（化学工程专业论文）过程系统环境（火用）经济分析与优化的环境效应量化策略研究.pdf

摘要 摘要 过程工业快速发展所引发的环境污染使得自然生态平衡和人类生存环境遭到 一定程度的破坏。当前，我国环境污染的突出矛盾是大气污染和水环境污染。 本论文基于过程系统三环节环境j 堋经济学模型，讨论了过程系统废物炯的环 境影响问题，探讨了过程系统环境煳经济分析优化中环境影响的量化策略。过程 系统废物拥的量化策略包括基准态的选择原则、参考环境模型选用及废物炯的计 算。在环境参考模型的基础上，考虑化学炯计算的方便和简洁性，提出了引入国 家环境排放标准作为计算的基准，以此来计算所排放的污染废物的炯值，充分反 映所排放的污染废物对环境的影响程度。同时对废物炯计价进行了分析，结合国 家污水排放收费计算，从热力学分析的角度为政府制定污水排放收费标准提供依 据。所提出的环境量化策略对环境友好工艺路线的开发应用以及新建的污水处理 设施投资与优化设计具有一定的指导意义，从而改变“先排放后治理”的被动局 面，从源头控制污染物的生成。 论文将三环节模型与环境炯经济学结合起来，把过程系统分解为转换、利用 和回收三个子系统，其分解协调优化策略为：先对各子系统分别进行环境煳经济 优化，优化顺序为利用环节、回收环节到转换环节：然后以有效利用j 堋价和待回 收煳价为协调变量，调整后作为子系统优化的新边界条件，迭代序贯优化便能达 到过程系统全局的优化。在各个环节优化时，迸一步将各个子系统分为废物治理 子系统和主子系统，将环境目标与传统焖经济目标分离，运用分解协调技术进行 各个环节的优化。过程系统优化目标函数包括过程系统的投资费用、操作费用和 环境费用，具有明确合理的物理意义和工程意义。采用过程系统的环境娴经济分 解协调优化策略，在各个环节子系统分别优化的基础上进行全局环境炯经济协 调优化，能够得到全局优化的方案，对简化复杂系统的分析优化具有十分重要的 现实意义。 运用所提出的环境量化策略，在三环节环境炯经济学模型的基础上，以催化 裂化装置的操作调优作为优化目标，结合催化裂化装置的用能特点和污水排放特 点，进行了环境炯经济综合优化，示例了该策略方法的可行性和有效性，为复杂 过程系统的全局优化提供了有效的简化方法，达到整个过程系统的社会效益、环 境效益和经济效益的统一。 关键词过程系统；环境影响；煳经济学；过程系统优化 a b s n 认( 了 a b s t r a c t t h ee n v i r o n m e n tp r o b l e m sr e s u l t e df r o mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fp r o c e s s i n d u s t r yd e s t r o yt h eb a l a n c eo fn a t u r ea n dt h el i v i n ge n v i r o n m e n to fh u m a nt o ac e r t a i ne x t e n t a tp r e s e n t ，t h ep r o m i n e n te n v i r o n m e n tp r o b l e m si nc h i n a i n c l u d ea i rp o l l u t i o na n dw a t e rp o l l u t i o n a c c o r d i n gt o t h et h r e e l i n ke n v i r o n m e n t a le x e r g o e c o n o m i cm o d e l ，t h e e f f e c to fw a s t ee x e r g yf r o mt h ep r o c e s si n d u s t r yo nt h ee n v i r o n m e n ti ss t u d i e d i n t h i sp a p e r t h eq u a n t i f i c a t i o ns t r a t e g yo ft h ee n v i r o n m e n t a le f f e c t so ft h e w a s t e sf r o mt h ep r o c e s ss y s t e m si sd i s c u s s e d ，w h i c hi n c l u d e st h ep r i n c i p l e s f o rc h o o s i n gt h er e f e r e n c es t a t e s ，t h es e l e c t i o no fr e f e r e n c ee n v i r o n m e n t a l m o d e l ，a n d t h ec a l c u l a t i o no fw a s t e e x e r g y b a s e d o nt h er e f e r e n c e e n v i r o n m e n t a lm o d e l ，t h ew a s t ec h e m i c a l e x e r g y c a nb ec a l c u l a t e d c o n v e n i e n t l yb yt a k i n gt h en a t i o n a le n v i r o n m e n t a le m i s s i o ns t a n d a r d sa sa r e f e r e n c e t h u s ，t h ee f f e c to ft h ew a s t eo nt h ee n v i r o n m e n tc a nb ee s t i m a t e d c l e a r l y i na d d i t i o n ，t h ec o s to fw a s t ee x e r g yi s s t u d i e dp r i m a r i l ya s s o c i a t e d w i t ht h en a t i o n a lc h a r g ee s t i m a t i o nf o rw a s t ew a t e re m i s s i o n s c o n s e q u e n t l y ， t h eg i s t sf o rw o r k i n go u tt h eg o v e r n m e n tc h a r g es t a n d a r d sf o rw a s t ew a t e r e m i s s i o n sa r ep r o v i d e df r o mt h et h e r m o d y n a m i ca n a l y s i sp o i n to fv i e w t h e q u a n t i f i c a t i o ns t r a t e g yo fe n v i r o n m e n t a le f f e c t sp r o p o s e dh a sa ni n s t r u c t i v e s i g n i f i c a n c e f o r t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fe n v i r o n m e n t f r i e n d l y p r o c e s sa n dt h ei n v e s t m e n ta n do p t i m a ld e s i g no ft h ew a s t ew a t e rt r e a t m e n t f a c i l i t i e s t h u s ，t h ep a s s i v ec i r c u m s t a n c ew h i c hi sf i r s te m i s s i o nl a t e rd i s p o s a l c a nb ec h a n g e d t h e nas c h e m ec o m b i n e dt h et h r e e l i n km o d e la n de n v i r o n m e n t a l e x e r g o e c o n o m i cs t r a t e g y i s d e v e l o p e dt o s o l v et h e o p t i m i z a t i o np r o b l e m w h i c hd e c o m p o s e dt h ew h o l ep r o c e s s s y s t e m i n t ot h r e e s u b s y s t e m s t h e o p t i m i z a t i o np r o b l e mo ft h ew h o l ep r o c e s ss y s t e mc a nb es o l v e du s i n gt h r e e l i n kd e c o m p o s i t i o na n dc o o r d i n a t i o ne x e r g o e c o n o m i co p t i m i z a t i o ns t r a t e g y a ne n v i r o n m e n t a le x e r g o e c o n o m i co p t i m i z a t i o ni s f i r s t l yc o n d u c t e dt oe a c h s u b s y s t e m ，a n dac o o r d i n a t i o nc a nt h e nm a k et h ew h o l es y s t e mo p t i m i z e d t h e o b j e c t i v ef u n c t i o nf o ro p t i m i z a t i o no fp r o c e s ss y s t e m s ，w h i c hi n c l u d e st h e i n v e s t m e n tc o s t ，o p e r a t i o nc o s ta n de n v i r o n m e n t a lc o s t ，h a st h ec l e a ra n d p r o p e re n g i n e e r i n g a n d p h y s i c a lm e a n i n g s t h ea p p l i c a t i o n o ft h e 华南理工大学硕士学位论文 d e c o m p o s i t i o na n dc o o r d i n a t i o ns t r a t e g yf o re n v i r o n m e n t a le x e r g o e c o n o m i c o p t i m i z a t i o no fp r o c e s ss y s t e m sc a ns i m p l i f yt h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no f a n yc o m p l e xp r o c e s ss y s t e m s f i n a l l y ，b a s e do nt h et h r e e l i n ke n v i r o n m e n t a le x e r g o e c o n o m i cm o d e l ，t h e p a p e rg i v e sa ne x a m p l ef o rt h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no faf c c ub yu s i n g t h ee n v i r o n m e n t a l q u a n t i f i c a t i o ns t r a t e g yp r o p o s e d t h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e da p p r o a c hi sa l s oa n a l y z e d ，w h i c hs h o w st h a ti t w a sa ne f f e c t i v em e t h o df o rt h eo v e r a l lo p t i m i z a t i o no fa n yc o m p l e xp r o c e s s s y s t e m k e y w o r d s ：p r o c e s s s y s t e m s ， e n v i r o n m e n t i m p a c t ，e x e r g o e c o n o m j c s ， o p t i m i z a t i o no fp r o c e s ss y s t e m s i h 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 结遂 日期：j 。- 5 年6 月，毒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 绍造 导师签名：坳 日期：蚺年易y j l 弓日 日期：娇占月多日 第一章绪论 1 1 过程工业与环境污染 第一章绪论 改革开放以来，我国的经济建设取得了很大成就，2 0 0 3 年我国国民生产总 值突破1 0 万亿大关，人民生活基本达到小康水平，我国国民经济每年保持7 的 发展速度。然而与高速发展的经济相伴生的一系列问题的出现，破坏了自然界存 在的有机状态与自然协调发展的关系，使生态平衡和人类生存环境遭到破坏m 。 近年来，环境污染的问题愈来愈严重。工业发展的废气以及冰箱、空调等的 致冷剂污染了地球的大气圈，形成酸雨、烟雾；大气臭氧层被破坏使得全球气候 变暖，工业发展中所排放的废水又使得地球上十分有限的水资源受到严重污染， 水生生物快速减少，污染严重的水域，甚至导致大面积鱼类死亡：大量的固体废 物，如废渣、废塑料等不易在自然界降解的其它垃圾，充斥着各个角落，而这些 对人类生存环境的影响往往更加持久。 过程工业( p r o c e s si n d u s t r y ) 是进行物料转化的所有工业过程的总称，包 含化学、炼油、石化、能源、冶金、建材、核能、生物技术以及医药等工业过 程，作为基础工业，对于发展国民经济、增强国防力量起着关键作用。 过程工业同时又是环境污染的主要来源，有7 0 左右的污染来自工业。1 9 9 9 年为1 9 7 3 亿吨，生产工艺过程中废气排放量3 6 0 8 万吨。工业固体废物产生量 7 8 亿吨，占总产量的8 3 3 n ，。总体来看，我国工业环境问题有这样几个特 点：第一，由于工业布局不够合理，使城市和一些工业集聚区随着过重的环境负 荷，其环境质量大部分都己恶化到“舒适水平”以下；第二，工业污染物排放的 总量很大；第三，工业污染是与大量浪费资源相伴的，工业生产的资源利用效率 不高；第四，工业结构中对环境影响较大的重污染型行业占的比重较大，形成了 刚性很强的“结构性污染”；第五，小型工业多，资源消耗高，浪费大，污染重 【。 2 1 世纪是绿色化世纪，资源与环境是密切相关的可持续发展关键问题。就 如何解决过程工业所引发的环境污染问题，人们最初的办法是对生产过程中产生 的污染进行综合治理，企业和政府投入大量资金和人力，对环境污染的治理方法 和技术进行了大量的研究开发，发展了水处理技术，大气污染治理技术，固体废 弃物处理技术和噪声治理技术等环境保护手段，对环境生态起到了有效的保护作 用，但是，随着人类社会的不断发展，生产规模的迅速增长，环境治理的速度远 华南理工大学硕士学位论文 远落后于环境污染的速度，而且用于治理的费用不断攀升。地球的生态环境随着 工业生产的不断进步而迅速恶化，且已严重威胁着人类的生存。 清洁生产是一种将污染防治战略持续地应用于生产全过程的新的生产方式， 其核心是从源头抓起，预防为主，全过程控制，实现经济与环境的协调发展。就 过程工业来说，实施清洁生产，采用绿色化生产工艺。可以把过程工业污染尽可 能消灭在生产过程中，使工业生产废物最小化，从源头减少污染物的排放，变被 动治理污染为积极预防污染。通过提高资源的利用效率，降低生产成本，提高经 济效益。 在我国，环境污染的突出矛盾是大气污染和水环境污染。由于大气循环规 律，大气环境的污染又加重了承环境的污染。2 0 0 3 年，全国工业和城镇生活废 水排放总量为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。其中工业废水排放量2 1 2 4 亿 吨，比上年增加2 5 ：城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，比上年增加6 6 。废 水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 3 3 3 6 万吨，比上年减少2 4 。其中工业废 水中c o d 排放量5 1 1 9 万吨，比上年减少1 2 3 ；城镇生活污水中c o d 排放量 8 2 l ，7 万吨，比上年增加5 o 。废水中氮氮排放总量1 2 9 7 万吨，比上年增加 0 7 。其中工业废水中氨氮排放量4 0 4 万吨，比上年减少4 0 ；城镇生活污 水中氨氮排放量8 9 3 万吨，比上年增加3 o n ，。 我国的废水排放总量一直较大，且呈明显递增趋势。1 9 9 7 2 0 0 3 年我国废 水排放总量为3 9 5 9 8 亿吨，平均每年排放量4 2 2 8 3 亿吨，且2 0 0 3 年比2 0 0 2 年增加4 ，7 ；工业废水排放总量14 4 1 7 亿吨，平均每年排放量2 0 5 9 6 亿吨， 2 0 0 3 年比2 0 0 2 年增加2 5 n ，。工业废水量总体波动不是很大，但我国工业企 业的污染，无论是绝对量，还是单位产品排污量，都比工业发达国家高得多，且 工业废水中含有多种对环境危害极大的污染物。根据发展的基础一一中国可持 续发展的资源、生态基础评价报告中预测的结果：2 0 1 0 年我国污水排放量将 达4 0 2 8 3 亿吨，水环境污染超载率为一3 2 4 ；2 0 2 0 年污水排放量将达4 2 0 9 9 亿吨，水环境污水超载率为一2 9 4 。 1 2 娴经济学理论简介与发展现状 煳( e x e r g y ) 通过能量的量与质的结合科学地揭示了能量的本质。它是在 一定的环境状况下系统能耐相关外界作的最大有用功。体现了能量的真正价值。 炯分析将热力学第一定律和热力学第二定律有机结合起来，能够发现过程用能的 薄弱环节，指出用能改进的潜力与方向。但炯分析法片面强调降低系统的炯损 耗，忽视了煽损耗在系统中作为过程进行的推动力作用，因此很可能得到经济上 并不可行的方案。提高能量利用率并不是一个单纯的热力学问题，实际的设计方 第一章绪论 案必须是在满足工程实际要求的前提下，达到热力学的完善性与经济上的最大效 益两方面的目标。 1 9 世纪末，g i b b s ( 1 8 7 3 ) 、g o u y ( 1 8 8 9 ) 和s t o d o l a ( 1 8 9 8 ) 分别提出了能量 可用性以及能的质量等概念m ”。1 8 9 8 年s t o d o l a 和g o u y 又把可用能损失与熵 增联系起来研究，奠定了热力学第一定律与第二定律结合的基础m ”。2 0 世纪3 0 年代，又出现了可用性函数和做功能力函数等概念，使得焖的名称和含义较为混 乱。1 9 5 6 年南斯拉夫的r a n t 提出了用一个新术语e x e r g i e ，统一了炯的名 称，并被广泛接受。直到2 0 世纪7 0 年代，我国才有较大规模的炯分析与炯经 济学理论与应用研究m ”。 2 0 世纪5 0 年代末和6 0 年代初，在焖分析的基础上，炳经济学悄然兴起。 炯经济学是以炯作为能量计价的基准，通过能量的正确计价定量地反映出炯流与 经济流之间的关系，使投资费与炯耗费( 操作费) 有机地统一起来。2 0 世纪7 0 年代初的全球能源危机后，能源成了举世瞩目的问题，炯经济学也就从单纯的学 术探讨跨进了工程应用领域，并得到了长足发展。在工程应用领域的决策中，不 仅要考虑热力学的合理性和完善性，更要考虑其经济性。炯经济学是热力学第二 定律分析( 炯分析) 与技术经济学相结合而产生的一门新兴交叉学科。它的目标 是在进行系统的操作评价和优化时，将热力学第二定律分析与经济因素在数学上 结合成单一的模型来考虑，为系统的合理用能提供经济上的保证。炯平衡与费用 平衡方程构成了炯经济学分析优化的基础。费用平衡方程是炯经济学的基本点， 是连结系统中物流、拥流及经济流的纽带，以此构成不同炯流实际价值计算的前 提。拥经济学是能正确给能量计价的科学方法，且能定量地反映能量( 炯) 流与 经济流之间的关系n “。 1 2 1 炯经济学基本观点 拥经济学认为：( i ) 系统处于两个环境之中，即由环境温度、环境压力以及 一集环境化学势所描述的物理环境和一集市场价格描写的经济环境；( i i ) 能量 在热力学上是不等价的，其价值取决于炯含量；( i i i ) 炯在经济学上是不等价 的。炯平衡与费用平衡方程构成了炯经济学分析优化的基础。 对任何体系，除质量( m a s s ) 及能量( e n e r g y ) 平衡式外，还可建立炯 ( e x e r g y ) 与费用平衡式( c o s tb a l a n c e ) 。如图1 一l 所示，考虑稳流条件下组元 j 的煳平衡与费用平衡，假定过程吸热对外作功，且组元的炯传递量分别为 凰、觑。、谛及觑。，结合各自的炯价，可以分别写出炯平衡式与费用平衡式： 华南理工大学硕士学位论文 控制边界 w 图卜1 组元j 炯与费用平衡示意图 f i g 1 1 g e n e r a lr e p r e s e n t a t i o no fe x e r g ya n dc o s tb a l a n c e si n j t hc o m p o n e n t ( 如) ，+ 屯= ( 觑。) j + 嘭+ 西可 ( 卜1 ) ie ( c e l 鼓。) + c j 嘭= c q ，崴，j + ( c l 应_ ) ，+ 毛 ( 卜2 ) ff 觑，、成，分别为进入及离开组元j 的炯流率，盘。与谛分别为所交换的热煳 及功，c 则为各自媚流的煳价；d 。、2 i 分别为组元的炯损与投资费用。 系统炯平衡方法主要应用于计算过程或整个系统不可逆的炯损失，不可逆性 是用能过程热力学系统完善性的量度。通过熘平衡分析计算可以得出系统全局， 各环节直至单元设备的焖损耗大小，确定系统不可逆的位置，查明系统用能的薄 弱环节，指出过程用能改进的方向。费用平衡方程是煳经济学的基本点，是连结 系统中物流、j 媚流及经济流的纽带，以此构成不同佣流实际价值计算的前提。 g a g g i o l i 等o ，结合热、电联产系统，采用炯平衡方程与费用平衡方程求 出煳流的平均单价，提出了一套炯成本会计方法，对系统中某一单元k ，有： 觑；= 威，+ 觑。 ( 卜3 ) t n ko u t 上 ( 觑；c 1 ) = ( 蠡，c f ) + 之( 1 - 4 ) 口叫上h 止 式中觑和c i 分别为第f 股流的炯流率和炯成本单价，威。与之分别为k 单元 的j 堋损耗率和非能量投资率。 应用煳经济学分析所得的炳流平均单价的概念，以单元输入炯流的单价直接 计算单元内煳损的费用，对系统进行分析优化。但这只是局部分析优化，未考虑 系统内某个单元的变化对其它单元及整个系统的影响。 t s a r s a r o n i s 等mm 提出了分析和识别能量系统用能薄弱环节的一套方法， 把单元中炯流划分为“燃料”煳与“产品”炯，对第k 单元，考虑排弃j 堋计 价，可以写出以下炯流平衡式与费用平衡式： e x = e x m + e x d t - t - e x ( 1 5 ) 4 第一章绪论 c 龟x p k = c r e x + 之k 一亡 ( 1 6 ) 式中，下标只只口分别表示燃料，产品，炯损耗( d e s t r u c t i o n ) ，排 弃拥( l o s s ) ，c 表示费用流率。 其中，k 单元中燃料炯与产品炯单价由下式计算 c r = c r f e x r c 2 c | e x p k ( 1 7 ) ( 1 - 8 ) 式中，e 。与e 。分别表示燃料与产品的费用流率。 对于具有多种产品的系统，由于所列费用平衡方程数少于产品炯流数，就不 能同时确定联产的几种不同形式炯流的价格，为此必须根据具体的生产情况及经 济因素引入某些联产炯价的边界条件，即附加方程来求解，而且此边界条件只能 是经济学上的，因为无论是热力学还是动力学都不可能给出这些j 朋流应有不同价 值的内在依据。通常采用的方法有：( 1 ) 提取法；( 2 ) 均值法；( 3 ) 副产法；( 4 ) 增值法 【l n 1 2 2 炯经济学发展概述 炯经济学是以煳的传递和转换规律与技术经济学相结合而产生的一门新兴交 叉学科m ，它以经济效益为尺度科学地评价系统用能的完善性。炯经济学以炯作 为能量计价的基准，是迄今给能量计价的唯一科学方法，且通过能量的正确计价 定量地反映出能量( 焖) 流与经济流之间的关系，使得系统操作费与设备投资费 有机地统一起来，因此炯经济学构成了系统能量综合优化的基础。 k e e n a n n ”首先提出使用炯来计价，并针对汽、电联产装置，指出产品的经 济价值在于其煳含量而非能量。t r i b u s 和e v a n s 等人的开拓性工作“7 。”，导致 了5 0 年代炯经济学的产生，它的目标是在进行系统的操作评价及优化时，将热 力学第二定律分析与经济因素在数学上结合成单一的模型来考虑。系统的优化基 本上是投资费用与j 堋耗费之间的权衡，所以经济目标函数中必须按炯来计价以反 映炯耗的积极作用。以上因素导致了炯经济学理论与方法的产生，其目标为用能 系统的全局技术经济优化。e 卜s a y e d ，g a g g i o l i ，t s a t s a r o n is ，v a l e r o 及华 贲等n “2 0 - z4 先后推动了炯经济学理论及方法的发展，并将其用于不同系统的分析 优化中，即有能量系统焖经济学方法和过程系统煳经济学方法。 ( 1 ) 能量系统焖经济学方法 用于能量系统分析优化的煳经济学方法取得了较大的发展。b a y e r 提出了结 构方法n “。它是以结构系数概念为基础，借助局部佣损单价的分析优化方法。它 华南理工大学硕士学位论文 主要是通过结构键系数( o k ；= ( 甜，甜。) ，。，0 及露分别为系统及组元r 及k 的 堋损流率 来考虑炯损的热力学不等价性以及通过投资费用系数 彘，= ( a a 甜。) 。：删。，为第f 组元的投资费用) 考虑投资费用贡献的热经济学 指数。 t r i b u s ，e v a n s 等以系统组元的孤立优化为基础，假定将系统分成许多独 立的组元或子系统，应用进出系统炯流的局部单位成本，进行局部变量优化的孤 立化方法sw 。此方法利用作为输入炯的局部边缘价格的拉格朗日乘子，经过一 系列发展，产生了热经济功能分析方法m ，、工程功能分析方法“”、及智能功能方 法m ，。李世武m ，在热经济孤立化思想的基础上，提出了热经济准孤立化优化方 法，即通过各子系统的热经济优化结果间的简单协调，以迅速达到热经济孤立化 成立的条件，此方法能有效地增大热经济孤立化的应用范围及优化结果的可信 度。 t s a r s a r o n i s 等发展的炯经济分析评价方法一，通过引入“燃料炯”与 “产品焖”的概念及所提出的一系列系统操作状况的评价指标，如炯效率、炯损 耗率、相对成本差及炯经济参数等来分析评价系统中各组元运行的经济有效性， 应用一些经验调优规则来改善整个系统的经济性与用能效率以及进行系统的优化 设计。 v a l e r o 等发展起来的熘代价理论m ，将系统生产任何产品炯流所需消耗的 炯的真正数量定义为“焖代价”，并以炯代价与炯的比值作为“单位炯代价”； 以t s a r s a r o n is 等的工作为基础，试图用矩阵代数式来评价进出子系统炯流的 单位炯经济成本，从而确定焖经济成本，且将其与子系统炯效率、煳枝点分流比 率及外部焖输入进行关联以研究它们对系统运行的影响；此理论方法的重点在于 分析而非优化，其所得成本与t r i b u s 等优化计算所得的边缘成本相同。 在国内，煳分析与炯经济学方法也得到了广泛的研究与应用。宋之平、王加 璇m ，将热经济学研究介绍到国内并开展这方面的研究工作。宋之平等1 ”在炯及 焖经济学的基础上提出了用于能量系统分析优化的单耗分析理论，并应用此理论 对热电联产系统，海水淡化系统进行了优化设计。王加璇等1 从系统描述入手， 利用事件矩阵及系统燃料一产品及残余的定义，提出了热经济学定价的矩阵法， 且强调在浮动价格结构下的灵敏度分析的重要性。 朱明善等n “提出了表征能量系统热力学完善性的几种评价指标，即焖损系 数影响因子及第二炯损系数，分别表示某环节f 的炯损系数相对变化1 时系统总 效率的相对变化率及单位收益煳时环节的内外局部炯损值；在对换热器与余热系 统进行了热经济学优化的基础上，探讨了大系统中单元优化的热经济学方法，提 6 第一章绪论 出了一个炯经济学分析评价的指标一热经济效益率和“热经济影响因子”的概 念，以此全面反映热力学与经济学因素对系统总特性的影响趋势及程度，导出了 辨别系统中热经济薄弱单元以及可用来进行灵敏度与动态特性分析的指标。 杨东华等n ”提出了三种目的炯效率，提出了“同一流”思想，以唯一确定 单元的收益炯与消耗烟项及单元炯效率，为分析评价用能过程的合理性，提出了 能级平衡分析理论，之后引入了经济学概念，指出实际用能过程中存在一个最佳 经济能级差。项新耀t 4 1 , 42 ，以研究炯的传递速率及影响因素为目的，阐述了煳传递 的基本概念及其产生与应用过程。 华贲和陈清林m ，分析了能量系统中能量的多级转换和回收利用的共同特征， 提出了能量系统通用的双子系统模型。任何复杂的能量系统都可以看成由一个主 子系统和一个回收子系统的构成的。由于分解后子系统结构相对简单，所包含的 变量相对较少，所以对复杂的能量系统可以相对容易地分析和优化。 ( 2 ) 过程系统三环节炯经济学方法 华贲等m “，从能量在过程系统中的作用和追踪其变化线索入手，提出了三环 节能量平衡和炯经济结构模型，如图1 2 和图1 3 所示。该模型按过程系统中 能量的演变过程将系统划分为三个不同功能的环节，即能量转换环节、能量利用 环节、能量回收环节，并指出：目的工艺过程所在的能量利用环节是起决定作用 的。 三环节能量结构模型不仅概括了各种类型与复杂程度的过程系统能量结构与 共性规律，而且建立了较严格的普遍模型。目的工艺过程所在的能量利用环节 ( 即过程系统的核心部分) 是起先决作用的，是过程系统用能的关键环节。在一 定的动力学约束前提下，煳作为过程的推动力，在推动过程以一定的速度进行， 完成物流的过程转换所需消耗的焖量为d 。能量转换环节和能量回收环节在功 能和特性上与“能量系统”大致相同，但在此作为过程系统的子系统，它们只起 辅助作用。由于过程系统包含核心的能量工艺利用环节，在那里发生的不是能量 的转换，而是通过嫡损的推动力作用完成过程物料的变化，应用炯经济学进行系 统的优化时，很难采用与能量系统相同的策略和方法体系。华贲等n q 巴系统 技术与煳经济学有机结合起来，发展了独具特色的用于过程系统全局优化的三环 节炯经济策略方法。在三环节能量和炯平衡结构模型的基础上，结合炯经济学， 建立了如图1 3 所示的过程系统三环节煳经济分析模型。在三环节炯经济学模 型及经济边界条件的基础上，通过炯耗费与投资费的权衡，华贲等m ，给出了以 下过程系统总的炯经济学优化目标函数： m i n o ，= ( c 。；柳一c 印n 例) + 2 爿 ( 1 - 9 ) 7 华南理工大学硕士学位论文 外供入能e p 图1 2 三环节能量结构模型 f i g 1 - 2t h r e e l i n ke n e r g ys t r u c t u r a lm o d e l ( f z ，) 。 ( f j 口) 图1 3 三环节炯经济模型 f i g 1 3t h r e e - l i n ke x e r g o e c o n o m i cm o d e l 陈步宁m ，将物耗目标或销售收入结合到过程系统优化目标函数中，研究了 原材料消耗与能耗费、销售收入与能耗费的煳经济同时优化问题，丰富了三环 节策略方法。陈清林m ，针对过程系统炯流计价，指出了传统的按正向的序贯分 析计价方法的不足，提出了当量计价的方法策略；并将新的计价方法用于能量 系统的分析优化，按照能量系统中能量的多级转换与利用的特点，建立了用于 第一章绪论 能量转换系统分析优化的双子系统模型，发展和丰富了三环节策略方法和炯经 济学理论。 1 3 环境炯经济学 近年来，能源危机，同时伴随工艺过程引发环境污染的日趋严重，引起了 世界范围的广泛关注，实现可持续发展的任务已刻不容缓。因此，一些学者开 始了利用热力学参数炯来探讨污染物排放的环境影响的理论与应用研究“”1 。炯 ( e x e r g y ) 是体系在一定的环境条件下向相关外界做出最大有用功的能力，体系 的炯源于和环境之间的强度量差。利用| 堋来衡量和评价体系对环境的影响会更 为客观合理。研究能量的利用过程首先需要定义一个范畴即环境，环境是存在 于体系周围的外界的一部分，环境相对于体系来说具有无穷大的广延量，因而 在体系的变化过程中，它的强度量保持恒定。可以在实际自然环境基础上理想 化，从而抽象出一个参考环境状态，作用是为热力学分析提供一个参考点。体 系与参考环境成热力学平衡的状态，即体系与参考环境的所有强度量完全相等 的状态称为体系的寂态，寂态是以用能为目的的过程所能达到的最终状态。体 系的炯被定义为：当该体系经历了一个可逆过程到达它的寂态时，向相关外界 做出的最大有用功。 f r a n g o p o u l o s m ，在对大量能量系统分析优化基础上，发现整个能量系统是 由一系列具有内在联系的、特定功能的单元组成，每个单元均可分为主系统和 污染治理系统。f r a n g o p o u l o s m ，将污染治理费用和污染物收费分别表示为污染 去除率的函数，通过寻求环境费用的最小值，得到污染物的最优去除率，以及 决定整个系统包括环境在内的最主要影响变量，从而实现系统总费用最小。在 确定排污费用时，将其看作是其计量单位的线性方程，充分考虑市场因素和国 家有关优惠政策，减少污染排放能提高经济效益，将环境效益统一在总的经济 效益中，实现经济和环境的协调，对提高环境效益有较大促进作用，同时将研 究成果应用于带有烟气脱硫的燃气透平装置的优化。 b o r c h i e l l i n i m ，在对三种不同的电厂煳经济学优化的基础上，探讨了二氧 化硫、二氧化氮治理对电厂成本的影响，并给出了同时考虑污染物治理的环境 熘经济学的最优化操作参数。侧重讨论了二氧化碳治理和付税对电厂成本和效 率的影响，为在不同的二氧化碳治理费用和税收前提下电厂的设计和操作最优 化提供依据。 c u r t i m ，定义了污染收费因子来计算污染费用，并修正了v o ns p a k o v s k y 等定义的污染函数，新的污染函数与k u m m e l 的生态经济思想相一致，能使系统 优化时，减少废物排放，达到生态环境的最佳承受量。并且以一区域供热网络 9 华南理工大学硕士学位论文 优化为例，分别给出了用炯和货币为基本单位进行系统优化的模型及各项具体 表达式，使得带有热泵和联产的供热网络在进行供热网络的优化设计和各项设 备优化选型等原本复杂的问题，可以通过求解单一的数学模型的最优化解，达 到整个供热网络的经济与环境的最优。 p e ls t e r “n 等提出可借助传统的理论成果和方法如交互参数影响，在现有各 个过程的优化及其对环境影响的基础上，确定各自的费用流率，进行过程的优 化和设计。并以一联合循环电厂为例，通过对各种技术和设备进行分析比较， 得到了该电厂在不同排放限制和收费情况下的优化设计方案。 杨少华n ”利用考虑环境影响的三环节j 堋经济学模型的炯平衡方程和价值平 衡方程，从过程系统及其予系统费用的定义出发，推导出了过程系统总的环境 炯经济优化目标函数以及转化环节、回收环节和利用环节的环境佣经济优化目 标函数，并给出了过程系统环境媚经济优化的分解协调优化策略。 郑莆燕等”从能量系统的焖平衡出发，将系统对环境的排放煳从炯损失中 分离出来，依据符号炯经济学的原理建立了包含环境影响在内的系统炯、炯成 本和媚经济学成本分析模型，并以燃气轮机功热并供( c g a m ) 系统为例推导出 了矩阵求解方程，从而得出了能量系统的技术、经济和环境的拥经济综合分析 模型。 杨勇平等u “在传统炯经济学分析的基础上，将环境成本引入到炯经济学分 析中，首先提出了“广义子系统”的概念，建立了包括炯环境成本平衡在内的 各种平衡方程；在系统生产结构的描述中，将系统中的炯流划分成外界输入煳 流、内部炯流以及向外界输出炯流三类，建立了以矩阵形式表示的各种平衡方 程，用于求解系统中各股煳流的单位煳成本、单位煳经济成本、单位环境成 本、单位综合堋经济成本等性能参数。并针对某国产2 0 0 m w 机组进行了实例计 算，从而可以使发电机组的经济分析能够适应在新的电力市场环境下实施污染 物排放折价的需要。 朱雪飞n7 ，等通过对能量系统的能流分析及其废物流变化特征，提出了增设 废物处理子系统进行系统排放废物的达标处理，并将整个系统划分为能量转换 主子系统及废物治理附属子系统，建立了环境炯经济学并行模型，给出了两个 子系统各自的同时考虑热力学、经济学、环境三个目标的环境炯经济优化目标 及相应的约束条件。运用所提出的环境炯经济分解协调优化策略方法，以二氧 化硫排放为优化目标，对某燃煤电厂进行了环境煽经济优化，示例了该策略方 法的可行性和有效性，为复杂能量系统的全局优化提供了有效的简化方法。 1 0 第一章绪论 1 4 本课题来源和主要研究内容 本课题是国家重点基础研究发展规划项目“高效节能的关键科学问题”第七 子课题( g 2 0 0 0 0 2 6 3 0 7 ) 、教育部优秀青年教师资助计划项目“过程系统环境炯 经济分析与优化的环境效应量化策略研究”的研究内容。 通过提出基于胡j 概念的环境效应评价和量化策略和方法，结合现有的环境量 化体系，形成一套有效的环境量化的炯评价指标和理论评价体系，以评价过程系 统对环境的影响；结合环境量化的拥经济量化模型，发展完善了过程系统环境炯 经济学建模及其优化的策略方法。同时将方法应用于一个工业背景项目的环境炯 分析优化，得到了考虑环境影响的系统优化操作参数。方法的实际应用能有效地 实现同时考虑热力学、经济学以及环境三个目标的过程系统的分析和优化，有助 于改变我国过程工业能耗高、经济效益低、环境污染严重的落后局面，从整体上 推进我国过程工业技术与环境的协调发展。 华南理工大学硕士学位论文 第二章污染物的环境影响分析 目前，工业过程已成为环境污染的主要污染来源。近年来，我国化学工业始 终是全国主要工业污染源和排放大户，环保工作仍面临十分严峻的形势，已成为 影响化学工业发展的制约因素。据统计，我国化学工业排放的废水、废气、废渣 分别占全国工业“三废”排放总量的2 0 3 0 、5 7 、8 1 0 “。本章主 要研究能源消费中产生的工业污染物对环境的影响，其中重点研究工业废水的排 放和治理对环境影响。 2 1 工业废水的排放和治理 水是一切生命赖以生存、人类社会和生产活动不可缺少的基本物质。水在工 业生产中有许多用途，它是传递热量的介质，是工艺过程中的溶剂、洗涤剂，也 是生产原料或反应物作用的介质。但几乎所有的工矿企业在生产过程利用水的同 时，也都不可避免地要产生并排放废水。据统计2 0 0 2 年工业废水排放量占全国 总废水排放量的4 7 1 m ，。经过使用的水，往往只消耗了一小部分，其余大部分 则由于使用而改变了水质，或是升高了温度，或是混进了杂质，不能继续使用而 不得不废弃和排放。 工业废水总体上可分为两类。第一类是直接排放来自生产过程的工业废水， 例如，排放来自生产工艺过程、洗涤过程、冲洗设备和车间地板的废水，这类水 在使用过程中与原料、设备、半成品、药剂或成品直接接触，其中必然夹带大量 杂质。此类废水污染较严重、危害较大，是水污染防治的主要对象。第二类主要 来自于工业生产中间接冷却水系统，因为水在使用过程中未直接接触上述物质， 其水质相当洁净，只是水温略有升高，这类废水应尽量循环使用。 工业废水成分十分复杂，反映各企业工业废水的主要污染指标，依工业部门 不同而异。有的废水主要含有机污染物( 如碳水化合物、蛋白质) ，有的废水主 要含无机污染物( 如酸、碱、盐) ，有的则含毒性很大的污染物( 如重金属、氰 化物、多氯联苯、有机氯农药) ，因此，难以用统一的水质指标来