碳夾點分析技術與化工園區能源規劃

  CO2 是引起全球氣候變化的最主要的溫室氣體之一, 有效控制CO2 排放問題受到世界各國關注。

 

  氣候變化的原因除了自然因素影響外, 與人為的活動, 特別是使用化石燃料過程中排放CO2 的程度密切相關。節能減排、減緩氣候變化是我國實施可持續發展戰略的重要組成部分。本文將利用過程系統工程的夾點分析方法來確定區域能源需求和CO2 排放量, 以期為制定區域能源規劃提供依據。

 

  夾點分析方法最先應用于換熱網絡系統的熱集成來緩解能源危機問題, 后被擴展應用于污染防治的質量集成中, 如應用于資源回收、廢物減量等方面, 提出了水夾點、氧夾點、氫夾點、物性夾點、能值夾點等概念。Linnhoff 等首次利用夾點分析來確定石化企業的CO2 排放目標。Tan 等提出基于夾點的碳約束能源規劃方法, 將系統邊界擴展到區域范圍上。Crilly 等正式提出了碳夾點分析方法(Carbon Emission Pinch Analysis , CEPA), 并將該方法應用于愛爾蘭的電力行業, 對能源供需狀況進行預測和規劃, 為進一步研究區域能源供應和CO2減排目標提供決策依據。基于文獻[ 12] 的前期研究成果, 本文將運用碳夾點分析方法對區域能源規劃問題進行系統分析, 確定出區域能源需求及其對應的CO2 排放量目標。

 

  1  問題表述

 

  在區域層面上, 有排放限制的能源規劃問題可描述為以下2 類問題:

 

  (1)在某區域內, 給定能源總量和CO2 排放量限制, 確定清潔能源或低碳能源的最小用量。本文的清潔能源或低碳能源指核能、太陽能、風能和水力能等。

 

  (2)對于多個區域, 給定每個區域的排放限制,在確定最小清潔能源消耗的基礎上, 確定每個區域的能源分配(種類及其用量)。

 

  一般地, 最大限度使用低碳或清潔能源, 可減少CO2 的排放。但這些能源或者昂貴, 或者在應用技術上沒有化石燃料成熟, 或者在技術推廣上存在爭議。故在滿足CO2 排放限制目標的情況下, 運用夾點分析方法研究如何使低碳或清潔能源用量最小化及能源分配情況是有實用價值的。

 

  2  碳夾點分析步驟

 

  如同換熱網絡設計一樣, 能源規劃過程需要確定碳夾點。所不同的是, 碳夾點是基于每個區域的能源需求量, 而不是溫度;在夾點之上的區域不需要用清潔能源, 而是利用排放因子大的能源類型。

 

  碳夾點分析可分成以下2 個任務:

 

  (1)根據給定的數據(如CO2 排放因子、能源供應總量、區域能源需求量、區域CO2 排放限制量等)繪圖得到能源供應曲線與能源需求曲線, 分析夾點的位置。

 

  (2)適當調整曲線, 使得每個區域能源利用和CO2 排放量均在規定范圍內, 并求出各能源的使用量和剩余量、每個區域內各能源的使用量以及CO2排放總量。

 

  詳細的計算步驟可參考文獻。其大致步驟如下:

 

  (1)以CO2 排放因子的遞增順序排列, 分別計算累積能源用量(供給與需求)和累積CO2 量, 繪制累積CO2 排放量-累積能源用量組合曲線圖。

 

  (2)水平移動供給曲線, 直到供給曲線恰好與需求曲線最右側的點相交, 該交點為碳夾點, 水平移動距離為總體最小清潔能源用量。

 

  (3)對夾點之下, 從排放因子較高的區域能源分配, 水平移動該區域以下對應CO2 排放相等的供給曲線, 使得該點與需求曲線對應極限點重合, 水平移動距離為該區域最小清潔用量。以此分別計算出各區域能源用量。

 

  3  案例分析

 

  3.1  問題描述與基礎數據

 

  為了實現工業生態化轉型, 某化工園區依據其地理位置與已有產業分布情況, 將總體功能進行重新劃分, 分為生態恢復與環境治理功能區(區域Ⅰ)、生態工業支撐產業區(區域Ⅱ)、生態工業擴展區(區域Ⅲ)和生態工業改造區(區域Ⅳ)。依據總體產業規劃, 各區域的能源支撐系統將有所改變, 同時各區域對應的CO2 排放量也有所限定。

 

  3.2  繪制組合曲線圖

 

  (1)由表1 基礎數據分別計算供給能量(能源能量)和需求能量(預計消耗能量), 能源供給的CO2 排放量和各區域需求CO2 排放量。

 

  (2)將表1 的第2 列所示能源供給類型的CO2排放因子以遞增順序排列。

 

  (3)分別計算供給和需求的累積能源用量和累積CO2 排放量, 如表2 的第4 、6 列所示。

 

  (4)依據能源供給和區域能源需求以及CO2 排放量, 分別繪制累積CO2 排放量-累積能源用量組合曲線圖, 如圖1 所示。

 

  3.3  確定總體最小清潔能源使用量

 

  從圖1 中可知, 在滿足相同的累積能源能量情況下, 供給能源的CO2 排放量總是大于所要求的極限CO2 排放量。為了達到限制要求, 在同一能量情況下, 供給的CO2 排放量應該小于等于需求的CO2排放量。水平移動供給曲線, 直到供給曲線恰好與需求曲線的最右側的點相交, 使得供給曲線在需求曲線之下, 得到碳夾點, 夾點位于供給或需求極限曲線的某個極限點上, 并將供給與需求曲線均分成在夾點之上和在夾點之下2 個部分, 如圖2 所示。水平移動供給曲線意味著在累積CO2 排放量不變的情況下, 累積能源用量增加。此時只增加清潔能源的用量。移動的最小距離即所需的最小清潔能源用量。

 

  1 —平移后供給極限曲線;2—需求極限曲線

 

  相應的在需求曲線上bc 直線段之間。圖1 中a 、b 、c 點的坐標分別為(21 , 82)、(19 , 134.8)與(13 , 77.8)。故直線bc的方程為:Y =9.5(X -13)+77.8 。當Y =82 時, 得到X =13.44 。對應2 點的距離:21 -13.44 =7.56 ,即為總體最小清潔能源用量。進一步可得到煤剩余量3.56 ×104 TJ(即兩曲線末端的距離), 總體CO2 排放量目標100.98 ×105t 。

 

  3.4  確定各區域能源分配方案

 

  從圖2 可知, 清潔能源僅供給夾點之下部分(區域Ⅰ 、區域Ⅱ和區域Ⅲ), 但是不能得到各區域的清潔能源用量。如果將全部的清潔能源用于區域Ⅰ ,那么在滿足區域Ⅰ 的CO2 排放量限制(16 ×105 t)時, 對應的總供給能源能量必大于區域Ⅰ 所預計需求量。其他能源也是如此。故需要對各區域進行能源分配。

 

  首先對區域Ⅲ能源進行分配。在圖2 中, 在供給曲線上繪出點N , 該點的CO2 排放量與需求曲線極限點M 點相等。通過平移N 點以下的供給曲線,恰好使得N 點與需求曲線的M 點重合, 如圖3 所示。如此所移動的距離即為區域Ⅲ 中清潔能源用量。

 

  圖3 中的N 點必在圖2 中的mn 直線段上, 由m 、n 的坐標(13.56 , 25.3), (20.56 , 77.8)確定mn 直線方程:Y =7.5(X -13.56)+25.3 , 由于M 、N 的CO2 相等, 可得到N 點X =15.52 , 得到N(15.52 ,40)。M 、N 兩點的距離為:15.52 -14 =1.52 , 即為區域Ⅲ的清潔能源用量。在圖3 中可以看出, 區域Ⅲ和供給曲線的一部分構成一個封閉多邊形, 根據各點的值可以讀出區域Ⅲ所需的各種能源用量。利用同樣的方法, 計算得到區域Ⅰ 和區域Ⅱ的能源分配方案及其CO2 排放量, 結果如表3 所示。

 

  從表3 可知, 能源規劃方案中燃料煤用量同供應量相比大幅度減少, 從6 ×104 TJ 減小到2.44 ×104 TJ ,CO2 排放量削減約10 %, 應用夾點分析合理地進行區域內的能源規劃, 初步起到了減排的效果。

 

  4  結論

 

  (1)基于夾點分析, 對區域能源規劃問題進行描述;并提出進行碳夾點分析的一般步驟。用實例說明碳夾點分析方法作為初步能源規劃的工具, 按照該步驟可得到一種可行的能源規劃方案。

 

  (2)運用累積CO2 排放量-累積能源用量組合曲線圖確定最小清潔能源目標、能源需求結構及其對應的CO2 排放量。研究案例所得方案的CO2 排放量比預計削減10 %, 達到節能減排的限制目標。