中、低温余热回收利用的可行性分析报告.doc

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1、摘 要中、低温余热资源的合理回收利用作为节能工作的一个重要方面，对于我国经济发展、人类生存和环境都起着举足轻重的作用。本文从热力学、经济性、系统工程和决策的角度，研究中、低温余热回收系统优化的热经济学分析和生命周期分析，以求同时达到节能、环保和提高经济效益的目的。本课题分别从热经济性、资源和环境三个方面提出了分析、比较和判断余热回收系统可行性的一系列指标：资源回收指标、水污染指标、大气污染指标、水污染指标、固体污染指标以及其他污染指标，并导出了各个系数与系统参数之间的关联式。针对从原始的能量系统向余热回收系统转变过程中实际存在的多目标特性，本文将热经济学理论和生命周期评价体系相结合，以上述得到

2、的一系列指标为基础，提出了一个从经济、资源、环境三个方面综合考察余热回收系统可行性的评价体系基于热经济学理论的生命周期评价体系（LCEBT）。本文作者协助张心卉硕士对二步法磷酸生产余热回收改造进行了工程计算，并将其作为分析实例，更加明确了LCEBT评价体系中各个指标的工程意义，这一过程为进一步完善LCEBT评价体系提供了宝贵的经验。关键词：中、低温余热资源，热经济学分析，生命周期分析，基于热经济学理论的生命周期评价体系（LCEBT）目 录第一章 前言 11.1 背景 11.2 中、低品位余热资源利用的现状 11.3 国内外同类研究水平与进展 41.4 本SRT研究的主要工作内容 5第二章 基于

3、热经济学理论的余热回收生命周期评价体系 62.1 引言 62.2 研究方法 6第三章 对于热法磷酸生产余热回收改造的生命周期评价 123.1 研究对象 133.2 研究范围 133.3 生命周期的清单分析 133.4 技术性评价 133.5 经济性分析 143.6 环境性分析 143.7 案例总结 17第四章 结论 17参考文献 18第一章 前 言1.1 背景一九九六年三月，八届人大第四次会议通过了中华人民共和国国民经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要。在纲领中把“坚持节约与开发并举，把节约放在首位”，作为实现我国战略目标必须遵循的基本方针。在经济增长方式转变的要求中指出，其中一

4、个重要方面就是要“狠抓资源节约和综合利用，大幅度提高资源利用效率”，节约能源是提高能源效率和经济发展的一个重要国策1。能量是推动过程进行的源泉和动力，能量的转换、能量的利用和能量的回收三个环节构成了过程用能的一般规律。随着过程工业的发展，能量转换和利用的单元设备的能量利用率已较高，所以整个能量利用系统的合理优化配置和能量的综合利用，就成为决定能量利用率的关键，能量的回收环节也成为过程工业不可缺少的组成部分。以往对高品位余热的回收进行过很多探索和实践，如余热锅炉、余热发电、联合循环等。但随着能源危机和环境保护的压力越来越大，以及中、低品位能量回收技术的发展，对大量存在的中、低品位能量的回收开始得

5、到重视。对中、低品位能量的回收，不仅可以提高能量利用效率，达到节能的目的，而且也有利于减少环境的热污染，实现可持续发展，所以对中、低品位能量回收的经济学研究就具有重要的意义。1.2 中、低品位余热资源的利用现状余热资源是指经技术经济分析确定的可利用的余热量2。中、低品位能量是指温度在250以下的能量，其不仅在过程工业中大量存在，而且随着太阳能、地热能等新能源应用的日益广泛而大量存在，所以本研究任务的研究方法，对中、低品位的能量的研究具有普遍意义。根据国标GB/T 1028-2000，这里将按照中、低品位余热资源形态，即气态载体余热、液态载体余热、固态载体余热，化学反应热及余压发电进行分析。1、

6、 气态载体余热利用现状气态载体余热资源占资源总量的60%以上，是最多的一种余热资源，其载体主要为烟气、可燃性废气和放散蒸汽。根据GB/T 1028-2000，其按照技术可行、经济合理的原则，规定了余热载体的下限温度，结合中、低品位能量的特点，可以将研究对象定位为：180-50的烟气、可燃性废气以及100-250的放散蒸汽。1) 180-250烟气的利用180-250的中、低品位烟气的余热资源量比较多，遍及各个行业，见表1。表1 中、低品位烟气的温度及余热资源（1996年）1行业窑炉温度资源量万tce行业窑炉温度资源量万tec有色金属锌挥发窑余热锅炉和锌热风炉烟气40020石化乙烯裂解炉烟气23

7、09.4建材水泥回转窑其中：1、半干法窑加热器出口烟温2、湿法窑窑尾烟气200-3507轻工陶瓷炉烟气200-30035各业工业锅炉200-300160-3508水泥立窑烟气80-250149瓦砖窑引出烟气150-350158注：tce代表一吨标准煤 中、低品位烟气大都直接利用，例如烘干物料、坯料，产生低压蒸汽或热水供生产、生活之用。这种利用途径投资小，见效快，为一般企业所采用。a) 回收利用工业锅炉烟气我国工业锅炉数量庞大，且大量是10t/h以下工业锅炉，排烟温度在250以下，为了回收这部分低温余热，我国很多地方，对工业锅炉余热回收作了很多工作，如江苏东南大学研制开发的铸铁强化空气预热器，传

8、热元件用铸铁肋翅管，烟气在管内流动，传热效率高，耐腐蚀、抗积灰、阻力小，可使锅炉热效率提高5-6.5个百分点，一年左右回收投资。还有用硼硅玻璃管空气预热器、热管预热器回收余热，成效也较好。b) 烟气余热烘干坯料陶瓷厂和砖瓦厂采用隧道窑的都有大量中、低品位烟气，砖瓦窑引出150-300烟气，送往烘干房烘干坯料；有的还多级利用烟气余热，如陶瓷隧道窑和辊道窑中产生的400-500热烟气进入预热带预热进窑坯料后，排放烟气仍有250左右，为回收这部分烟气，在烟道上装设热管换热器，以冷空气作载体，回收热量送入烘干房烘干原料和瓷坯，可以节约全部烘干用煤。2) 减少炉体散热损失全国工业炉窑目前有20万台以上，

9、一些炉窑因保温不好，散热损失大，能量浪费严重。如水泥窑散热损失一般占总能耗7-8%；玻璃熔窑散热损失约占玻璃熔窑总热耗的30-40%；热处理炉蓄热散热损失达40-60%等。为减少工业炉窑散热损失，根据不同炉窑具体情况，采用多种保温措施。如：湿法水泥窑在窑尾砌隔热砖；水泥立窑采用全保温措施；热处理炉用硅酸铝全纤维在炉体内壁进行粘贴等。有的可以减少散热损失1/2-1/3。2、液态载体余热利用技术液态余热资源，分布在液态产品、中间产品、冷却水、可燃性废液等和冷凝水中。对于中、低品位液态余热资源，液态产品、中间产品、冷却水、可燃性废液等温度定义在80-250之间，冷凝水则定义在环境温度到250之间。液

10、态载体余热资源主要在化工、石化、轻工、纺织等行业。化工、石化工业生产过程中，流态热物料很多，由于液态热易于利用，因此多在工艺中利用。其外排较多的液态余热资源见表2。液态余热资源利用，一般采用换热器，将其热逐级利用。液态载体余热利用途径如下：(1) 蒸汽冷凝水回收一般蒸汽使用装置利用的热量，只是蒸汽总量中潜热，而蒸汽中显热，即冷凝水所含的热量，许多还未被利用。冷凝水所具有的热量，根据蒸汽压力不同而不同，可以达到蒸汽总热量的15-20%。回收冷凝水，可节省锅炉燃料，节约软水以及消除由排汽冷凝过程引起的噪音。冷凝水回收系统，一般采用以下几种方式：a) 向锅炉直接回水，这适用于水量较大，温度较高、锅炉

11、距离冷凝水近。b) 向给水箱直接回水，适用于冷凝水压力较低或冷凝水点多，离开锅炉较远的情况。c) 对压力较高的冷凝水，利用蒸发水箱产生二次低压蒸汽用于生产，其冷凝水再回锅炉或水箱；d) 冷凝水中有显著污染的则采用热交换器间接利用。(2) 制浆造纸黑液回收在植物纤维原料中，有50%以上物质溶解于蒸煮液中，成为黑液，每生产一吨本色风干木浆，就有1.1吨有机物稀释在黑液里，还有0.4吨左右无机物（碱和硫化物）。这些有机物和化学药品排放出来，既污染环境也浪费余热资源。回收利用黑液，将其所含有机物作为锅炉燃料，产生蒸汽先发电再用于制浆造纸生产，经多次利用，使木浆纸厂能源自给率达到25-35%。其化学药品

12、经处理后，回收作蒸煮药剂之用。(3) 多效、闪蒸、降膜蒸发在制糖、制碱、氧化铝、纺织印染和化纤等生产过程中，蒸发是重要工序。在产品蒸煮工艺中，利用蒸汽压力逐级降低，多次利用二次蒸汽，即为多效蒸发工艺，采用多效蒸发工序可节省大量蒸汽。如烧碱蒸发，目前还有不少是双效蒸发或三效顺流蒸发工艺，国外多数已采用三效或四效逆流工艺。我国仅少数厂家采用三效溢流蒸发工艺或三效顺流强制循环工艺。双效顺流工序每吨耗蒸汽5.42吨，三效顺流强制循环为3.48吨，三效逆流为3.27吨。后两种三效的工艺能耗要比前一种双效的分别下降36%和40%。又如纺织的印染和化纤生产需用大量的硫酸和烧碱，酸液和淡碱液所含水分汽化蒸发、

13、浓缩，重复利用。采用单效蒸发，蒸发每吨水需用蒸汽为1.1吨，双效蒸发为0.57吨，三效蒸发为0.4吨，闪蒸只需0.3吨，后两种蒸发蒸汽耗量少。(4) 废液回收纺织工业的印染行业废液数量很大，品位不高，温度在80以下，回收难度大，废液中含有染化料、浆料、布屑等污染物，因此回收前要增加过滤沉淀设备。废液余热可通过热交换器回收利用。若废液余热采用热交换器回收，一般投资回收期三年左右，效益较好。表2 液态载体余热资源1行业产品或工序名称余热温度资源量万tce石油油田稠油热采油井高温采出液120-13012采油排放污水（温度低，但量大）45-5045.7石化炼油厂粗汽油余热80-15042炼油厂轻柴油余

14、热200纺织冷凝水回收70-10016轻工造纸黑液24.5纸机及蒸发器冷凝水14.73、固态载体余热回收固态载体与热资源主要分布在冶金、建材、有色、造纸等高温的产品、中间产品、炉渣以及可燃性废料中。而对于中、低温余热资源则多存在于建材行业中，具体情况请见表3。表3 中、低温固态余热资源1行业产品或工序名称余热温度资源量万tce建材水泥回转炉干法中空窑冷却机后熟料200-30021余热发电窑熟料200-30013.6预热器及窑外分解窑150-30098除冷却剂熟料半干法窑熟料150-3007湿法窑出冷却机熟料150-30045.2建材水泥立窑熟料150回转水泥熟料温度高达850-950，其热量相

15、当于熟料全部热量的20-35%，高温熟料余热利用一般是在冷却机中进行，熟料温度则冷却到100-300，冷风被加热到500-900，用于入窑二次风和三次风，使助燃空气温度升高。有些回转窑，利用从冷凝器出来的200-300熟料余热烘干混合料（如矿渣水泥），节约烘干能源。4、化学反应热及余压发电利用技术化学反应热主要产生在化工的硫酸、甲醛、盐酸以及磷酸等生产过程中。我国许多行业采用余热、余压发电，回收这些热能，效益好。估计年余热资源节能潜力约260万tce。(1) 硫酸余热发电以硫铁矿、硫磺为原料制硫酸，要生产大量的反应热，利用这些热量每吨硫酸可产中压蒸汽1吨、发电200kW*h，背压后蒸汽还可以使

16、用，生产硫酸每吨耗电100kW*h，硫酸余热发电不仅自给还可向外供电100kW*h。全国余热利用潜力达150万tce。(2) 甲醛生产中化学反应热回收利用甲醛由甲醇氧化制得，在化学反应过程中有2090MJ/t（50万kcal/t甲醛）热量放出。利用反应热，可产生0.3-0.4MPa的蒸汽，用于前期加热，蒸汽不仅自给，还能外供，蒸汽耗量由原耗1.45t蒸汽/t甲醛，变为产0.5-0.8t蒸汽/t甲醛，年节冷凝水20t/t甲醛，约为给水量的40%，节电7kW*h/t甲醛，节约用电17.5%，年产1万吨甲醛可节约2500tce。(3) 盐酸反应热利用盐酸生产是一个放热反应，每吨盐酸可产蒸汽0.4吨，

17、全国回收可产蒸汽136万吨，折20万tce。 （4）磷酸反应热利用在以黄磷为原料采用热法制取磷酸的过程中，也有大量的化学反应热放出，如加以合理回收，生产1吨85%磷酸可以带来1.6吨的蒸汽。我国1998年的热法磷酸产量为90.6万吨，折合85%磷酸为147.17万吨，若50%进行余热回收，则1998年一年可净节省资金3115.59万元（蒸汽按60元/吨计）。(5) 余压发电余压发电已在许多行业中采用，但目前节能潜力还很大。对于一些耗能量多、生产过程连续、汽负荷比较稳定的造纸、制糖、纺织、有色等行业，利用锅炉压差发电，效果显著，今后余压发电仍将是重要途径1。1.3国内外同类研究水平与进展华北电力

18、大学王加璇等曾于1995年在自然科学基金委立项“考虑生态平衡的热经济学研究”3。这项研究的目的是以网络热力学分析方法，对生态系统建模，并将生态系统和生态平衡问题与常规的热经济学融合在一起，进行分析和优化，从而形成能同时考虑生态平衡的网络模式热经济学。他们初步探讨了在生态建模中的作用4，但并没有对过程工业实际案例进行过计算，因而仅限于纯理论探索，距离形成使用算法尚相差很远。吉林大学的于连生等提出了环境价值的概念5，认为应该将环境作为一种资产纳入国民经济核算体系，通过环境价值核算影响评价来评价过程对环境的影响。甘肃石油化工设计院的何政等将清洁生产引入到环境影响评估中6，提出了用于环境影响评价的清洁

19、生产指标体系，包括资源利用、能源利用、水重复利用、污染物生产与削减等20余项指标。清华大学的席德立等建立了生命周期分析的指标体系7，包括5种要素指标：资源消耗指标、水污染指标、大气污染指标、固体废物指标和其它类型污染指标。西安交大的王彦峰和冯霄在传统的分析基础上引入了危害系数和效应系数，分别考虑不同污染物的危害程度以及环境污染相对资源浪费的效应8。洁净煤燃烧及发电教育部重点实验室、东南大学动力系热能工程研究所郑莆燕以及清华大学热能工程系蔡宁生从能量系统的平衡出发将系统对环境的排放从损失中分离出来，依据符号经济学的原理建立了包含环境影响在内的系统、成本和经济学成本分析模型9。史琳教授带领的清华大

20、学研究组,对于余热回收提出热经济与生命周期分析相结合的思想,在本文中得以展开。1.4本SRT研究的主要工作目标和内容从目前国际、国内开展的研究工作，可以看出还存在着以下问题：大多数的研究主要是围绕着高品位能量的利用及较高品位余热的综合利用问题，在中、低品位能量的回收方面，有一些特殊的问题需要研究，如中、低品位能量的计价策略的确定就是一个困难的问题，如何把热力学参数与可持续发展的社会经指标结合起来，确定中、低品位的能量的价值才能比较合理地反映这类资源所应具有的价值，这是节能技术必须解决的问题。中、低品位能量回收与环境热污染的关系问题，也是需要着重研究的课题，以往考虑对环境的影响主要是指化学污染，

21、如废水、废渣、毒素等有形影响，但随着大气温室气体的影响越来越大，对环境的热污染问题越来越重要，如何制定经济学指标，将对于环境的热污染问题与能量回收协调起来，达到优化目标；基于这些认识，本SRT研究的工作目标为： （1） 调研我国中、低品位余热资源及其利用的现状，以及热经济学发展的动态；（2） 通过建立从热经济性、资源和环境三方面合理评价中、低温余热回收系统的评价体系，初步开展中、低品位能量的策略研究。（3） 对于较高品位能量与中、低品位能量在回收利用方面的最大的区别在于：前者更强调和看重对于资源的节省效果；而后者由于能量自身的特点，其回收利用的动力应主要来源于对资源的节省和环境的保护的双重效果

22、。因此力图建立余热回收系统环境影响的评价指标，将以“环境热污染”为代表的环境因素加入中、低品位能量回收的总目标，并研究环境影响与中、低品位能量回收计价的关系和协调。（4） 将本文中建立的评价体系应用于热法磷酸生产过程的余热回收评价分析当中，证明其改造的可行性，同时验证评价体系的可操作性，从而探寻中、低品位能量回收环节的优化之路。第二章 基于热经济学理论的余热回收生命周期评价体系2.1 引言余热回收是节能工作的一个重要组成部分。我国余热资源的数量庞大，品种丰富，而且余热回收设备也是多种多样，例如余热锅炉、热泵等等。在对于一个原有能量系统进行余热回收改造过程中，经济性和技术因素往往得到了相当的重视

23、，而对于环境带来的影响却经常被人们所忽视。目前国际上对系统能量分析的主要方法是基于（热）经济学理论的分析方法，单纯利用其去研究一个能量系统，无法充分体现系统对于环境的影响。通过将生命周期的分析方法与研究相结合，可以弥补分析的不足。生命周期评价（LCA）是一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的采集和加工到生产、运输和销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程；它通过对能量和物质使用以及释放到环境中废物的辨识和定量来进行，评价这些能量和物质的使用以及排放废物对环境的影响，辨识和评价改善环境影响的机会。生命周期评价注重研究系统在生态健康、人类健康和资源消耗领域内的

24、环境影响。目前，国际上普遍认同生命周期评价方法能够全面、彻底、综合了解人类从事的活动的全过程的资源消耗以及对环境的影响10-13。本文针对余热回收系统的特点，提出了一个基于（热）经济学理论的余热回收生命周期评价体系（LCEBT），分别从技术、经济和环境三个方面对余热回收方案的可行性进行评估，目的是指明余热回收方案的改进方向。2.2 研究方法图1充分展示了LCEBT评估体系的基本框架：I. 确定系统研究目标和边界；II. 利用热经济学分析方法对研究对象进行生命周期清单分析，最终通过流图详细反映研究对象的流情况；III. 以系统流情况为基础，分别从技术性、经济性和环境性三方面逐一对研究对象进行分析

25、，在分析过程中，建立相应的评价指标反应系统的各项性能；IV. 将技术指标和经济指标综合考虑，得出技术/经济综合参考依据，对研究对象进行第一次优化；V. 对于环境指标进行权重，得出唯一的综合环境指标；VI. 将技术/经济参考依据与综合环境指标综合考虑，完成对系统的第二次优化，得到最终的评价结果。2.2.1 确定系统研究目标和边界此体系的分析结果可以用于现有余热回收方案进一步改进的研究，从各方面比较针对同一热源的几种不同的余热回收方案，为政府制定相应的能源政策提供依据。针对上述研究目标，由于余热回收利用途径的多样性，在选择研究对象时，应当根据余热回收目的选择研究对象，对该研究对象的生命周期进行分析

26、，并据此确定研究范围。Goal and BoundLife cycle list of exergy analysisTechnicalEvaluationThermoeconomicsEvaluation待添加的隐藏文字内容2EnvironmentalEvaluationParameter of Technical ImprovementParameter of Technical Rationality The cost of product per unitParameter ofEnvironmental EvaluationEconomicEvaluation of Improvem

27、ent Parameter of ImprovementWeighingUnique Parameter of Environment EvaluationSynthesisResult of Synthetical EvaluationFigure 1. The structure of LCEBT evaluating system2.2.2生命周期清单分析在明确了研究的目标和范围后，对系统进行生命周期清单分析。计算中将余热的生命周期作为研究范围，对每个环节进行分析。清单分析环节分为数据收集、边界定义、计算、物流分配和数据合理性分析几个方面。在计算中选择的基准是龟山吉田基准体系14，基本计

28、算法则是物质平衡和能量平衡法则。根据计算公式得到系统各个环节进出口的能量流和流。计算公式如下：混合物： (1) 偏摩尔： (2) 纯物质摩尔： (3) 化学： (4)物理： (5) 式中，T为温度，p为压力，R为通用气体常数，x为摩尔分数，称为化学的温度修正系数，其中、为基准环境的参数值。A、B、C是元素的种类，a、b、c是元素的个数15。特别指出的是，由于体系分析结果将应用于实际的分析研究中，因此数据合理性分析必须得到重视，只有这样，分析结果才合理可信。由于系统的生命周期分析需要掌握系统生命周期各个阶段数据。而有些阶段数据收集具有一定难度，必须在分析时进行一定的假设，对系统进行简化，以及借鉴

29、一些其它相近系统的数据。以上的数据处理过程必须要在报告中明确指出，保持系统分析结果的可信度，使评价具有良好的透明度。最终系统的生命周期清单分析的结果将以流图的形式表示出来。2.2.3 技术性分析在技术性分析中，选择效率这个指标对系统及其各个环节进行描述，从而选择系统能量使用效率较低的环节作为改进的重点环节。同时，在衡量系统的技术性时建议引入不可避免损耗的概念，通过其与系统实际损耗的比较得到技术改进潜力指数，可以衡量系统的可改进性： (6) (7)2.2.4 热经济性分析根据生命周期清单分析，利用传统热经济学方法计算研究对象的成本，并引入单位产品成本这一指标。注意这里所计算的经济学成本暂不考虑由

30、于研究对象对于环境的影响而导致的成本增加。 (8)式中，分别代表单位产品与单位燃料的的平均成本，其单位为元/kJ产品，与分别代表产品与燃料的流，其单位为kJ/年。为除燃料外的所有其他费用的年金。对于多元产品系统，则需要根据具体情况进行成本核算。通过明确余热回收对象将系统的产品分为主产品和副产品，根据相应的规则进行折算。在计算过程中，回收的余热所带来的利益也要带入计算，但这于后面的环境评价中的资源回收指标并不重复。完成研究对象的技术性分析和热经济性分析后，得到了系统效率，技术改进潜力指数和单位产品成本这三个指标，将这三个指标综合考虑，找出系统效率与单位产品成本的关系，得到产品成本随系统效率变化的

31、曲线，从而实现对系统的第一次优化，也为后面的进一步优化打下基础。2.2.5 环境分析环境影响评估环节是本评价方法中非常重要的环节，它是区分传统的热经济学分析方法和LCEBT评价方法的关键。它的研究包括以下几个方面：确定类别、表述和评估/权重。参考席德力提出的LCA环境影响评价指标7以及王彦峰和冯霄在传统的分析基础上引入危害系数和效应系数的方法8，结合余热回收系统的特点，确定LCEBT评价体系中环境分析所要考查的指标为：1) 资源回收； 2) 水污染；3) 大气污染；4) 固体废物；5) 其他类型污染；1) 资源回收这里主要考虑由于余热回收带来的化石燃料资源消耗现状的改变。在化工厂和发电厂中，化

32、石燃料资源都被当作是最主要的动力来源。由于过分的开采和无度的浪费，人类将面临化石燃料资源枯竭的危险。由于回收的余热不仅可以取代化石燃料资源，重新利用于原有的能量系统，而且可以外供，因此余热回收是在生产过程中节约化石燃料资源最好的途径之一。图2展示了在有余热回收情况下系统的流情况。是指输入系统的化石燃料的与系统附加电量折算成的化石燃料的之和；是进入系统除了化石燃料以外的物质的；是系统产品的；是指回收余热的；是系统对环境散热损失；是具有一定物理和化学的废物被系统排放到环境中而导致的系统损失；是指系统的不可逆因素导致的损失。结合余热回收系统的特点，引入资源回收指标，将其定义为系统回收余热的与系统产品

33、的之比，其物理意义为生产单位产品的所带来的余热收益： (9)Production systemWaste heat recoveryFigure 2. The distribution of exergy in a production system with waste heat recovery2) 水污染系统造成的水污染与系统对环境的废物排放有关，不同的排放废物对于水体的污染程度不同。这里定义水污染指标： (10)其物理意义为生产单位产品所造成的水污染程度。为系统排放物中第种成分所具有的物理和化学；为系统排放物中第种成分对于水体的危害系数。3) 大气污染系统造成的大气污染不仅与系统对环境

34、的废物排放有关，还与系统散热有关，即系统的散热导致了热污染。这里定义大气污染指标： (11)其物理意义为生产单位产品所造成的大气污染程度。为系统排放物中第种成分所具有的物理和化学；为系统排放物中第种成分对于大气的危害系数，为系统散热导致的热污染系数，这个系数的确定还需进一步讨论。4) 固体废物污染系统造成的固体废物污染与系统对环境的废物排放有关，不同的排放废物造成的固体污染的程度不同。这里定义固体污染指标： （12）其物理意义为生产单位产品所造成的固体污染的程度。为系统排放物中第种成分所具有的物理和化学；为系统排放物中第种成分所造成的固体污染的危害系数。5) 其它类型污染对于一些特殊的工业生产

35、过程，其对于环境的影响不只局限在以上几个方面，因此定义其他类型污染指标，以反映系统的特殊性： (13)其物理意义为生产单位产品所造成的其他污染的程度。为系统排放物中第种成分所具有的物理和化学；为系统排放物中第种成分所造成的其它类型污染的危害系数。各类生产系统都有其自身的特点，其所造成的环境污染的类型和程度也各不相同，因此应结合具体的生产过程，首先确定其对于环境污染的类型，然后再根据其污染物的性质确定危害系数，从而得到各项环境评价指标。下一步应按一定的规则将这些指标进行加权，从而得到一个统一的环境影响指标，即： (14) 其中各项权重的确定可以根据经济的原则（例如回收资源价值和治理费用）或决策者

36、制定的规则，从而将各项环境指标归一化。决策人最终将得到两个评估依据，即技术/经济综合评价结果以及唯一的综合环境指标。由决策人根据具体情况将两个评价依据按照一定的规则进行综合，对系统进行第二次优化，从而选择出兼顾经济、资源和环境三者的最优方案。由于决策人往往对相关的理论知识不太了解，所以在报告中要详细地写出计算的全过程，对各种指数的定义也要交待明确。使用此评价体系对某热法磷酸生产的余热改造设备进行分析的实例，证明该评价体系的思路具有一定的实用意义。第三章 对于热法磷酸生产余热回收改造的生命周期评价目前，我国磷酸生产以粗放生产为主，一次能源消耗大，大量的余热没有得到利用，余热回收技术的使用可以缓解

37、能源利用和环保的压力，降低生产成本和节约能源。清华大学工程力学系与云南省化工院联合设计开发了热法磷酸余热回收技术，本研究组张心卉硕士计算了改造前后的流分布。本文使用提出的评价体系对该方案进行分析，从技术、经济和环保三个方面对系统进行研究，为该回收技术的推广提供了科学合理的理论依据。图 3 系统改造前示意图图4和图 5分别为改造前后的系统示意图16。该热法磷酸余热回收方案通过在燃烧反应塔中安装水冷壁，利用化学反应热生成有用的蒸汽，一部分蒸汽用于系统内部进行固态黄磷的熔化，替代了改造前的供热锅炉；另一部分蒸汽对外供给。图 4系统改造后示意图3.1 研究对象余热回收的产物蒸汽一股通入熔磷槽，进行磷酸

38、生产，一股用于外供。由于生产过程的主要目的是制造磷酸，因此把磷酸产品作为余热回收系统生命周期成本分析的研究对象。3.2 研究范围系统使用的余热是热法磷酸生产过程中的化学反应放热，回收的热量部分用于熔磷槽，参与了制酸工艺的过程，因此研究范围应当包括整个热法磷酸生产系统。研究范围包括熔磷、喷磷燃烧、水化成酸等。3.3 生命周期的清单分析整理所得的数据分为两部分。第一部分为已知数据，直接来自工厂的测量，另一部分为计算数据，来自对第一部分数据的计算和一些对系统进行的假设。数据的计算根据物质和能量守恒方程及系统反应方程。假设系统的混合物为理想混合物。在此基础上对系统进行研究边界划分和清单分析计算。得到的

39、结果用于进行系统的评价分析。3.4 技术性评价热法磷酸生产余热回收改造前后系统各个环节的效率通过等式(6)可以被一一求出，改造前系统能量利用情况见表4和流图 517。图5改造前系统能流图表4 改造前后系统效率表objectsboilerphosphorus melting slot compressorCombustion towerHydrating towerWhole systemBefore rebuilding (%)7.941.0589.3525.2434.658.77After rebuilding (%)86.821.1089.3564.0334.6524.24改造后系统能量利

40、用情况见表1和流图6。图 6 改造后系统能流图从表1可明显看出，经过对燃烧塔的余热利用改造，锅炉(汽包) 、燃烧塔和整个系统的效率得到大幅提高,表明用能更趋合理。同时也应注意到，燃烧塔是整个系统损失最大的部分，这也是今后要进一步改进的部分。3.5 经济性分析本工程实例中燃磷量为240kg/h的装置，85%磷酸的产量为893.26kg/h，即系统年产浓度85%磷酸：893.2672006431.47吨/年。利用热经济学分析，根据等式（7）可得改造前后系统的单位产品成本17：改造前：磷酸溶液改造后：磷酸溶液由于改造后系统为多元产品系统，产生可以外供的蒸汽，因此计算改造前后系统成本值时需要进行成本折

41、算。不考虑改造投入资金成本，每吨85%磷酸成本降低（蒸汽按60元/吨计）96.05元。考虑改造投入资金成本，每吨85%磷酸成本降低43.34元。对年产5000吨85%磷酸的装置，余热改造后，净节省资金21.17万元，我国1998年的热法磷酸产量为90.6万吨，折合85%磷酸为147.17万吨，若50%进行余热回收，则1998年一年可净节省资金3115.59万元。3.6 环境性分析下面就本文提出的环境指标对该实例进行分析。根据热法磷酸生产系统的特点，这里只考查其资源消耗和大气污染两项指标。3.6.1资源回收余热回收改造后的系统由于不再用煤作为燃料，因此避免了化石燃料资源的消耗。图7对比了系统改造

42、前后资源利用情况。通过计算生成蒸汽和系统产品的值，根据等式(9)计算系统改造前后资源回收指标：改造前改造后可见，资源回收指标在系统没有任何余热回收措施情况下为零，余热资源的回收量越大，则越大。图7改造前后系统资源占用对比示意图3.6.2 大气污染根据热法磷酸生产系统的特点，系统对于大气的污染主要来自改造前供给蒸汽的燃煤锅炉的尾气排放（这里先不考虑系统的热污染）。根据计算，已知系统改造后由于回收的余热即可以满足系统自身的需要，还可以外供，如果将外供的这部分蒸汽也视为系统的需求，则在改造前燃煤锅炉每年需消耗1009.14吨标准煤(115kg标准煤/h)，而在改造后燃煤锅炉可以停用了。改造前，设燃煤

43、锅炉尾部烟气的温度为150，压力为1atm，其成分为、和水蒸气等。其中、和是要被考虑的有害气体。对于不同的煤种，不同的燃烧方式，锅炉尾部烟气中各个有害气体的浓度是不同的。对于煤粉炉燃烧标煤，采用一定的燃烧方式，烟气的体积为10.47标煤，烟气的质量为13.69标煤。烟气中（以为主）的浓度为600烟气，（以为主）的浓度为300，的浓度为0.26，假设烟气中的各个有害气体都为理想气体,各个有害气体的摩尔份额为：根据Mircea Cardu and 和Malvina Baica18的理论，和的排放量可以根据其带来的负面影响程度被折算成相应的排放量，其具体关系可以被表述成为： () (14)因此,这里的燃煤锅炉的当量二氧化碳为：标准煤在龟山吉田基准体系下，查表得：基准状态下： 在1atm,150下： 物理：扩散：化学：二氧化碳的偏摩尔为：21.93+457.27-113.91=365, 29混合物中二氧化碳的为:当量二氧化碳的为：已知二氧化碳的危害系数为419，则可以计算出改造前后大气污染指标：改造前：改造后：可见，余热回收改造后，由于燃煤锅炉的停运，使得大气污染指标几乎为零（这里没有考虑热污染）。生产系统对大气污染越严重，其大气污染指标的数值