譚心舜，程樂斯，賈小平，畢榮山

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德士古煤氣化工藝CO2排放分析

譚心舜1，程樂斯1，賈小平2，畢榮山1

（1青島科技大學(xué)計(jì)算機(jī)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）

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(duì)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?分析法，本文在對(duì)傳統(tǒng)熱力學(xué)方法進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，指出了已有方法的不足，提出了新的熵?分析相結(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、?分析法和本文提出的熵?結(jié)合分析法對(duì)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?損分布。在此基礎(chǔ)上，將?損與工藝過程中CO2排放量建立聯(lián)系，經(jīng)過計(jì)算得到了工藝過程中各個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的CO2排放分布和?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)。

煤氣化；熵產(chǎn)；?損；CO2排放量

煤炭是我國的主要能源，由煤炭發(fā)展起來的煤化工行業(yè)是一個(gè)需要消耗大量的煤炭資源和水資源并排放大量廢水廢氣廢渣的大型基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[1]。近幾年煤化工產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，但也伴隨著大量CO2的排放，由此引起的溫室效應(yīng)也日趨嚴(yán)重，工藝過程中能耗和CO2的大量排放日漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，實(shí)施相應(yīng)的節(jié)能減排措施來減少能源的消耗和廢氣的排放，是應(yīng)對(duì)全球氣候問題、促進(jìn)煤化工綠色發(fā)展的重大舉措，同時(shí)對(duì)工藝過程中能量的利用情況與CO2的排放量進(jìn)行分析是非常有必要的[2]。傳統(tǒng)的能量衡算法以能量平衡方程為基礎(chǔ)，只是從量的方面說明能量的利用狀況，無法詮釋系統(tǒng)能量的品質(zhì)變化，不能正確地指出高能耗的部位和節(jié)能潛力的大小[3]。孫海[4]利用有效能衡算方程把過程內(nèi)部有效能的不可逆損失進(jìn)行了量化，但未能將能量物質(zhì)所處的狀態(tài)考慮在內(nèi)，因此不能體現(xiàn)裝置的用能完善程度。?分析法根據(jù)?衡算方程確定裝置過程的?損及其分布，但只能分析實(shí)際能量系統(tǒng)與理想可逆過程的差距，而無法進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化[5-8]。Gouy-Stodola關(guān)系式=0P將過程中的熵產(chǎn)與?損聯(lián)系起來[9]。本文提出熵?結(jié)合分析法，通過計(jì)算并進(jìn)一步分析不可逆過程的熵產(chǎn)，使熵產(chǎn)成為評(píng)價(jià)能量的指標(biāo)，并將建立?損與CO2排放量的關(guān)系。

1 工藝介紹

德士古水煤漿氣化工藝流程如圖1所示。煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65%的水煤漿先進(jìn)入裂解塔，使水煤漿中的部分煤發(fā)生裂解反應(yīng)，反應(yīng)后的混合物通過加壓自燃燒噴嘴噴入氣化爐內(nèi)，在來自空分單元的富氧氣流（其中氧氣摩爾分?jǐn)?shù)約為95%）的作用下破漿、霧化噴入氣化爐膛。爐膛反應(yīng)溫度為1350～1400℃，水煤漿混合物與氧氣發(fā)生一系列的物理、化學(xué)過程，如水分蒸發(fā)、煤干餾、揮發(fā)物裂解燃燒以及炭的氣化等，最終生成主要成分為CO、H2、CO2、H2O的粗煤氣，同時(shí)還含有微量的N2、CH4、H2S、COS、熔融的灰分以及少量未轉(zhuǎn)化的碳[10-11]。經(jīng)換熱器冷卻后，通過旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，熔渣從塔釜排出。塔頂粗煤氣經(jīng)過分流后，分別進(jìn)入換熱器換熱和洗滌塔洗滌，洗滌產(chǎn)生的廢水由塔釜排出，塔頂?shù)拈W蒸汽經(jīng)冷凝混合器混合后進(jìn)入煤氣凈化塔除去COS，得到合成氣，進(jìn)入下一工段使用。

2 熱力學(xué)分析

熱力學(xué)分析方法就是對(duì)工藝過程中能量和物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況運(yùn)用熱力學(xué)的基本原理和方法進(jìn)行分析，從而確定過程中能量或有效能損耗的多少、原因及其位置，進(jìn)而找到工藝過程改進(jìn)的潛力大小，并為制定相應(yīng)的優(yōu)化措施提供理論依據(jù)[12-14]。

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(duì)該工藝運(yùn)用能量衡算法、?分析法和熵?結(jié)合分析法進(jìn)行來計(jì)算、分析，并評(píng)價(jià)該工藝過程的能量利用情況，指出節(jié)能的位置，確定節(jié)能的潛力,同時(shí)評(píng)判這3種熱力學(xué)分析方法的分析實(shí)質(zhì)及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 能量衡算法分析

能量衡算法是以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的一種方法，具有普遍的適用性。通過能量衡算方程從能量轉(zhuǎn)化的數(shù)量角度衡算能量的變化情況，通過物料與能量衡算計(jì)算出過程中的各項(xiàng)輸入能量、輸出能量，從而指出能量的分布、排出能的分布以及冷煤氣效率。

2.1.1 能量衡算方法計(jì)算

能量衡算方程如式（1）。

其中1和4指物料帶入設(shè)備和帶出設(shè)備的熱量，可根據(jù)式（2）、式（3）計(jì)算。

（3）

式中，為質(zhì)量，kg；0為基準(zhǔn)溫度，K；c為物質(zhì)的定壓比熱容，kJ/(kg?K)；1、4分別為進(jìn)、出物料實(shí)際溫度，K

該工藝過程中物料帶入設(shè)備的熱量1包括進(jìn)料中煤的熱量、水的熱量、氣體的熱量。物料帶出設(shè)備的熱量4包括粗合成氣帶走的熱量和閃蒸塔釜混合物帶走的熱量。設(shè)備熱負(fù)荷2可根據(jù)Aspen Plus計(jì)算結(jié)果中得到。5表示的是加熱或冷卻設(shè)備所消耗的熱量或冷量，由于本工藝是穩(wěn)態(tài)操作，故5= 0。

設(shè)備向環(huán)境散失的熱量即設(shè)備的熱損失6，按設(shè)備總熱量的10%計(jì)算。根據(jù)能量衡算方程，即可計(jì)算出煤氣化工藝過程的熱效應(yīng)3。

2.1.2 能量衡算方法分析結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算公式對(duì)該煤氣化工藝能量分布進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表1。

表1 能量衡算法分析結(jié)果

能量衡算法分析結(jié)果表明，總能量中66.09%的熱量由粗合成氣帶走進(jìn)入下一工段，閃蒸塔釜帶走的熱量占到23.91%，因此節(jié)能的重點(diǎn)是盡量回收閃蒸塔塔釜物料所攜帶的熱量，但這會(huì)導(dǎo)致最終粗合成氣中品質(zhì)降低，對(duì)后續(xù)工段的進(jìn)行有直接影響，也會(huì)降低最終產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，該方法不能有效地指出節(jié)能的位置。

2.1.3 冷煤氣效率η

煤氣化過程實(shí)質(zhì)上是煤由固態(tài)通過氣化爐轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的煤氣，并伴隨著能量的轉(zhuǎn)化、遷移和損失，因此，煤所能提供的總能量不能完全轉(zhuǎn)移到煤氣中，這種轉(zhuǎn)化關(guān)系用冷煤氣效率來表示。

冷煤氣效率是衡量氣化爐工作性能好壞的重要指標(biāo)，其定義為生成的氣化煤氣的熱值與所用煤的熱值之比如式（4）[15-16]。

式中，為冷煤氣效率，% ；gas為氣化所得煤氣的熱值，kg/h；coal為所用煤的熱值，kg/h

經(jīng)計(jì)算，排出氣化爐的煤氣所帶的熱值gas為2.758×109kg/h，因此該工藝過程中氣化爐的冷煤氣效率為73.5%。

2.2 ?分析法

?分析法以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)，通過有效能（?）平衡方程計(jì)算過程的各項(xiàng)有效能損失及分布，特別是能計(jì)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)[17-18]。

2.2.1 ?方法計(jì)算

有效能（?）衡算方程如式（5）。

（5）

有效能（?）即系統(tǒng)從實(shí)際狀態(tài)到基準(zhǔn)狀態(tài)所做的理想功，即式（6）。

∑即過程的有效能損失，對(duì)于不可逆過程來說即不可逆損耗，見式（7）。

2.2.2 ?方法分析結(jié)果

?分析法對(duì)整個(gè)工藝能量分布進(jìn)行分析，根據(jù)上述計(jì)算公式計(jì)算出工藝過程中的能量分布，分析結(jié)果如表2。

表2 ?分析法分析結(jié)果

從表2中的分析結(jié)果可以看出，由于工藝中設(shè)備內(nèi)部不可逆過程導(dǎo)致的不可逆損耗占全部有效能的73.04%，因此工藝內(nèi)部的不可逆損耗是有效能分配變化的主要原因；其中3個(gè)換熱器和氣化爐的不可逆損耗分別占有效能損耗的29.42%和22.41%，但是單個(gè)換熱器的不可逆損耗占有效能損耗的比例較小，可以不作為節(jié)能對(duì)象。因此，氣化爐是節(jié)能的主攻方向。

2.3 熵?結(jié)合分析

本方法從系統(tǒng)的熵增?減出發(fā)，根據(jù)模擬結(jié)果中的模塊進(jìn)出口的熵值計(jì)算出模塊的熵增，由關(guān)系式=0P計(jì)算出模塊的?損，并根據(jù)工藝的總消費(fèi)?得到各個(gè)模塊的?損系數(shù)，找到工藝過程的節(jié)能位置和潛力所在。

該分析方法把系統(tǒng)中的所有設(shè)備都視為黑箱，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(shí)別系統(tǒng)中能耗最多的環(huán)節(jié)[19]。

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熵產(chǎn)，以符號(hào)dg表示，并且dg>0。根據(jù)引起熵變化的物理原因?qū)㈤]口體系中熵的變化（dp）分為兩部分，即熵流（df=）和熵產(chǎn)（dg），前者是由體系與外界的熱交換引起的，后者是過程的不可逆造成的。對(duì)于開口體系的穩(wěn)定流動(dòng)體系，其不可逆過程的熵增符合式（8）。

即不可逆過程的熵增（熵流和熵產(chǎn)）等于進(jìn)出?物流所帶熵之差。

2.3.2 ?損Ir及其與CO2的聯(lián)系

由于熵增p只能表征過程的不可逆性，無法量度模塊能量的損失，因此，利用Gouy-Stodola關(guān)系式r=0p將熵增轉(zhuǎn)化成模塊的?損，從而使熵增作為衡量能量損失的一個(gè)量度指標(biāo)。

在煤氣化進(jìn)行的過程中，隨著能量的產(chǎn)生、傳遞和轉(zhuǎn)化，有大量CO2直接產(chǎn)生，一部分隨合成氣進(jìn)入后續(xù)的變換階段得以利用，一部分在后續(xù)階段進(jìn)行洗滌吸收。由于能量的變化，會(huì)間接導(dǎo)致CO2的產(chǎn)生，因此對(duì)過程中間接產(chǎn)生的CO2的量進(jìn)行分析尤為必要，與能量的聯(lián)系也將為過程中的節(jié)能提供理論依據(jù)。

將?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?損與CO2排放量聯(lián)系起來了，見式（9）。

式中，CO2為實(shí)際工藝中CO2的排放量，kg；st,coal為1kg標(biāo)煤產(chǎn)生的熱量2.9307×104kJ/h；CO2,st為1kg標(biāo)煤生成的CO2量2.67 kg。

2.3.3 ?損系數(shù)Ωi

?損系數(shù)表示的是在一個(gè)大體系中某一子體系的?耗損與大體系總消費(fèi)?的比值。見式（10）[16]。

式中，coal-in為輸入煤的?，kJ/h；coal-unconv.為未轉(zhuǎn)化煤的?，kJ/h；gas-in為入口氣體的?，kJ/h。

各個(gè)模塊的?損系數(shù)揭示了每個(gè)設(shè)備在總?耗損中的相對(duì)地位，從而表明了工藝中損失的分布情況，為工藝節(jié)能提供了理論依據(jù)。其中，輸入煤的?和未轉(zhuǎn)化煤的?可按式（11）計(jì)算。

式中，coalash為煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

經(jīng)計(jì)算，氣化工藝的總消費(fèi)?（即coal-in?coal-unconv+gas-in）為1.5048×1010kJ/h。

2.3.4 熵?分析結(jié)果

根據(jù)上述公式可對(duì)德士古煤氣化工藝進(jìn)行分析計(jì)算，分析結(jié)果如表3。

表3 熵?結(jié)合分析法分析結(jié)果

根據(jù)表3中的分析結(jié)果，可得到氣化爐的?損、熵產(chǎn)和?損系數(shù)都是最大值，因此氣化爐是節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。從折算出的CO2的排放量看，氣化爐的?損對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的量是最多的，因此對(duì)氣化爐的優(yōu)化是工藝過程CO2減排的關(guān)鍵。

3 結(jié) 論

（1）通過能量衡算法的分析可以掌握整個(gè)工藝總能量的分布情況，得到了氣化爐的冷煤氣效率，根據(jù)?分析法得到了氣化工藝的有效能損失。

（2）提出熵?結(jié)合分析法，將熵增和?損進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并將?損折算成對(duì)應(yīng)的CO2排放量，通過?損系數(shù)和CO2排放量分布確定節(jié)能的主要位置，為工藝的節(jié)能減排提供理論依據(jù)，指出優(yōu)化方向。

符 號(hào) 說 明

——有效能，kJ/h

——有效能損失，kJ/h

——?，kJ/h

——?損，kJ/h

——質(zhì)量，kg

——熱量，kJ/h

——熵，kJ/(h?K)

——溫度，K

——質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

i——?損系數(shù)，%

——冷煤氣效率，%

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Analysis of exergy loss and CO2emission in Texaco coal gasification

TAN Xinshun1，CHENG Lesi1，JIA Xiaoping2，BI Rongshan1

（1Institute of Computer and Chemical Engineering，Qingdao University of Science & Technology，Qingdao 266042，Shandong，China；2School of Environment and Safety Engineering，Qingdao University of Science & Technology，Qingdao 266042，Shandong，China）

Coal chemical industry is noted for high energy consumption and significant discharge of CO2. Using thermodynamic analysis to evaluat utilization of energy in such processes can effectively find defects of energy utilization and energy-saving potential，and can provide the basis for energy saving optimization reconstruction of the process. Thermodynamic analysis includes energy balance and exergy analysis. This paper presents the method of combining entropy analysis with exergy analysis after reviewing the traditional analysis methods and pointing out their shortages. Taking Texaco 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 of exergy loss of all modules were obtained. Based on this，the relationship between exergy loss and CO2emission was established，and distribution of CO2emission and exergy loss coefficient of all modules were obtained by calculation. The gasifier was the main location for energy-saving. This relationship we established could provide theoretical basis for energy saving and emission reduction of the coal gasification process.

coal gasification；entropy generation；exergy loss；CO2emission

TQ 021.2

A

1000–6613（2015）04–0947–05

10.16085/j.issn.1000-6613.2015.04.008

2014-09-03；

2014-11-04.

國家自然科學(xué)基金（21136003，41101570）、山東省自然科學(xué)基金（ZR2011BL010）及山東省高校科技計(jì)劃（J11LB65）項(xiàng)目。

程樂斯（1987—），女，碩士研究生，從事化工系統(tǒng)工程方向。

畢榮山，博士，副教授。E-mail birongshan@163.com。