能源和化工系统的全生命周期评价和可持续性研究

2023-02-02

石油化工和煤化工等相关大型化工的过程系统, 及矿产资源应用与加工系统等组成了相对复杂的化工流程系统。此类化工系统相应的单元过程, 在物流能流的分析模型等基础方面研究比较成熟。可是由于化工系统自身结构比较复杂, 能流众多, 和社会环境、经济等还组成了跨界面物质流与能量流等, 因此出现化学工程学和经济学、社会学等系统的科学问题。针对一系列问题进行基础研究与集成创新, 就应该深入探索相应系统集成主要规律, 生命周期的环境影响等, 从而推动我国社会经济的可持续发展。

1 能源与化工系统分析

能源化工的过程系统相关产品链或是产业链, 包含了资源的开采、生产制造、社会系统等相应宏观系统间的相互作用以及全生命周期演变。该郭晨系统的工程研究范围也在不断增大。重点分析与研究化工系统自身特性问题, 如系统中所有单元过程间的相关物质流和能量流及信息流系统构造, 同时还有各种属性和各种尺度系统间全生命周期的循环衔接与多属性的综合以及多目标的协调。其中多属性和多目标问题主要有资源的应用率和能源的应用效率以及环境影响等。从而产业链方面而言, 还存在产业发展与能源可持续性等问题。

2 全生命周期分析

目前, 学者已经充分认识到资源与能源可持续性的重要性, 化工过程与产品路线相应全生命周期的研究和分析是一个主要前言方向。科学、合理分析与预测产品, 在概念设计和原型生产及再循环等多个时期的性状, 从而防止新工艺路线过早淘汰。在上世纪中期就诞生了全生命周期。LCA关系到原材料的采购和生产及处置等的全部生命周期。现阶段, 生命周期的分析手段主要依据国际标准所创建的ISO14000系列规定。全生命周期的分析, 首先应该对需要进行研究的目标对象创建模型, 再创建清单, 严格依据清单中所排放的环境污染物造成的环境影响类型完成分类。

3 能源和化工系统集成优化和全生命周期分析

3.1 煤化工系统的集成优化

虽然以煤作为单一原料的相关IGCC多联产系统已经成功运营, 可是依然存在许多关键技术问题, 并且得到解决。比如说, 煤合成气的相应氢碳比为0.5至1, 可是合成气的下游化工产品需要的氢碳比是2;还有关键组分出现能量损失, 煤气化作为一项强放热反应, 在高温合成气时需要冷却移出许多热量, 所以高品位能量出现严重损失。在理论方面而言, 不管是煤或是天然气, 在单一模式下的化工生产系统相应元素转化与能量应用全部存在问题。对此, 许多学者提出概念历程, 完成工艺创新。首先, 可以根据温度对口原则, 利用换热模式的重整反应器, 把煤气化高温显热成天然气, 为重整反应提供有效反应热。在进行联供和联产时, 能够充分应用反应温度在950摄氏度上下的天然气蒸汽的重整反应当作能量的接受侧, 有效回收煤气化的合成器, 并且依据没摩尔的合成气126.9k J显热量, 合理决定天然气相应处理量, 从而防止消耗天然气。其次, 依据适度反映体系, 耦合化工和电力中的子系统可以完成化学能梯级应用。而在合成气有效浓度过高时, 化学反应就会比较剧烈, 在化工合成时相对较为有利;若是合成气有效浓度相对偏低, 就一定要选择有效对策, 比如说改变反应压力与温度等, 但是此种方法需要添加额外能耗。把合成气在化工合成时, 一些并未反应的气要转移至IGCC系统中实现燃烧发电, 从而实现合理应用。

3.2 全生命周期分析

全生命周期分析具体边界能够划分成过程生命周期和产品生命周期。比如说煤制造甲醇系统相关产品生命周期主要包含了原煤的开采和甲醇的生产及废物处理等多个阶段。过程生命周期为厂房从原材料生产和厂房建设及厂房废置等多个过程组成。在制定清单的过程中, 选择和煤化工系统。在关系的污染物当作环境排放因子, 例如一氧化碳、二氧化碳和甲烷及氮氧化合物等。严格依据过程生命周期的清单与产品生命周期的清单有效进行信息数据的采集, 从而计算过程生命周期。另外, 充分考虑到所有环节火用损失的重要来源, 积极探索降低火用损失方法。应该创建煤基化工具体过程ELCA模型, 把全生命周期的所有阶段当作黑箱, 各个阶段物质与能量输入包含源自外部环境的输入与源自上游时期的输出。各个阶段输出传输至下游阶段或是废物处理阶段当作输入。其中废物处理一般利用火用投资有效降低废弃物的排放。