化工廠節(jié)能研究

孫蘭濤

（天津樂(lè)金渤?；瘜W(xué)有限公司，天津 300452）

改革開放以來(lái)，工業(yè)企業(yè)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，國(guó)家對(duì)企業(yè)的能耗也越來(lái)越重視，在十一五及十二五規(guī)劃中，均提到了能耗的下降。雖然各企業(yè)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，企業(yè)能耗也在逐年下降，但是與世界先進(jìn)水平相比還是有一定的差距。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，化工廠之間的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，各企業(yè)為了增加競(jìng)爭(zhēng)力，也紛紛尋找成本節(jié)儉方案。而能源消耗，是化工產(chǎn)品成本的重要組成部分，所以，各企業(yè)下大力氣尋找節(jié)能降耗的方案。

化工廠的能源消耗主要是指電、蒸汽以及燃料氣（包括天然氣、氫氣等）。以下從3個(gè)方面對(duì)節(jié)能進(jìn)行說(shuō)明。

1 電

化工廠電的用戶主要包括：泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)及照明等。其中，照明通過(guò)使用節(jié)能燈具等措施，即可達(dá)到節(jié)能的目的。而泵、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)則可以通過(guò)分析其能量組成等，找到其中的能量浪費(fèi)點(diǎn)，從而達(dá)到節(jié)能目的。

1.1 泵

對(duì)于泵來(lái)說(shuō)，其電機(jī)總功率與泵的有效功率及泵的效率、電機(jī)效率有關(guān)。其中，泵的有效功率與輸送介質(zhì)的性質(zhì)及要求有關(guān)系，泵的效率與泵的設(shè)計(jì)有關(guān)系，電機(jī)的效率與電機(jī)制造商有關(guān)，一般其效率均在90%以上。

對(duì)于泵來(lái)說(shuō)，一般輸送介質(zhì)的性質(zhì)及要求確定了，泵的有效功率就可以確定：

式中，ρ 為輸送液體的密度，kg/m3；g 是重力加速度，m/s2；Q 液體的體積流量，m3/s（如果單位是m3/h 的話，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換）；H 為輸送液體需要的揚(yáng)程，m。有效功率只與輸送介質(zhì)的性質(zhì)（密度）及要求（流量及揚(yáng)程）有關(guān)，與泵無(wú)關(guān)。但是，泵的效率與泵有直接關(guān)系。一般情況下，如果泵的設(shè)計(jì)曲線與工藝需要匹配的好，泵的效率可以達(dá)到90%以上。離心泵的設(shè)計(jì)效率從10%～90%都有，常用離心泵的設(shè)計(jì)效率在30%～80%，比轉(zhuǎn)速高的泵效率高一些。一般來(lái)說(shuō)，大流量、低揚(yáng)程泵的效率相對(duì)高一些。

泵的效率低除了設(shè)計(jì)因素以外，最關(guān)鍵的是泵的設(shè)計(jì)曲線與工藝需要的匹配，匹配度高，泵的效率就高，反之亦然。如何才能通過(guò)簡(jiǎn)單的改造達(dá)到節(jié)能的目的，常用的方法有2種，一是對(duì)泵重新設(shè)計(jì)，另外就是增加變頻器。

泵的重新設(shè)計(jì)，可以讓廠家進(jìn)行計(jì)算，最簡(jiǎn)單的方法是只進(jìn)行泵的葉輪改造，使新泵的性能曲線更加匹配工藝需要，這樣就可以提高泵的效率，從而達(dá)到節(jié)能目的。天津樂(lè)金渤?；瘜W(xué)有限公司曾經(jīng)在2010年前后，對(duì)裝置中的5臺(tái)循環(huán)水泵進(jìn)行了改造，改造后，泵的效率從56.3%提高至80%以上，大大節(jié)省了裝置的電能。

通過(guò)增加變頻器對(duì)泵進(jìn)行變頻改造，其原理也是通過(guò)變頻，使泵的性能更加匹配工藝需要，從而達(dá)到節(jié)電目的。

比如工藝需要將水加壓至0.5 MPa，而泵的出口壓力是1 MPa，這樣，泵出口有0.5 MPa 的壓力損失，這些損失點(diǎn)是減壓用的手閥或是調(diào)節(jié)閥等。所以，對(duì)于泵的節(jié)能，最重要的是泵的設(shè)計(jì)參數(shù)符合工藝需要，這樣的話，可以最大限度的降低能源浪費(fèi)。

1.2 壓縮機(jī)與鼓風(fēng)機(jī)

對(duì)于壓縮機(jī)以及鼓風(fēng)機(jī)而言，可能要復(fù)雜一些。其功率計(jì)算公式是：

式中，P 為風(fēng)機(jī)的功率，kW；Q 為風(fēng)量，m3/h；p 為風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓，Pa，包括靜壓與動(dòng)壓，靜壓是用于客服管道阻力，動(dòng)壓是氣體保持流動(dòng)的動(dòng)力。

式中：η0-風(fēng)機(jī)的內(nèi)功率，一般取0.75～0.85，小風(fēng)機(jī)取低值、大風(fēng)機(jī)取高值；η1-機(jī)械效率，（1）風(fēng)機(jī)與電機(jī)直聯(lián)取1；（2）聯(lián)軸器聯(lián)接取0.95～0.98；（3）用三角皮帶聯(lián)接取0.9～0.95。

從公式中可以看出，風(fēng)機(jī)的效率與風(fēng)機(jī)出口的全壓力成正比，如果能夠在工藝允許的范圍內(nèi)降低風(fēng)機(jī)的出口壓力的話，可以大大降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率，也就是要考慮工藝需求與壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是一致的，這樣就可以避免能源的不必要的浪費(fèi)。

2 蒸汽

2.1 精餾塔

2.1.1 進(jìn)料位置

對(duì)于精餾塔來(lái)說(shuō)，其原理是塔盤上的氣液平衡，也就是部分氣化和部分冷凝。對(duì)于一次氣化和冷凝來(lái)說(shuō)，由于液體混合物中所含的組分的沸點(diǎn)不同，當(dāng)在一定溫度下部分氣化時(shí)，因低沸點(diǎn)物易于氣化，在氣相中的濃度較液相高，而液相中高沸點(diǎn)物的濃度較氣相高。這就改變了汽液兩相的組成。當(dāng)對(duì)部分氣化所得蒸汽進(jìn)行部分冷凝時(shí)，因高沸點(diǎn)物易于冷凝，使冷凝液中高沸點(diǎn)物的濃度較氣相高，而冷凝氣中低沸點(diǎn)物的濃度比冷凝液中要高，這樣經(jīng)過(guò)一次部分氣化和部分冷凝，使混合液通過(guò)各組分濃度的改變得到了初步分離。如果多次的這樣進(jìn)行下去，將最終在液相中留下的基本上是高沸點(diǎn)的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點(diǎn)的組分。由此可見，多次部分氣化和部分冷凝同時(shí)進(jìn)行就可以將混合物分離為純或比較純的組分。

精餾塔的作用是物料分離，如果進(jìn)料的組成與其所在塔盤處物料的組成相似，則會(huì)大大提高塔的運(yùn)行效果。而如果相差過(guò)大，塔由于混入了與其組成不匹配的物料而使其組成發(fā)生跳躍，要分離就需要更多的能量，最終結(jié)果也就是塔效率下降及能量的浪費(fèi)。

2.1.2 回流比

對(duì)塔來(lái)說(shuō)，底部蒸汽提供了物料氣化所需要的熱量，同時(shí)，頂部的冷凝器為其提供物料冷凝所需要的冷量，而控制其冷量的方式是通過(guò)回流，頂部回流與底部蒸汽是匹配的，頂部回流越大，底部需要的蒸汽量就會(huì)越大。而回流如果過(guò)小，則會(huì)發(fā)生分離效果不理想的情況。所以，在滿足分離效果的情況下，盡量降低塔的回流，也會(huì)減少塔的蒸汽消耗量。

對(duì)于塔的節(jié)能，還有一種方法是降低塔的壓力。塔壓下降，則塔中的物料更容易氣化，氣化所需要的蒸汽量就會(huì)降低，但同時(shí)，塔壓下降在一定程度上會(huì)增加塔頂物料的冷凝難度，使塔頂需要的冷卻水的流量增加。

2.2 加熱器

化工廠中的加熱節(jié)能，對(duì)于整個(gè)工廠來(lái)說(shuō)，首先做能量平衡，把所有需要蒸汽加熱的地方與需要用循環(huán)水等冷卻的地方進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，把物料需要達(dá)到的條件以及現(xiàn)在的蒸汽、循環(huán)水的用量、溫差等進(jìn)行對(duì)比。如果有一種物料需要加熱而另一種物料需要冷卻的話，這2種物料之間可以考慮先進(jìn)行換熱，然后再用加熱器或是冷卻器調(diào)整至所需要的溫度，這種情況是最節(jié)能的。該公司曾經(jīng)通過(guò)對(duì)塔的塔底出料與其進(jìn)料直接換熱，大大節(jié)省了塔的蒸汽用量以及塔底循環(huán)水的用量。

在考慮以上情況的時(shí)候，不僅要考慮高溫加熱的物料，還要考慮低溫加熱的情況。該公司使用進(jìn)口的乙烯，在乙烯罐中儲(chǔ)存后，液體低溫乙烯通過(guò)蒸汽加熱氣化后送至裝置中使用。對(duì)其進(jìn)行改造，用循環(huán)水對(duì)乙烯初步加熱，使其由液體氣化，然后用蒸汽進(jìn)一步加熱至所需要的溫度，大大節(jié)省了蒸汽用量。該公司還計(jì)劃進(jìn)一步改造，用其他部門的冷凍水對(duì)乙烯加熱，把冷凍機(jī)停用，這些都是考慮能量匹配的問(wèn)題。

2.3 蒸汽伴熱

化工廠的蒸汽伴熱非常廣泛，節(jié)能措施也非常簡(jiǎn)單：一個(gè)是保溫狀況好不好，對(duì)保溫效果不好的地方進(jìn)行改造；另一個(gè)是疏水器是否是新型節(jié)能的，如果不是進(jìn)行更換。也有些工廠考慮將蒸汽伴熱改為熱水伴熱，利用裝置中無(wú)處使用的熱水的熱能伴熱，但是要考慮伴熱的要求，伴熱管線需要達(dá)到的溫度，如果使用水伴熱，需要考慮管道尺寸是否可以滿足等等，此處也不再贅述。

2.4 其他情況

裝置中的蒸汽有3個(gè)等級(jí)：高壓、中壓以及低壓蒸汽。高壓及中壓蒸汽在裝置中非常好用，如果壓力過(guò)高可以通過(guò)減壓閥減壓實(shí)現(xiàn)，但是如果壓力過(guò)低（比如說(shuō)壓力只有1～2 kg/cm2·g），有時(shí)找不到合適的用戶會(huì)白白放空。比較簡(jiǎn)單的方法是增加噴射器，通過(guò)高壓或是中壓蒸汽減壓過(guò)程，吸入一部分低壓蒸汽，來(lái)提高低壓蒸汽的壓力。當(dāng)然，也可以考慮通過(guò)壓縮機(jī)加壓，將低壓蒸汽壓力上升后使用，但是這種情況的能量浪費(fèi)嚴(yán)重：不僅蒸汽產(chǎn)量低且需要大量的電能。

如果裝置中的蒸汽冷凝液壓力足夠高，也可以考慮其閃蒸生產(chǎn)蒸汽。裝置中的中壓蒸汽冷凝液（壓力0.4 MPa），原設(shè)計(jì)送至低壓蒸汽冷凝液罐中，而低壓蒸汽冷凝液罐頂部有循環(huán)水冷卻器，為了防止水的損失，通過(guò)頂部冷卻器將蒸汽冷凝回收。通過(guò)新增加了1個(gè)閃蒸罐，將0.4 MPa 的蒸汽冷凝液閃蒸生產(chǎn)0.15 MPa 的蒸汽后，高溫冷凝液不再送入低壓蒸汽冷凝液罐，而直接送至脫氧器，由脫氧器收集后送至鍋爐使用。通過(guò)以上改造，節(jié)省了大約5 t/h 蒸汽量。

在高壓蒸汽減壓至中壓或是低壓蒸汽的過(guò)程中存在能量損失，有些公司考慮在調(diào)節(jié)閥處增加發(fā)電裝置，減壓的同時(shí)發(fā)電。但是此種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對(duì)蒸汽壓力的穩(wěn)定控制、所發(fā)電是否可并網(wǎng)以及投資費(fèi)用等問(wèn)題，還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步研究。

3 燃料氣

天然氣的用處也非常廣泛，特別是用于裝置中的各種爐子：裂解爐、焚燒爐、蒸汽鍋爐等，還有的用于發(fā)電、各種火炬。

對(duì)于各種爐子，要想節(jié)省天然氣，有2種方案，一種是多產(chǎn)生熱量；另外一種是少損失熱量。

對(duì)于產(chǎn)生的熱量：天然氣的熱值、空氣及天然氣的溫度以及燃燒效果是主要影響因素，而產(chǎn)生熱量的去處有：工藝需要的熱量、煙氣帶走的熱量和爐子本身的散熱等3部分，其中，煙氣帶走的和爐子的散熱是損失掉的。要想多產(chǎn)生熱量，天然氣的熱值是一定的，無(wú)法控制。如果裝置中有多余的低品位熱源的話，可以考慮增加換熱器先對(duì)天然氣及空氣進(jìn)行加熱，然后送至爐子中燃燒。對(duì)于天然氣來(lái)說(shuō)，增加加熱器時(shí)只要考慮換熱器的壓降即可；而對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，如果是自然通風(fēng)方式的，改造會(huì)有一定的難度，因?yàn)闋t子負(fù)壓操作，本身空氣的壓差就小，如果增加換熱器的話，則會(huì)進(jìn)一步增加空氣的阻力，如果設(shè)計(jì)不好，則會(huì)影響空氣流量，從而影響燃燒效果。如果是強(qiáng)制通風(fēng)方式，改造起來(lái)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些。相對(duì)來(lái)說(shuō)，加熱天然氣要比加熱空氣簡(jiǎn)單，但因?yàn)槿紵龝r(shí)，空氣流量大約是燃?xì)饬髁康?0倍左右，所以其加熱效果要比加熱空氣小的多。

對(duì)于爐子損失來(lái)說(shuō)，爐子本身散熱可以通過(guò)對(duì)保溫層的改造實(shí)現(xiàn)。最關(guān)鍵的是爐子內(nèi)部保溫，如果保溫狀況不好的話，會(huì)大大加速其熱量損失?，F(xiàn)在有在爐子外壁做涂層的，也可以降低爐子的散熱量，最高可以耐250 ℃。但是，最重要的是做好爐子的內(nèi)部保溫。

另外一個(gè)比較大的熱量損失點(diǎn)是爐子的煙氣損失。如果煙氣溫度過(guò)高，可以考慮在爐子上部增加換熱管，通過(guò)水或別的介質(zhì)對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻。此種改造首先要考慮煙氣的露點(diǎn)腐蝕，其次要考慮增加換熱管后整臺(tái)爐子的壓力降，如果考慮周全的話，爐子的煙氣溫度可小于150 ℃。