化工過程節(jié)能

堵祖蔭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工過程節(jié)能技術和能耗的計算系列講座（1）

化工過程節(jié)能

堵祖蔭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

簡要介紹了工業(yè)過程節(jié)能的三個方面，即結構節(jié)能，管理節(jié)能和技術節(jié)能。

工業(yè)過程節(jié)能；結構節(jié)能； 管理節(jié)能； 技術節(jié)能

一個國家、一個行業(yè)，乃至一個企業(yè)的能耗水平是由錯綜復雜的多種因素影響決定的，如自然條件、經(jīng)濟體制、經(jīng)濟因素、管理水平、政策傾向、社會因素、技術水平等。我們將節(jié)能的這些因素歸結為三個方面，即結構節(jié)能、管理節(jié)能、技術節(jié)能。

1 結構節(jié)能

據(jù)有關部門的測算顯示，我國能源利用率為33 %，與世界先進水平相差10個百分點。與世界先進水平相比，我國在能源效率、單位產(chǎn)品能耗等方面仍然存在較大差距。目前，我國萬元產(chǎn)值能耗是世界平均水平的2倍多，主要產(chǎn)品能耗比世界先進水平高40 %。

我國的單位產(chǎn)值能耗之所以很高，除技術水平和管理水平落后外，經(jīng)濟結構不合理也是重要的原因。經(jīng)濟結構包括產(chǎn)業(yè)結構、產(chǎn)品結構、企業(yè)結構、地區(qū)結構等。

1.1 產(chǎn)業(yè)結構

不同行業(yè)、不同產(chǎn)品對能源的依賴程度是不同的，有些能耗高，有些能耗低。在經(jīng)濟發(fā)展中，若增加節(jié)能型工業(yè)（如儀表、電子等）的比重，減少耗能型工業(yè)（如鋼鐵、化肥等）的比重，全國的產(chǎn)業(yè)結構就會朝節(jié)能的方向發(fā)展。但國民經(jīng)濟的發(fā)展，各個工業(yè)之間存在著客觀的比例關系，因此，應研究合理的節(jié)能型產(chǎn)業(yè)結構。

1.2 產(chǎn)品結構

隨著產(chǎn)業(yè)結構向節(jié)能型方向發(fā)展，產(chǎn)品結構也應努力向高附加值、低能耗的方向發(fā)展。在化學工業(yè)中，發(fā)達國家在20世紀80年代就開始重點發(fā)展耗能少、附加值高的精細化工產(chǎn)品，1985年精細化工產(chǎn)值占化學工業(yè)產(chǎn)值的53 % ～ 63 %，到20世紀90年代一般在60 %以上；而我國才只有35 %左右。石油化工、精細化工、生物化工、醫(yī)藥工業(yè)及化工新型材料等能耗低而附加產(chǎn)值高的行業(yè)適宜大力發(fā)展。

1.3 企業(yè)結構

調(diào)整生產(chǎn)規(guī)模結構是節(jié)能降耗的重要途徑。與大型裝置相比，中、小裝置一般單位產(chǎn)品能耗較高，經(jīng)濟效益較差。所以應該有計劃、有步驟地調(diào)整企業(yè)的組織結構，新建化工裝置應當選擇經(jīng)濟規(guī)模較大的大型企業(yè)（裝置），缺乏競爭力的小企業(yè)（裝置）應關、停、并、轉。

1.4 地區(qū)結構（資源配置）

地區(qū)結構的調(diào)整主要是指資源的優(yōu)化配置，調(diào)整部分耗能型工業(yè)的地區(qū)結構。高耗能產(chǎn)品的生產(chǎn)應當在能源富裕地區(qū)或礦產(chǎn)資源就近地區(qū)，這樣，不僅能保證產(chǎn)品的生產(chǎn)有充足的能源供應，而且從全局來看，可以節(jié)省很多能源。在化學工業(yè)方面，乙烯生產(chǎn)基地應靠近油田或大型煉油廠；東部地區(qū)集中了我國主要油田，又有地處沿海便于進口石油的條件，適宜發(fā)展石油化工；我國中部地區(qū)煤炭資源豐富，適宜發(fā)展煤化工； 我國西部和東南沿海地區(qū)天然氣資源豐富，適宜發(fā)展天然氣化工。

2 管理節(jié)能

管理節(jié)能主要有兩個層次的管理：宏觀調(diào)控層次和企業(yè)經(jīng)營管理層次。

宏觀調(diào)控層次的節(jié)能管理主要是指國家通過法律、法規(guī)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行規(guī)范，通過價格政策、稅收等手段對產(chǎn)業(yè)發(fā)展進行調(diào)控，以降低能源消耗。

企業(yè)經(jīng)營管理層次的節(jié)能管理主要包括以下幾個方面：

（1）建立健全能源管理機構，為了落實節(jié)能工作，必須有相對穩(wěn)定的節(jié)能管理隊伍去管理和監(jiān)督能源的合理使用，制定節(jié)能計劃，實施節(jié)能措施，并進行節(jié)能技術培訓。

（2）建立企業(yè)的能源管理制度，對各種設備及工藝流程，要制定操作規(guī)程，對各類產(chǎn)品，制定能耗定額，對節(jié)約能源和浪費能源，有相應的獎懲制度等。

（3）合理組織生產(chǎn)，應當根據(jù)原料、能源、生產(chǎn)任務的實際情況，確定使用多少設備，以確保設備的合理負荷率，合理利用各種不同品位、質(zhì)量的能源，根據(jù)生產(chǎn)工藝對能源的要求分配使用能源，協(xié)調(diào)各工序之間的生產(chǎn)能力及供能和用能環(huán)節(jié)等。

（4）加強計量管理，沒有健全的能量計量，就難以對能源的消費進行正確的統(tǒng)計和核算，更難以推動能量平衡、定額管理、經(jīng)濟核算和計劃預測等一系列科學管理工作的深入開展。因此各企業(yè)必須完善計量手段，建立健全儀表維護檢修制度，強化節(jié)能監(jiān)測。

3 技術節(jié)能

3.1 工藝節(jié)能

化工工藝過程節(jié)能的范圍很廣，方法繁多，化工生產(chǎn)行業(yè)甚多，生產(chǎn)過程又相當復雜，這里只概括地給出工藝節(jié)能的基本方向。

工藝技術中首先是化學反應過程，化學反應過程取決于催化劑和化學反應工程，它們的優(yōu)劣不但決定了化學反應過程本身所需能耗，而且它所提供的產(chǎn)物組成和狀態(tài)對分離過程能耗也起著決定性的作用，因此它是首要的，其次是分離工程。

（1）催化劑和化學反應過程節(jié)能

催化劑是化學工藝中的關鍵物質(zhì)?，F(xiàn)有的化學工藝約有80 %是采用催化劑的，而在新的即將投入工業(yè)生產(chǎn)的工藝中，約有90 %采用催化劑。

催化劑也是工業(yè)節(jié)能中的關鍵物質(zhì)，這是因為，一種新的催化劑可以形成一種新的更有效的工藝過程，或者可以緩和反應條件，使反應在較低的溫度和壓力條件下進行，就可以節(jié)省把反應物加熱和壓縮到反應條件所需的能量；或者選擇性提高，使副產(chǎn)物減少，生成物純度提高，既節(jié)省原料消耗，又降低了后續(xù)精制過程的負荷和能耗；或者反應活性提高，降低了反應過程的推動力，減少了反應能耗。

絕大多數(shù)反應過程都伴隨有流體流動、傳熱和傳質(zhì)等過程，每種過程都有阻力，為了克服阻力推動過程進行，就需要消耗能量。若能減少阻力，就可降低能耗。同時，一般的反應都有明顯的熱效應，對吸熱反應有合理供熱的問題，而對放熱反應有合理利用的問題。

（2） 分離過程和化工單元操作工藝節(jié)能

分離工程的能耗在化工、煉油工業(yè)中約占40 % ～ 70 %，分離過程的節(jié)能取決于分離的工藝、所采用的化工單元操作和其系統(tǒng)的能量集成。

圖1 化工分離過程Fig.1 Chemical separation process

化工分離過程見圖1。

原料的形態(tài)可以是氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，在實際生產(chǎn)中，分離過程由多個化工單元操作構成，它們用工藝管道按照一定的順序和規(guī)定條件形成化工過程網(wǎng)絡（工藝流程）。

分離工藝是決定性，它決定了分離的效果和所需消耗的能量，它所采用的分離方法和流程順序決定了所采用的分離單元操作的種類和數(shù)量。

分離單元操作很多，主要是傳質(zhì)分離的化工單元操作，如精餾、吸收、萃取、吸附、蒸發(fā)、結晶、干燥、浸取、膜分離等。其次有機械分離如過濾、離心分離等。

在工程上為實現(xiàn)分離過程的工藝物料必需的溫度、壓力等工藝條件和要求，還應配備加熱、冷卻、流體流動與壓縮、攪拌與混合等輔助（支撐）單元化工操作。

這些支撐（輔助）化工單元操作，是輸入能量（或回收能量）的操作單元。它的能耗是工藝成分分離過程能耗的基本內(nèi)容。

分離過程能耗取決于：

①分離過程采用的分離工藝（工藝方法和工藝流程），因此分離工藝的優(yōu)化和改進，可能會給分離過程節(jié)能帶來根本性的變化。

②分離過程采用的化工單元操作的工藝性能。對于各分離化工單元操作，有其內(nèi)容豐富的工藝節(jié)能技術，考慮到蒸餾操作在分離過程中特別重要地位，它幾乎是每個分離過程不可缺少的選擇，它在化學工業(yè)和煉油工業(yè)中約占分離過程能耗70 % ～ 90 %，故在后續(xù)的講座中將對蒸餾過程的工藝節(jié)能技術作系統(tǒng)介紹。

③分離過程所采用的化工單元操作設備的工藝效率和節(jié)能效率。

3.2 化工單元操作設備節(jié)能

化工單元操作設備種類很多，包括塔設備（精餾、吸收、萃取等），流體輸送、壓縮設備（泵、壓縮機等）和換熱設備（鍋爐、加熱爐、換熱器、加熱器、冷卻器等）和其他設備（吸附、蒸壓、結晶、干燥等），每一類設備都有其特有的節(jié)能方式。

（1）塔設備：采用高效、低阻力降的新型塔板，新型填料。

（2）流體輸送和壓縮設備：

①選用合適的液體機械，避免大馬拉小車的情況，避免造成能量浪費。

②選擇合適的流量調(diào)節(jié)方式，對可變負荷的設備，采用調(diào)速控制。

③合理選擇經(jīng)濟流速，求取最佳管徑。

（3）換熱設備：

①加強設備保溫、防止結垢，保持合理傳熱溫差，強化傳熱。

②采用高熱效率的鍋爐和加熱爐，控制過量空氣，提高燃燒特性。

3.3 化工過程系統(tǒng)能量集成和節(jié)能

化工過程系統(tǒng)節(jié)能是指從整個系統(tǒng)合理用能的角度，把整個系統(tǒng)集成起來作為一個整體對待，所進行的節(jié)能工作。

化工過程系統(tǒng)是由若干個化工單元操作構成，而化工單元操作由一個或若干個化工單元設備構成，如流體輸送、壓縮單元操作由泵或壓縮機構成，而典型的蒸餾單元操作則由蒸餾塔、冷凝器、再沸器、回流罐和回流泵等化工單元設備構成。

化工過程系統(tǒng)通過工藝管道將各工藝單元操作按一定順序連接起來，通過這些管道將上游的工藝物料和能量送入下游的工藝單元。由于系統(tǒng)原料進料和產(chǎn)品出料，以及系統(tǒng)內(nèi)上游單元輸送物料的工藝條件（溫度、壓力）不一定是下游單元適宜的工藝條件，因此，物料輸送伴隨著能量供應、轉換、利用、回收等環(huán)節(jié)。

（1）壓力條件的差異，需要泵、壓縮機、節(jié)流閥來調(diào)整，泵、壓縮機需外部輸入能量（電力和蒸汽或工藝介質(zhì)），物料通過節(jié)流閥時，由于其熱力學的不可逆性，要造成能量損失，應在適宜的技術經(jīng)濟條件下，用氣體膨脹機、或液力透平代替節(jié)流閥，所回收能量可以用以其他工藝介質(zhì)的輸送和壓縮或以電力形式輸出，以使回收能量達到合理利用。

（2）溫度條件的差異，需要各種加熱（冷卻）器和換熱器，這就需要對系統(tǒng)進行傳熱網(wǎng)絡的研究（例如用夾點技術）。

應當指出，能量分級和“等價”使用是該研究的主要原則。

①高壓蒸汽應先通過蒸汽透平提供驅(qū)動動力，然后在合適的溫度、壓力參數(shù)下作為工藝加熱源。

②對工藝介質(zhì)顯熱利用盡可能采用逆流，分級的方式，以使其盡可能“等價”使用。

（3）低位熱能利用的節(jié)能方法：

①熱泵技術：根據(jù)系統(tǒng)要求，輸入機械功，通過壓縮使低壓蒸汽壓縮至一定壓力作為較高能位的熱源使用。

②低壓蒸汽通過透平膨脹發(fā)電。

③以低壓蒸汽吸收制冷，以代替機械（或電）制冷。

（4）通過串聯(lián)設備的梯級設備操作壓力的設置，形成多效精餾和多效蒸發(fā)的節(jié)能過程。

在上述研究基礎上做出系統(tǒng)的能量平衡，根據(jù)外供的和過程本身放出的能量的品位和數(shù)量，匹配過程所需的動力和不同溫度的熱量；根據(jù)工藝過程對能量的需求和熱回收系統(tǒng)的優(yōu)化合成，對公用工程提出動力、加熱量和冷卻的公用工程量，并進行適當?shù)墓に囘^程的調(diào)整，這些就是化工過程系統(tǒng)節(jié)能的內(nèi)容。

以前的節(jié)能工作主要著眼于局部，但系統(tǒng)各部分之間有著有機的聯(lián)系。隨著過程系統(tǒng)工程和熱力學分析兩大理論的發(fā)展及其相互結合與滲透，產(chǎn)生了過程系統(tǒng)節(jié)能的理論方法，把節(jié)能工作推上了一個新的高度。

3.4 控制節(jié)能

控制節(jié)能包括兩個方面：一方面是節(jié)能需要操作控制，另一方面是通過操作控制節(jié)能。

節(jié)能需要操作控制。通過儀表加強計量工作，做好生產(chǎn)現(xiàn)場的能量衡算和用能分析，是節(jié)能的基礎工作。節(jié)能改造之后，回收利用了各種余熱，使物流與物流、設備與設備等之間的相互聯(lián)系和相互影響加強了，導致生產(chǎn)操作的彈性縮小，更要求采用相應的控制系統(tǒng)進行操作。

另外，為了搞好生產(chǎn)運行中的節(jié)能，必須加強操作控制。例如產(chǎn)品純度準確控制不夠是引起過程能量損失的一個主要原因。所以一些設備留有頗大設計裕度，使產(chǎn)品的純度高于所需的純度，大大增加了能耗。

在生產(chǎn)過程中，各種參數(shù)的波動是不可避免的，如原料的成分、氣溫、市場對產(chǎn)品產(chǎn)量的需求、蒸汽需求量等，若生產(chǎn)優(yōu)化條件能隨著這些參數(shù)的變化相應變化，將能取得很大的節(jié)能效果。計算機使得這種優(yōu)化控制成為了可能。

控制節(jié)能投資小、潛力大、效果好，是大有發(fā)展的節(jié)能途徑。

[1]馮霄. 化工節(jié)能原理與技術（第三版）[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2003.

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[6]陳安民. 石油化工過程節(jié)能方法和技術[M]. 北京：中國石化出版社，1995.

Energy Saving in Chemical Process

Du Zuyin

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

In this article, three aspects in energy saving, that is energy saving from structure design, management and technology, for industrial production were introduced.

energy saving in industrial production; energy saving from structure design; energy saving from management; energy saving from technology

編者按應讀者需求，本刊自今年第一期開辟了工程技術系列講座，首次講座為化工過程技術開發(fā)系列，共分四期刊出，受到了廣大工程技術人員的歡迎。系列講座繼續(xù)推出第二講，化工節(jié)能技術系列講座，系統(tǒng)介紹化工過程節(jié)能技術和能耗計算方面的有關內(nèi)容,以饗讀者。本講座老師長期從事石油化工的規(guī)劃、設計和技術開發(fā)實踐，對化工工藝、化工裝置、節(jié)能技術和能耗計算等有深厚的造詣，是乙烯生產(chǎn)領域設計和化工節(jié)能技術的資深專家。系列講座將節(jié)能因素進行了歸納，從結構節(jié)能、管理節(jié)能、技術節(jié)能三個方面探討了工業(yè)過程節(jié)能。該文具有廣泛的可讀性，也請各位同行討論并提出意見和建議。本系列講座預設五講，將自本期起陸續(xù)刊出，歡迎廣大讀者積極參與討論與交流。

TQ 013.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-817X（2017）05-0061-005

2017-08-07

堵祖蔭（1937—），男，教授級高級工程師，長期從事石油化工規(guī)劃、設計和技術開發(fā)工作。