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(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程中排放CO2 的程度密切相關(guān)。節(jié)能減排、減緩氣候變化是我國實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。本文將利用過程系統(tǒng)工程的夾點(diǎn)分析方法來確定區(qū)域能源需求和CO2 排放量, 以期為制定區(qū)域能源規(guī)劃提供依據(jù)。

 

  夾點(diǎn)分析方法最先應(yīng)用于換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的熱集成來緩解能源危機(jī)問題, 后被擴(kuò)展應(yīng)用于污染防治的質(zhì)量集成中, 如應(yīng)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)、物性夾點(diǎn)、能值夾點(diǎn)等概念。Linnhoff 等首次利用夾點(diǎn)分析來確定石化企業(yè)的CO2 排放目標(biāo)。Tan 等提出基于夾點(diǎn)的碳約束能源規(guī)劃方法, 將系統(tǒng)邊界擴(kuò)展到區(qū)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(yīng)用于愛爾蘭的電力行業(yè), 對能源供需狀況進(jìn)行預(yù)測和規(guī)劃, 為進(jìn)一步研究區(qū)域能源供應(yīng)和CO2減排目標(biāo)提供決策依據(jù)?；谖墨I(xiàn)[ 12] 的前期研究成果, 本文將運(yùn)用碳夾點(diǎn)分析方法對區(qū)域能源規(guī)劃問題進(jìn)行系統(tǒng)分析, 確定出區(qū)域能源需求及其對應(yīng)的CO2 排放量目標(biāo)。

 

  1  問題表述

 

  在區(qū)域?qū)用嫔? 有排放限制的能源規(guī)劃問題可描述為以下2 類問題:

 

  (1)在某區(qū)域內(nèi), 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(fēng)能和水力能等。

 

  (2)對于多個(gè)區(qū)域, 給定每個(gè)區(qū)域的排放限制,在確定最小清潔能源消耗的基礎(chǔ)上, 確定每個(gè)區(qū)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(yīng)用技術(shù)上沒有化石燃料成熟, 或者在技術(shù)推廣上存在爭議。故在滿足CO2 排放限制目標(biāo)的情況下, 運(yùn)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(shè)計(jì)一樣, 能源規(guī)劃過程需要確定碳夾點(diǎn)。所不同的是, 碳夾點(diǎn)是基于每個(gè)區(qū)域的能源需求量, 而不是溫度;在夾點(diǎn)之上的區(qū)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(diǎn)分析可分成以下2 個(gè)任務(wù):

 

  (1)根據(jù)給定的數(shù)據(jù)(如CO2 排放因子、能源供應(yīng)總量、區(qū)域能源需求量、區(qū)域CO2 排放限制量等)繪圖得到能源供應(yīng)曲線與能源需求曲線, 分析夾點(diǎn)的位置。

 

  (2)適當(dāng)調(diào)整曲線, 使得每個(gè)區(qū)域能源利用和CO2 排放量均在規(guī)定范圍內(nèi), 并求出各能源的使用量和剩余量、每個(gè)區(qū)域內(nèi)各能源的使用量以及CO2排放總量。

 

  詳細(xì)的計(jì)算步驟可參考文獻(xiàn)。其大致步驟如下:

 

  (1)以CO2 排放因子的遞增順序排列, 分別計(jì)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(dòng)供給曲線, 直到供給曲線恰好與需求曲線最右側(cè)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(qū)域能源分配, 水平移動(dòng)該區(qū)域以下對應(yīng)CO2 排放相等的供給曲線, 使得該點(diǎn)與需求曲線對應(yīng)極限點(diǎn)重合, 水平移動(dòng)距離為該區(qū)域最小清潔用量。以此分別計(jì)算出各區(qū)域能源用量。

 

  3  案例分析

 

  3.1  問題描述與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

 

  為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生態(tài)化轉(zhuǎn)型, 某化工園區(qū)依據(jù)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(fù)與環(huán)境治理功能區(qū)(區(qū)域Ⅰ)、生態(tài)工業(yè)支撐產(chǎn)業(yè)區(qū)(區(qū)域Ⅱ)、生態(tài)工業(yè)擴(kuò)展區(qū)(區(qū)域Ⅲ)和生態(tài)工業(yè)改造區(qū)(區(qū)域Ⅳ)。依據(jù)總體產(chǎn)業(yè)規(guī)劃, 各區(qū)域的能源支撐系統(tǒng)將有所改變, 同時(shí)各區(qū)域?qū)?yīng)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(chǔ)數(shù)據(jù)分別計(jì)算供給能量(能源能量)和需求能量(預(yù)計(jì)消耗能量), 能源供給的CO2 排放量和各區(qū)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(jì)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(jù)能源供給和區(qū)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(dá)到限制要求, 在同一能量情況下, 供給的CO2 排放量應(yīng)該小于等于需求的CO2排放量。水平移動(dòng)供給曲線, 直到供給曲線恰好與需求曲線的最右側(cè)的點(diǎn)相交, 使得供給曲線在需求曲線之下, 得到碳夾點(diǎn), 夾點(diǎn)位于供給或需求極限曲線的某個(gè)極限點(diǎn)上, 并將供給與需求曲線均分成在夾點(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(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;2—需求極限曲線

 

  相應(yīng)的在需求曲線上bc 直線段之間。圖1 中a 、b 、c 點(diǎn)的坐標(biāo)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(dāng)Y =82 時(shí), 得到X =13.44 。對應(yīng)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(即兩曲線末端的距離), 總體CO2 排放量目標(biāo)100.98 ×105t 。

 

  3.4  確定各區(qū)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(qū)域Ⅰ 、區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ), 但是不能得到各區(qū)域的清潔能源用量。如果將全部的清潔能源用于區(qū)域Ⅰ ,那么在滿足區(qū)域Ⅰ 的CO2 排放量限制(16 ×105 t)時(shí), 對應(yīng)的總供給能源能量必大于區(qū)域Ⅰ 所預(yù)計(jì)需求量。其他能源也是如此。故需要對各區(qū)域進(jìn)行能源分配。

 

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

 

  圖3 中的N 點(diǎn)必在圖2 中的mn 直線段上, 由m 、n 的坐標(biāo)(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(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(qū)域Ⅲ的清潔能源用量。在圖3 中可以看出, 區(qū)域Ⅲ和供給曲線的一部分構(gòu)成一個(gè)封閉多邊形, 根據(jù)各點(diǎn)的值可以讀出區(qū)域Ⅲ所需的各種能源用量。利用同樣的方法, 計(jì)算得到區(qū)域Ⅰ 和區(qū)域Ⅱ的能源分配方案及其CO2 排放量, 結(jié)果如表3 所示。

 

  從表3 可知, 能源規(guī)劃方案中燃料煤用量同供應(yīng)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(yīng)用夾點(diǎn)分析合理地進(jìn)行區(qū)域內(nèi)的能源規(guī)劃, 初步起到了減排的效果。

 

  4  結(jié)論

 

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

 

  (2)運(yùn)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(biāo)、能源需求結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的CO2 排放量。研究案例所得方案的CO2 排放量比預(yù)計(jì)削減10 %, 達(dá)到節(jié)能減排的限制目標(biāo)。