碳夾點(diǎn)分析技術(shù)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(wèn)題受到世界各國關(guān)注。

 

  氣候變化的原因除了自然因素影響外, 與人為的活動(dòng), 特別是使用化石燃料過(guò)程中排放CO2 的程度密切相關(guān)。節能減排、減緩氣候變化是我國實(shí)施可持續發(fā)展戰略的重要組成部分。本文將利用過(guò)程系統工程的夾點(diǎn)分析方法來(lái)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(diǎn)分析方法最先應用于換熱網(wǎng)絡(luò )系統的熱集成來(lái)緩解能源危機問(wèn)題, 后被擴展應用于污染防治的質(zhì)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(diǎn)、氧夾點(diǎn)、氫夾點(diǎn)、物性?shī)A點(diǎn)、能值夾點(diǎn)等概念。Linnhoff 等首次利用夾點(diǎn)分析來(lái)確定石化企業(yè)的CO2 排放目標。Tan 等提出基于夾點(diǎn)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(diǎn)分析方法(Carbon Emission Pinch Analysis , CEPA), 并將該方法應用于愛(ài)爾蘭的電力行業(yè), 對能源供需狀況進(jìn)行預測和規劃, 為進(jìn)一步研究區域能源供應和CO2減排目標提供決策依據?；谖墨I[ 12] 的前期研究成果, 本文將運用碳夾點(diǎn)分析方法對區域能源規劃問(wèn)題進(jìn)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(wèn)題表述

 

  在區域層面上, 有排放限制的能源規劃問(wèn)題可描述為以下2 類(lèi)問(wèn)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(yáng)能、風(fēng)能和水力能等。

 

  (2)對于多個(gè)區域, 給定每個(gè)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(gè)區域的能源分配(種類(lèi)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(shù)上沒(méi)有化石燃料成熟, 或者在技術(shù)推廣上存在爭議。故在滿(mǎn)足CO2 排放限制目標的情況下, 運用夾點(diǎn)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(shí)用價(jià)值的。

 

  2  碳夾點(diǎn)分析步驟

 

  如同換熱網(wǎng)絡(luò )設計一樣, 能源規劃過(guò)程需要確定碳夾點(diǎn)。所不同的是, 碳夾點(diǎn)是基于每個(gè)區域的能源需求量, 而不是溫度;在夾點(diǎn)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(lèi)型。

 

  碳夾點(diǎn)分析可分成以下2 個(gè)任務(wù):

 

  (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(xiàn)與能源需求曲線(xiàn), 分析夾點(diǎn)的位置。

 

  (2)適當調整曲線(xiàn), 使得每個(gè)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(gè)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(xiàn)圖。

 

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

 

  (3)對夾點(diǎn)之下, 從排放因子較高的區域能源分配, 水平移動(dòng)該區域以下對應CO2 排放相等的供給曲線(xiàn), 使得該點(diǎn)與需求曲線(xiàn)對應極限點(diǎn)重合, 水平移動(dòng)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(wèn)題描述與基礎數據

 

  為了實(shí)現工業(yè)生態(tài)化轉型, 某化工園區依據其地理位置與已有產(chǎn)業(yè)分布情況, 將總體功能進(jìn)行重新劃分, 分為生態(tài)恢復與環(huán)境治理功能區(區域Ⅰ)、生態(tài)工業(yè)支撐產(chǎn)業(yè)區(區域Ⅱ)、生態(tài)工業(yè)擴展區(區域Ⅲ)和生態(tài)工業(yè)改造區(區域Ⅳ)。依據總體產(chǎn)業(yè)規劃, 各區域的能源支撐系統將有所改變, 同時(shí)各區域對應的CO2 排放量也有所限定。

 

  3.2  繪制組合曲線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)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(mǎn)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(dòng)供給曲線(xiàn), 直到供給曲線(xiàn)恰好與需求曲線(xiàn)的最右側的點(diǎn)相交, 使得供給曲線(xiàn)在需求曲線(xiàn)之下, 得到碳夾點(diǎn), 夾點(diǎn)位于供給或需求極限曲線(xiàn)的某個(gè)極限點(diǎn)上, 并將供給與需求曲線(xiàn)均分成在夾點(diǎn)之上和在夾點(diǎn)之下2 個(gè)部分, 如圖2 所示。水平移動(dòng)供給曲線(xiàn)意味著(zhù)在累積CO2 排放量不變的情況下, 累積能源用量增加。此時(shí)只增加清潔能源的用量。移動(dòng)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(xiàn);2—需求極限曲線(xiàn)

 

  相應的在需求曲線(xiàn)上bc 直線(xiàn)段之間。圖1 中a 、b 、c 點(diǎn)的坐標分別為(21 , 82)、(19 , 134.8)與(13 , 77.8)。故直線(xiàn)bc的方程為:Y =9.5(X -13)+77.8 。當Y =82 時(shí), 得到X =13.44 。對應2 點(diǎn)的距離:21 -13.44 =7.56 ,即為總體最小清潔能源用量。進(jìn)一步可得到煤剩余量3.56 ×104 TJ(即兩曲線(xiàn)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(diǎn)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(mǎn)足區域Ⅰ 的CO2 排放量限制(16 ×105 t)時(shí), 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(jìn)行能源分配。

 

  首先對區域Ⅲ能源進(jìn)行分配。在圖2 中, 在供給曲線(xiàn)上繪出點(diǎn)N , 該點(diǎn)的CO2 排放量與需求曲線(xiàn)極限點(diǎn)M 點(diǎn)相等。通過(guò)平移N 點(diǎn)以下的供給曲線(xiàn),恰好使得N 點(diǎn)與需求曲線(xiàn)的M 點(diǎn)重合, 如圖3 所示。如此所移動(dòng)的距離即為區域Ⅲ 中清潔能源用量。

 

  圖3 中的N 點(diǎn)必在圖2 中的mn 直線(xiàn)段上, 由m 、n 的坐標(13.56 , 25.3), (20.56 , 77.8)確定mn 直線(xiàn)方程:Y =7.5(X -13.56)+25.3 , 由于M 、N 的CO2 相等, 可得到N 點(diǎn)X =15.52 , 得到N(15.52 ,40)。M 、N 兩點(diǎn)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(xiàn)的一部分構成一個(gè)封閉多邊形, 根據各點(diǎn)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(diǎn)分析合理地進(jìn)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(diǎn)分析, 對區域能源規劃問(wèn)題進(jìn)行描述;并提出進(jìn)行碳夾點(diǎn)分析的一般步驟。用實(shí)例說(shuō)明碳夾點(diǎn)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(xiàn)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。