沈人杰，陳 慧，劉曉飛

（西安交通大學(xué)化工系，陜西 西安 710049）

過(guò)程工業(yè)（包括石化、化工、食品、造紙、冶金、建材等）是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，而這些工業(yè)又是用能和用水的大戶[1]，對(duì)這些傳統(tǒng)企業(yè)進(jìn)行優(yōu)化改造，不僅是提高我國(guó)過(guò)程工業(yè)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑，也是可持續(xù)發(fā)展的要求。

夾點(diǎn)技術(shù)是一種綜合熱力學(xué)原理和系統(tǒng)工程的方法。目前，夾點(diǎn)技術(shù)在企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化中應(yīng)用較廣[2-5]。通過(guò)能量系統(tǒng)優(yōu)化可以減少蒸汽和冷卻水用量，這是因?yàn)樗Ｓ米髂芰枯d體，如加熱用的加熱蒸汽、冷卻用的冷卻水。如果能量系統(tǒng)不合理，將導(dǎo)致加熱蒸汽和冷卻水用量的增加。此時(shí)若不改造能量系統(tǒng)，僅從節(jié)水的角度考慮問(wèn)題，那么這部分水是無(wú)法節(jié)省的。因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化的同時(shí)，往往可以取得明顯的節(jié)水的效果。此外對(duì)用能系統(tǒng)優(yōu)化后，也可減少CO2的排放。

本文作者運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)酮苯脫蠟裝置進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，給出了換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案，計(jì)算了此方案所達(dá)到的節(jié)水和CO2減排效果。

1 酮苯脫蠟裝置物流數(shù)據(jù)

1.1 酮苯脫蠟裝置簡(jiǎn)介

以某42萬(wàn)噸/年的酮苯脫蠟裝置為研究對(duì)象，其工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要包含冷凍、結(jié)晶、真空過(guò)濾、回收 4道工序。其中，冷凍工序用來(lái)提供系統(tǒng)中的冷量，作為冷卻公用工程考慮，未出現(xiàn)在圖1中。

1.2 酮苯脫蠟裝置的物流數(shù)據(jù)

某酮苯脫蠟裝置共提取出30股熱流和19股冷流，如表1和表2所示。

2 酮苯脫蠟裝置的優(yōu)化分析

2.1 酮苯脫蠟裝置的夾點(diǎn)分析

針對(duì)某石化企業(yè)酮苯脫蠟裝置，綜合考慮熱回收能量、換熱面積、換熱網(wǎng)絡(luò)改造費(fèi)用和工況穩(wěn)定操作等因素，取最小傳熱溫差為 10 ℃[7]對(duì)現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。

將各物流數(shù)據(jù)輸入PINCH 2.0軟件計(jì)算得到如下結(jié)果：整個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)的夾點(diǎn)平均溫度為 95 ℃，即夾點(diǎn)處熱物流溫度為 100 ℃，冷物流溫度為 90℃。系統(tǒng)所需要的最小加熱公用工程量為 8445.11 kW，所需最小冷卻公用工程量為6946.81 kW。而現(xiàn)行換熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)際加熱公用工程用量為 12673.59 kW，實(shí)際冷卻公用工程用量為11175.09 kW。由此可算得該裝置的節(jié)能潛力為4228.3 kW，約占現(xiàn)行加熱公用工程量的33.4%，占現(xiàn)行冷卻公用工程量的37.8%。

2.2 酮苯脫蠟裝置的熱集成優(yōu)化

考慮裝置的用能實(shí)際情況，如換熱器之間距離的限制、物流之間是否能匹配等因素，對(duì)部分物流進(jìn)行重新匹配，提出優(yōu)化方案。酮苯脫蠟裝置改造前換熱網(wǎng)絡(luò)的匹配如圖2所示，改造后的換熱網(wǎng)絡(luò)如圖3所示（僅列出了需要變動(dòng)的物流）。換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后，可以節(jié)約加熱公用工程1456.4 kW，占加熱公用工程用量的11.49%；冷卻公用工程524.2 kW，占冷卻公用工程用量4.69%。具體優(yōu)化方案如下。

表1 酮苯脫蠟裝置的熱物流數(shù)據(jù)

表2 酮苯脫蠟裝置的冷物流數(shù)據(jù)

（1）換30是熱流H11與冷流C8跨越夾點(diǎn)的傳熱。現(xiàn)調(diào)整換熱器 30的換熱面積，使得熱物流H11的溫度從135 ℃到74 ℃，冷物流C8的溫度從60.8 ℃到75.1 ℃，熱負(fù)荷為913.6 kW；夾點(diǎn)之上新增換熱器E1，在H11與C10之間換熱，使得熱物流H11的溫度從170 ℃到135 ℃，冷物流C10的溫度從125 ℃到148 ℃，其熱負(fù)荷為524.2 kW；去掉換36，減小換37的熱負(fù)荷，使得冷物流C10的溫度從148 ℃到170 ℃，熱負(fù)荷為1645.6 kW；夾點(diǎn)之下新增換熱器E2，在H14和C8之間換熱，使得熱物流H14的溫度從105 ℃到95.3 ℃，冷物流C8的溫度從36 ℃到60.8 ℃，其熱負(fù)荷為524.2 kW；減小冷26的熱負(fù)荷，使得熱物流H14的溫度從95.3 ℃到35 ℃，熱負(fù)荷為3268.5 kW。

（2）換12是熱流H18與冷流C3跨越夾點(diǎn)的傳熱?，F(xiàn)新增換熱器E3，在H18和C12之間換熱，使得熱物流H18的溫度從175 ℃到99.3 ℃，冷物流C12的溫度從90 ℃到99.6 ℃，其熱負(fù)荷為932.2 kW；減小換16的熱負(fù)荷，使得熱物流H21的溫度從171.2 ℃到128.9 ℃，使得冷物流C12從99.6 ℃到122 ℃，熱負(fù)荷為4457.7 kW；新增換熱器E4，在H21和C13之間換熱，使得熱物流H21的溫度從180 ℃到171.2 ℃，冷物流C13從122 ℃到142.2℃，熱負(fù)荷為932.2 kW；減小換18的熱負(fù)荷，使得冷物流C13的溫度從147.7 ℃到180 ℃，熱負(fù)荷為5228.4 kW；夾點(diǎn)之下調(diào)整換12的換熱面積，在H22和C3之間換熱，使得熱物流H22的溫度從84℃到78.9 ℃，冷物流C3的溫度從63.2 ℃到75.1℃，熱負(fù)荷為932.2 kW；去掉換15，冷10、冷11負(fù)荷不變，冷11出口溫度變?yōu)?3.9 ℃。

2.3 酮苯脫蠟裝置優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)性分析

該方案可以節(jié)約加熱公用工程1456.4 kW，蒸汽的熱值取2797 kJ/kg，計(jì)算得可節(jié)約的蒸汽量約為1.87 t/h，運(yùn)行時(shí)間按每年8000 h計(jì)算，由此可知節(jié)省的蒸汽為 14996.18 t/a，蒸汽的費(fèi)用取 183元/噸，則可節(jié)約蒸汽投資274.4萬(wàn)元/年。改造后可以節(jié)約冷卻公用工程 524.2 kW，全部為空冷器節(jié)約，空冷器的電機(jī)效率取 0.97，工業(yè)用電按 0.35元/千瓦時(shí)計(jì)算，那么可以節(jié)約的空冷量費(fèi)用為 4.1萬(wàn)元/年，總計(jì)節(jié)約能量費(fèi)用278.5萬(wàn)元/年。

投資費(fèi)用為180.6萬(wàn)元，投資回收期為0.65年，約為8個(gè)月。該方案充分考慮了現(xiàn)有裝置的限制，對(duì)原流程改動(dòng)較小，投資也較少，回收期比較短，具有非常好的可行性。

2.4 酮苯脫蠟裝置的節(jié)水和CO2減排效果

通過(guò)換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化可以減少蒸汽的用量。采用此方案，將節(jié)約蒸汽14996.18 t/a，折算相應(yīng)的節(jié)水量約為1.8萬(wàn)噸/年（按1.2 t水可產(chǎn)生1 t蒸汽計(jì)）。

由于節(jié)約蒸汽量使得制水和鍋爐的排污將減少0.30 萬(wàn)噸/年（1.2 t水產(chǎn)1 t蒸汽，其中的0.2 t按排污量計(jì)算）。

根據(jù)節(jié)約的蒸汽的量可計(jì)算CO2減排量。

CO2減排量由式（1）計(jì)算[8]。

式中，Q為 CO2減排量，kg；αi為能源i的CO2排放系數(shù)的碳當(dāng)量折算為二氧化碳當(dāng)量系數(shù)；ΔEi為能源i的節(jié)約量，kW。

其中，ΔE＝ce×Ep，Ep為終端能源節(jié)約量，ce為能源轉(zhuǎn)化效率。

假設(shè)所用電力為燃煤火力發(fā)電，CO2排放系數(shù)取0.25 kg/(kW·h)，能源轉(zhuǎn)化率取0.85。對(duì)于所提出的優(yōu)化方案，按照實(shí)際節(jié)約的蒸汽量來(lái)計(jì)算換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后的二氧化碳減排量，見(jiàn)式（2）。

全年按8000 h計(jì)算，合計(jì)全年可以減排為二氧化碳減排9078.2 t。

3 結(jié) 論

基于夾點(diǎn)分析的能量集成技術(shù)，不僅可以優(yōu)化能量的利用結(jié)構(gòu)，提高能量的利用效率，節(jié)能的同時(shí)也可以節(jié)水以及減少CO2的排放。根據(jù)某石化企業(yè)酮苯裝置能量集成項(xiàng)目的工程實(shí)例，可以看出由夾點(diǎn)技術(shù)改造所能取得的顯著節(jié)能節(jié)水效果以及所形成的CO2減排量。因此采用夾點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行能量集成，節(jié)約能源、減少CO2排放對(duì)企業(yè)和國(guó)家意義重大。

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