李紅寶

(山西省化工設(shè)計院,山西 太原 030024)

化工節(jié)能技術(shù)及節(jié)能設(shè)備發(fā)展前景

李紅寶

(山西省化工設(shè)計院,山西 太原 030024)

根據(jù)化工行業(yè)用能的特殊性,從加強(qiáng)能源管理、采用新的節(jié)能工藝和設(shè)備、降低動力消耗、有重點(diǎn)地進(jìn)行技術(shù)改造、能量綜合利用、抗垢劑和除灰劑的使用以及節(jié)能涂料的使用等方面說明化工行業(yè)的節(jié)能措施。指出高效節(jié)能設(shè)備的前景良好,并從高效節(jié)能新設(shè)備和舊設(shè)備的節(jié)能改造兩方面進(jìn)行了說明。

節(jié)能技術(shù);節(jié)能設(shè)備;能量回收

引 言

能源是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),我國能(資)源雖然豐富,但人均占有量很低。目前,中國能源面臨嚴(yán)峻的形勢和挑戰(zhàn):能(資)源緊缺;能源利用效率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家,以大量消耗資源為代價換取經(jīng)濟(jì)的高速增長;以煤為主的一次能源結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題;管理不善、技術(shù)落后,使得我國的能源出現(xiàn)了供不應(yīng)求的情形。因此,在積極開發(fā)新能源的同時,非常有必要尋找新的節(jié)能途徑。節(jié)約能源、合理用能是全球性的發(fā)展戰(zhàn)略,作為用能大戶的化工生產(chǎn)行業(yè),對這個問題應(yīng)更加重視。節(jié)能降耗就是采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境和社會可接受的一切措施,來提高能(資)源的利用效率,最大限度地減少消耗[1]。

1 國內(nèi)外化工節(jié)能措施

化工行業(yè)用能可以歸納為3個方面:能量的轉(zhuǎn)換和傳輸、工藝?yán)眉澳芰炕厥?。三者之間互相聯(lián)系,互相影響。目前,化工領(lǐng)域采取的節(jié)能措施主要有以下幾個方面:

1.1 加強(qiáng)能源管理

目前,日本在能源管理方面處于領(lǐng)先地位。工業(yè)發(fā)達(dá)國家在化工生產(chǎn)領(lǐng)域通過加強(qiáng)能源管理,可使生產(chǎn)能耗降低7%～20%。加強(qiáng)能源管理的基礎(chǔ)工作具體表現(xiàn)在,建立能耗計量,測定熱平衡,嚴(yán)格崗位責(zé)任制,建全操作管理和設(shè)備管理制度,杜絕跑、冒、滴、漏現(xiàn)象,提高保溫效果,改善設(shè)備狀況,在安全穩(wěn)定生產(chǎn)基礎(chǔ)上長周期運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 采用新的節(jié)能工藝和設(shè)備

改進(jìn)工藝過程是化工企業(yè)節(jié)能降耗的重要手段。通過改進(jìn)工藝,降低工藝總用能和過程火用損耗,從源頭實現(xiàn)節(jié)能降耗。工藝改進(jìn)主要包括采用新的催化劑和助劑等提高目的產(chǎn)品收率;開發(fā)新工藝,提高裝置操作彈性,從而降低能耗。例如,以近年來已廣泛采用的分子篩變壓技術(shù)、膜分離技術(shù)和物理溶劑技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)吸收、精餾、萃取和深冷分離等,取得了十分有效的節(jié)能成果[1];在制氫中采用變壓吸附代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣體凈化裝置,可大大簡化流程,節(jié)省投資,降低能耗24%～30%[2];在醇類的濃縮中采用膜分離技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的精餾塔,能耗可降到原來的1/50。采用先進(jìn)的工藝和高效設(shè)備,使工藝總用能最佳化,包括采用節(jié)能型流程、優(yōu)化過程參數(shù)(如轉(zhuǎn)化率、回流比、循環(huán)比等);采用新型塔盤、填料、新催化劑等,改進(jìn)反應(yīng)操作條件,降低能量消耗。這些主要節(jié)能內(nèi)容與工藝過程優(yōu)化融合在一起。

1)工藝裝置熱集成,優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)。能量回收系統(tǒng)的熱集成,主要是通過換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化提高能量回收率,減少冷卻負(fù)荷,減少燃料消耗。較為典型的方法是依據(jù)熱力學(xué)概念發(fā)展起來的夾點(diǎn)節(jié)能技術(shù),利用其對換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn),在投資和節(jié)能效益之間權(quán)衡,達(dá)到最優(yōu)。如圖1如示。

圖1 能量系統(tǒng)改進(jìn)的夾點(diǎn)技術(shù)

但是,夾點(diǎn)技術(shù)只是針對換熱網(wǎng)發(fā)展起來的分析方法,不像火用分析是基于熱力學(xué)的分析方法那么通用,在某些場合(例如有熱泵存在時),火用分析法所得到的有用信息遠(yuǎn)比夾點(diǎn)分析法得到的多。雖然夾點(diǎn)技術(shù)可以改進(jìn)能量回收,給工業(yè)生產(chǎn)帶來技術(shù)改造的顯著效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益,并逐漸代替了傳統(tǒng)的火用分析法,但它沒有目標(biāo)函數(shù),不能算是一種嚴(yán)格的系統(tǒng)優(yōu)化方法,改進(jìn)不能等同于優(yōu)化,所以不能廣泛使用。

2)工藝裝置熱聯(lián)合[3]。石油化工廠有眾多的生產(chǎn)裝置,上下游裝置之間存在著原料供需關(guān)系。比如,在石油煉制過程中,常、減壓蒸餾裝置及催化裂化裝置和延遲焦化裝置之間原料互供,可以實現(xiàn)熱出料。常、減壓蒸餾裝置蠟油和減壓渣油可以不冷卻直接進(jìn)入催化裂化裝置和延遲焦化裝置,焦化蠟油進(jìn)催化裂化裝置,而重油催化裂化裝置的高溫循環(huán)油漿可以和原油換熱,實現(xiàn)熱聯(lián)合[4]。熱聯(lián)合打破了裝置自成體系的局面,提高了能源利用率,改變了在此處冷卻而在另一裝置加熱的重復(fù)換熱的不合理局面,有利于提高換熱深度,減少冷卻負(fù)荷。常、減壓蒸餾及催化裂化和延遲焦化實現(xiàn)熱聯(lián)合,可以達(dá)到節(jié)約燃料、減少冷卻用水的目的,進(jìn)而有效地減少燃料煙氣對環(huán)境的污染。

3)采用新型催化劑[5]。催化劑決定著裝置的操作壓力,影響反應(yīng)物的消耗、目的產(chǎn)品的收率和產(chǎn)率,也影響構(gòu)成能耗的反應(yīng)熱。

1.3 降低動力能耗

動力能耗主要包括電力和蒸汽消耗,是化工企業(yè)能耗的主要部分。降低動力消耗可以采取以下措施:

1)采用電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)。基于目前多數(shù)化工企業(yè)裝置負(fù)荷率較低的現(xiàn)狀,采用變頻調(diào)速技術(shù)無疑是節(jié)能的有效途徑。比如,在加氫裂化裝置的中、低壓泵和空冷器上采用此項技術(shù)。一般來說,只要電動機(jī)實際負(fù)荷低于設(shè)計負(fù)荷的70%,而且額定功率大于10 kW,采用變頻調(diào)節(jié)器就有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2)供熱供電系統(tǒng)優(yōu)化。供熱供電系統(tǒng)優(yōu)化方法必須打破單套裝置界限。例如,供熱系統(tǒng)優(yōu)化是根據(jù)不同溫位熱源的特點(diǎn),合理地實行裝置間的聯(lián)合,在較大范圍內(nèi)進(jìn)行冷、熱物流的優(yōu)化匹配,從根本上避免“高熱低用”,實現(xiàn)能量利用的最優(yōu)化。

3)降低水資源消耗。我國水資源短缺,化工企業(yè)又是耗水大戶,應(yīng)重視水資源管理,杜絕跑、冒、滴、漏和常流水現(xiàn)象,積極推廣污水回用技術(shù),降低水消耗。

1.4 節(jié)能技術(shù)改造

節(jié)能技術(shù)改造應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)抓高耗能行業(yè)的重點(diǎn)企業(yè)中技術(shù)比較成熟的項目。例如,中型合成氮廠將低壓鍋爐改為中壓鍋爐[6-8],熱效率可明顯提高;硫酸廠設(shè)置廢熱鍋爐回收利用反應(yīng)熱,每噸酸可產(chǎn)壓力為3.8 MPa的蒸汽1 t,相當(dāng)于節(jié)省0.12 t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前,我國燒堿廠部分能耗過高,若將有步驟地調(diào)整單效和雙效蒸發(fā)為三效蒸發(fā),可使每噸堿蒸汽用量降到3.5 t以下,對化工節(jié)能起到關(guān)鍵性作用。

1.5 能量綜合利用

化工企業(yè)使用的能源種類多,品位高低不等,工藝過程兼有吸熱和放熱,應(yīng)采用系統(tǒng)工程學(xué)的方法研究能量的總體利用,把生產(chǎn)中大量使用的燃料、蒸汽、電力、機(jī)械能和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的可燃性氣體、反應(yīng)熱及多種余能有效地組合起來,以求得系統(tǒng)能量的高效利用。一般認(rèn)為,在大型化工裝置中(合成氨、乙烯裝置等)采用燃?xì)馔钙綆訅嚎s機(jī)再將尾氣用于轉(zhuǎn)化爐的熱效率最高。目前,采用蒸汽帶動離心壓縮機(jī)和離心泵已很普遍,有利于高品位能級的合理應(yīng)用。但化工企業(yè)消耗的80%左右總熱能最終是以低位熱能放出的。因此,低位熱能的有效利用是提高化工能源利用率的關(guān)鍵。目前,采用的低位熱能節(jié)能技術(shù)有熱管、熱泵、吸收制冷、低沸點(diǎn)介質(zhì)應(yīng)用、低壓蒸汽透平、能量回收膨脹機(jī)等。

1.6 抗垢劑和除灰劑的應(yīng)用

化工企業(yè)中,連續(xù)運(yùn)行的換熱器很容易出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象,導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。就需要通過化學(xué)清洗或者機(jī)械清洗的方法清除,而注抗垢劑來防止結(jié)垢或減緩結(jié)垢速度是一種簡單易行的辦法。

加熱爐的除灰設(shè)備多采用蒸汽除灰器,但實踐證明,除灰器的效果不佳,長期運(yùn)轉(zhuǎn)容易損壞,致使加熱爐排煙溫度升高,降低加熱爐的效率。采用適當(dāng)?shù)某覄┛梢杂行У鼐徑膺@種狀況[9]。

1.7 節(jié)能涂料的應(yīng)用

因其生產(chǎn)環(huán)境的特殊性,化工設(shè)備防腐保溫工作非常重要,諸如塔設(shè)備、換熱設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備、貯罐等的腐蝕問題,以及這些設(shè)備和管道的保溫問題越來越受到人們的關(guān)注。目前,防腐保溫涂料的發(fā)展非常迅速,各種新型防腐保溫涂料層出不窮。

2 高效節(jié)能設(shè)備

采用高效節(jié)能設(shè)備(高效分餾塔、換熱器、空冷器、泵、壓縮機(jī)、加熱爐等)有直接明顯的節(jié)能效果[6]。世界各國對于高效節(jié)能設(shè)備的研究改進(jìn)主要集中在以下幾個方面:1)傳質(zhì)設(shè)備。包括高容量的塔盤、構(gòu)型填料、革新的不規(guī)則填料及靜態(tài)混合器;2)換熱器。全世界管殼式換熱器每年的貿(mào)易額為30多億美元,有關(guān)制造方法也不斷得到改進(jìn),以減少結(jié)垢因素和提高傳熱系數(shù);3)旋轉(zhuǎn)設(shè)備(壓縮機(jī)、泵)。目前,主要在改進(jìn)其使用壽命和性能,并降低成本;4)反應(yīng)器。用先進(jìn)的模擬方法設(shè)計新的反應(yīng)器;5)鍋爐。全世界鍋爐的年貿(mào)易額為4.0億～4.5億美元,目前的研究集中于改進(jìn)裂解爐、水蒸氣重整和提高高壓鍋爐的效率和總體性能方面。

在化工行業(yè)推動結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)升級的過程中,節(jié)能環(huán)保設(shè)備、出口和替代進(jìn)口設(shè)備、儲運(yùn)設(shè)備等的未來發(fā)展前景比較樂觀。未來一段時期,除已經(jīng)出現(xiàn)產(chǎn)能明顯過剩的焦炭等行業(yè)會對其相應(yīng)設(shè)備制造業(yè)產(chǎn)生進(jìn)一步的緊縮影響外,化工設(shè)備的市場需求依然十分巨大,包括煉油、乙烯在內(nèi)的大型石油和化工成套技術(shù)裝備,化肥、煤化工、子午線輪胎成套技術(shù)裝備,甚至一些醫(yī)藥和精細(xì)化工成套技術(shù)裝備的市場需求也將日益增加。

未來幾年內(nèi),我國裝備制造業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)領(lǐng)域包括:1)煉油和乙烯將作為石油化工的龍頭和核心;2)煤化工產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步前進(jìn),煤化工技術(shù)的工業(yè)放大不斷取得突破,大型煤制油、煤制烯烴、煤制甲醇和二甲醚裝置的建設(shè)進(jìn)展順利;3)農(nóng)用化工進(jìn)一步發(fā)展;4)汽車、電子、建筑等配套的精細(xì)化工產(chǎn)品和新型材料的需求量將快速提升;5)汽車工業(yè)崛起,將繼續(xù)帶動輪胎工業(yè)發(fā)展。

2.1 化工節(jié)能新設(shè)備

過去幾年,化工設(shè)備發(fā)展趨勢主要是提高單體設(shè)備的生產(chǎn)能力,相應(yīng)采取的主要措施是設(shè)備的大型化。在達(dá)到相同處理量的前提下,大型設(shè)備生產(chǎn)成本比小型設(shè)備成本低,因此建造大型化工設(shè)備成為規(guī)模經(jīng)濟(jì)下設(shè)備的主流趨勢。但大型化工設(shè)備易受其他工藝設(shè)備規(guī)模的限制。因此,為了增大裝置規(guī)模,使用相對較小的工藝設(shè)備進(jìn)行大流量處理就變得愈加重要。這種相對較小但能處理大流量的設(shè)備就是先進(jìn)工藝流程下所需要的一種新型節(jié)能設(shè)備。

勝利油田勝利集體資產(chǎn)管理中心發(fā)明了一種新型二甲醚或甲醇合成工藝及設(shè)備,它通過設(shè)置對精脫硫處理后的合成氣進(jìn)行固定床脫氯、脫羰基鐵,羰基鎳預(yù)處理過程,反應(yīng)器和管線采用特殊材質(zhì),達(dá)到了大幅度提高合成二甲醚或甲醇的收率和催化劑壽命的目的。

內(nèi)波外螺紋換熱器可強(qiáng)化換熱效果[8]。根據(jù)傳熱方程,在傳熱面積和溫差一定時,提高傳熱系數(shù)就可以提高傳熱速率。對換熱器管壁流體流動狀態(tài)的分析發(fā)現(xiàn),由于兩側(cè)的冷、熱流體在緊靠管壁處處于熱阻較大的層流狀態(tài),因此,必須改變管壁處流體的流動狀態(tài),增大其紊流程度,才能改變總傳熱系數(shù)由管內(nèi)膜層流傳熱系數(shù)控制的狀況。內(nèi)波外螺紋換熱器就是基于這樣的原理來強(qiáng)化換熱器傳熱效果的。該換熱器管壁呈內(nèi)凸外凹的波紋形,當(dāng)流體流經(jīng)管壁的凹、凸槽時,會產(chǎn)生一個方向始終垂直于層流流動方向的縱向渦流。該渦流使層流層受到?jīng)_擊干擾,轉(zhuǎn)變成紊流狀態(tài),從而提高了總傳熱速率。由于此型換熱器的特殊設(shè)計同時強(qiáng)化了管束兩側(cè)的傳熱,近年來,它正逐步取代常用的浮頭換熱器,并在一些化工行業(yè)得到應(yīng)用。

2.2 改造升級舊設(shè)備

對于新建項目或者擴(kuò)建項目,可以采用化工新設(shè)備提高效率;而對于已有項目,則可以通過局部改造,將設(shè)備升級為節(jié)能高效設(shè)備。

加熱爐是重要的升溫設(shè)備,若在加熱爐上采用新型燃燒器火嘴,就可以提高加熱爐燃料的燃燒效率[7]。燃燒器火嘴的結(jié)構(gòu)決定了燃料的霧化性能和燃燒效果,這一點(diǎn)對重油燃料極為重要。針對重油燃料的高黏度特性,北京航空航天大學(xué)成功地開發(fā)了內(nèi)混合多孔互擊式音速空氣霧化火嘴。該霧化火嘴可使重油霧化粒度小于20μm,具有霧化性好、燃燒充分、不易結(jié)焦堵塞的特點(diǎn)。與其他重油燃燒器相比,可節(jié)約燃料10%左右。這種新型火嘴已實現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用,并取得較好效果。

隨著煤化工行業(yè)的迅速發(fā)展,作為化工基礎(chǔ)原料的甲醇生產(chǎn)也在迅速發(fā)展。目前,除了一部分氮肥廠還在繼續(xù)聯(lián)醇生產(chǎn)外,60萬t/a的甲醇裝置先后開始建設(shè)。特別是在煤產(chǎn)量較多的山西、內(nèi)蒙和天然氣較多的四川、重慶等地的一些企業(yè),使用焦?fàn)t氣和水煤氣、天然氣大規(guī)模地生產(chǎn)甲醇已成趨勢。因此,對于精餾塔裝置的改造升級是節(jié)能的需要。比如,哈爾濱氣化廠甲醇分廠4萬t/a甲醇,其精餾塔裝置為前蘇聯(lián)設(shè)計,采用的是篩板式塔板,為了提高甲醇產(chǎn)量,對其進(jìn)行了改造。精餾塔的改造主要是對塔板的改造,首先將精餾塔塔板材質(zhì)全部更換為0Crl8Ni10Ti,然后采用北京澤華化工有限公司設(shè)計的ADV高效微分浮閥塔盤。經(jīng)過改造,能耗降低,經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高。

3 結(jié)語

節(jié)能工作是一項系統(tǒng)工程,化工生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了這個行業(yè)必然要消耗較多的原料和較多的能量,并排放出大量的廢物。它采用先進(jìn)的工藝、技術(shù)、設(shè)備與規(guī)劃設(shè)計方法,對現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改造,減少整個生產(chǎn)系統(tǒng)的能源與物質(zhì)消耗,最佳配置系統(tǒng)相關(guān)資源,按照能源品質(zhì)實行能量的梯級利用與多次利用,實施能源利用過程與用能需求的匹配。新建項目,特別是新建裝置群或整體擴(kuò)建,是進(jìn)行能量綜合優(yōu)化改造和大幅度節(jié)能降耗的極好機(jī)會,可以使過程系統(tǒng)能量優(yōu)化,大幅度降低能耗。此外,化工企業(yè)“大規(guī)模、長周期、系統(tǒng)聯(lián)合”是能耗大幅度降低的一個非常重要的因素。合理優(yōu)化公用工程系統(tǒng),也是降低生產(chǎn)能耗的關(guān)鍵。企業(yè)節(jié)能,一方面應(yīng)從減少裝置的跑、冒、滴、漏入手;另一方面要采用先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)對裝置和設(shè)備進(jìn)行局部的節(jié)能優(yōu)化。其前提是采用能量平衡等方法摸清裝置的用能現(xiàn)狀,挖掘節(jié)能潛力,并結(jié)合生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃,制定統(tǒng)一的節(jié)能計劃和措施,確定節(jié)能改造項目,最終實現(xiàn)全方位持久性的能源優(yōu)化利用。

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Abstract:Many countries paymore attention to the problem of energy saving.In this paper,on the basis of the particularity of using energy in the chemical industry,author particularized the energy savingmeasures in the chemical industry from several aspects such as enhancing the manage of energy resource,new energy efficient technology and equipment,reducing power consumption,technological transformation,comprehensive using of energy,the using of resisting furring and removing dust and the using of energy saving dope. Finally,the paper pointed out the good prospects of energy efficient equipment,explained the new energy efficient equipment and the alteration of the old equipment.

Key words:energy saving technology;energy saving equipment;energy recover

Development of chem ical energy saving technology and the prospect of energy saving equipment

L I Hong-bao
(ShanxiChem ical Industry Design Institute,Ta iyuan Shanxi030024,China)

TK01+8

A

1004-7050(2010)06-0056-04

2010-10-27

李紅寶,男,1973年出生,1997年畢業(yè)于太原理工大學(xué),工程師,主要從事壓力容器設(shè)計工作。