔6.416x107 13.10的產(chǎn)生，因此對過程中間接產(chǎn)生的CO2的量進(jìn)行分混合器2.271x10*05析尤為必要，與能量的聯(lián)系也將為過程中的節(jié)能提小計3.576*108 73.04供理論依據(jù)。合計4.896x 10*104.896x10*00將傭損折算成標(biāo)煤產(chǎn)生的熱量，再將標(biāo)煤產(chǎn)生熱量折算成CO2的排放量，從而將擁損與CO2排放備內(nèi)部不可逆過程導(dǎo)致的不可逆損耗占全部有效能量聯(lián)系起來了，見式(9)的73.04%， 因此工藝內(nèi)部的不可逆損耗是有效能(9)分配變化的主要原因;其中3個換熱器和氣化爐的Qx.co不可逆損耗分別占有效能損耗的29.42%和式中，mco2為實際工藝中CO2的排放量，kg;22.41%，但是單個換熱器的不可逆損耗占有效能Qscal為lkg 標(biāo)煤產(chǎn)生的熱量2.9307x 10kJ/h;損耗的比例較小，可以不作為節(jié)能對象。因此，氣mco2.st為1kg標(biāo)煤生成的CO2量2.67 kgo化爐是節(jié)能的主攻方向。2.3.3炯損系數(shù)2;2.3熵炯結(jié)合分析炯損系數(shù)表示的是在一一個大體系中某-一子體系本方法從系統(tǒng)的熵增炯減出發(fā)，根據(jù)模擬結(jié)果的炯耗損與大體系總消費擁的比值。見式(10)中的模塊進(jìn)出口的熵值計算出模塊的熵增，由關(guān)系[16]。式I=ToSp計算出模塊的煙損，并根據(jù)工藝的總消費擁得到各個模塊的炯損系數(shù)，找到工藝過程的節(jié)能(10)位置和潛力所在。式中，Ecal-in 為輸入煤的炯，kJ/h; Eecal-uncov.該分析方法把系統(tǒng)中的所有設(shè)備都視為黑箱，為未轉(zhuǎn)化煤的煳，kJ/h; Egas-in 為入口氣體的煳，以熵流為紐帶將設(shè)備之間連接起來。利用黑箱模型，主要考慮系統(tǒng)整體的用能情況，從而識別系統(tǒng)kJ/h。各個模塊的擁損系數(shù)揭示了每個設(shè)備在總炯耗中能耗最多的環(huán)節(jié)19。損中的相對地位，從而表明了工藝中損失的分布情2.3.1熵增 Sp及熵方程不可逆過程中，由不可逆因素引起的熵變成為況，為工藝節(jié)能提供了理論依據(jù)。其中，輸入煤的熵產(chǎn)，以符號dSg 表示，并且dS>0。 根據(jù)引起熵炯和未轉(zhuǎn)化煤的炯可按式(11)計算。變化的物理原因?qū)㈤]口體系中熵的變化(dSp) 分為Ecoal = Ss,coal x(l - Xcoalsh )x mcoal(11)兩部分，即熵流(dSp=d2)和熵產(chǎn)(dSg) ，前者式中，olh為煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。是由體系與外界的熱交換引起的，后者是過程的不經(jīng)計算，氣化工藝的總消費炯(即Ecal.in-可逆造成的。對于開口體系的穩(wěn)定流動體系，其不Ecoal-umcomv+ Egasin)為1.5048x 10l0 kJ/h?？赡孢^程的熵增符合式(8)。2.3.4熵傭分 析結(jié)果s,=Z二+s。=ZSm -2Sm8)根據(jù)上述公式可對德士古煤氣化工藝進(jìn)行分析計算，分析結(jié)果如表3。即不可逆過程的熵增(熵流和熵產(chǎn))等于進(jìn)出根據(jù)表3中的分析結(jié)果，可得到氣化爐的炯炯物流所帶熵之差。損、熵產(chǎn)和炯中國煤化工氣化爐是節(jié)YHCNMHG第4期譚心舜等:德士古煤氣化工藝CO2排放分析●951●表3熵?fù)斫Y(jié)合分 析法分析結(jié)果參考文獻(xiàn)設(shè)備嫡產(chǎn)炯損mco,1] 金涌，周禹成，胡山鷹低碳理念指導(dǎo)的煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展探討[J].名稱/kJh'K-/kJh 12/%/k化工學(xué)報，2012，63 (1): 4-5.裂解塔- 1.323x10 - 3.946x 107-0.263.595x102] 劉永健，何暢，馮霄，等煤制合成天然氣裝置能耗分析與節(jié)能氣化爐1.850*105.515x10*3.665.025x10*途徑探討[J].化工進(jìn)展，2013, 32 (1): 48-49.換熱器- 4.831x10 -1.440x 108-0.91.312x10* .3] 李璟.能源化工系統(tǒng)的煙分析與生命周期評價[D]. 廣州:華南理工大學(xué)，2011.閃蒸塔. -2.152x10* -6.416x 107-0.435.846x103[4]孫海. 熱電廠工藝過程的能量分析與研究[]新疆石油學(xué)院學(xué)報，分流器-9.755x 10+-0.291-1.88x109 2.650x10~32004，16 (2): 54-55.混合器- 7.616*102- 2.271x10' -1.47*10-3[5]曾慶華. 基于熵分析的火電廠熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟性矩陣方程[D].北京:華北電力大學(xué)，2008.6] 崔國星，盛新，張麗華。Shell粉煤氣化系統(tǒng)的煙熱力學(xué)分析[D].潔能的重要環(huán)節(jié)。從折算出的CO2的排放量看，氣化凈煤技術(shù)，2010，16 (3): 48-50.爐的炯損對應(yīng)產(chǎn)生的量是最多的，因此對氣化爐的[7]汪洋， 于廣鎖，代正華,等氣流床煤氣化系統(tǒng)的熱力學(xué)分析[].化學(xué)工程，2007, 35 (2): 75-78.優(yōu)化是工藝過程CO2減排的關(guān)鍵。.8] Tsatsaronis G Thermoconomic analysis and optimization ofenergy system凹. 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