顧祥柏,楊吟,朱群雄
(1北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京100029;2中石化煉化工程(集團)股份有限公司,北京100101)
DMTO包括反應(yīng)和烯烴分離兩部分。反應(yīng)的工藝過程與煉油工業(yè)的催化裂化技術(shù)非常相似,反應(yīng)機理方面又與甲醇制汽油有相同之處[1-5]。DMTO典型的工藝流程示意見文獻[2]。
DMTO裝置與傳統(tǒng)的石腦油裂解裝置相比,都包括烯烴分離部分。相較于DMTO的反應(yīng)-再生,傳統(tǒng)的石腦油裂解制烯烴路線采用溫度約為 800℃左右的裂解反應(yīng)。由于DMTO反應(yīng)溫度低,且不需深冷分離工藝,所以操作費用較低[6-8]。DMTO每產(chǎn)1噸烯烴,約消耗3噸甲醇;石腦油裂解制乙烯也約需要3噸石腦油/噸乙烯。DMTO的乙烯收率約為50%,乙烯+丙烯收率大于80%,乙烯+丙烯+丁烯的收率約為90%。石腦油裂解制乙烯的乙烯收率約為30%,乙烯+丙烯收率約為45%,乙烯+丙烯+丁烯的收率約為56%[9-10]。DMTO的耗能分布是反應(yīng)-再生部分的能耗占整個裝置能耗的 1/3,烯烴分離部分的能耗占整個裝置能耗的 2/3。而石腦油制烯烴裂解部分的能耗占整個裝置的 2/3,烯烴分離部分的能耗占整個裝置能耗的1/3[6]。
為了全面評價分析 DMTO的能效與節(jié)能潛力,采用指標(biāo)分解(index decomposition analysis,IDA)[11-13]的能效評價與節(jié)能潛力評價的綜合分析框架,基于裝置操作運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù),量化計算裝置的能效指標(biāo)、節(jié)能潛力、節(jié)能量、技術(shù)節(jié)能和結(jié)構(gòu)節(jié)能指標(biāo),準確定位裝置的能效水平以及提高能效的關(guān)鍵成功因素。以年產(chǎn)30萬噸乙烯和30萬噸丙烯的DMTO裝置2012年的月統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例,從能效指標(biāo)以及節(jié)能潛力兩個方面分析獲得降低能耗、節(jié)能減排的實施途徑,驗證了提出的分析框架的實用性。
目前的能耗分析大都是通過建立各種數(shù)學(xué)模型來模擬化學(xué)過程,分析某些因素對能耗的影響,如操作條件、原料、燃料、產(chǎn)量對能耗的影響,沒有把影響能耗的因素綜合起來分析。另一方面,基于模型的能耗分析方法對數(shù)據(jù)要求高,要求建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,計算過程復(fù)雜卻又無法準確推測影響能耗的真正原因,無法提出全面合理的節(jié)能降耗措施。為此,考慮采用IDA指標(biāo)分解分析方法對能效進行綜合分析。與化學(xué)過程模擬方法相比,指標(biāo)分析方法最大的優(yōu)點是數(shù)據(jù)容易得到,雖然采用了IDA模型,但是計算過程簡單,物理意義明確,并能夠得到不同因素對能效指標(biāo)影響的量化結(jié)果。
IDA采用3個指標(biāo)分析能效[11-14]:(1)能源績效指標(biāo)(energy performance index,EPI);(2)節(jié)能量(energy saving, ES);(3)結(jié)構(gòu)能效(energy hierarchy,EH)。IDA 的能效指標(biāo)可以全面反映能源強度、結(jié)構(gòu)以及節(jié)能量的變化,可以作為能效與節(jié)能改進幅度的通用指標(biāo),能綜合各個統(tǒng)計階段的能耗狀況,統(tǒng)籌分析統(tǒng)計周期內(nèi)(通??梢赃x為 1年)的能效水平,并且可以直觀地給出能源使用與物理生產(chǎn)指標(biāo)間的相關(guān)性,以便測量能源需求,具有廣泛的實用性。
假設(shè)生產(chǎn)裝置第t月的能耗總量為Et,單位為千克標(biāo)準煤(kgce),則有
其中,Qt為生產(chǎn)裝置第t月的當(dāng)月產(chǎn)量(單位為噸),也就是IDA分析中的活動水平。Q為生產(chǎn)裝置年總的活動水平,即總產(chǎn)量,單位為噸。St為生產(chǎn)裝置第t月的活動占全年活動的結(jié)構(gòu),It為生產(chǎn)裝置第t月的能源強度。
生產(chǎn)裝置的年平均能耗量E0為
其中,函數(shù)L(a,b)是整數(shù)a和b的對數(shù)平均值。
則生產(chǎn)裝置在T月期間通過能效的改進獲得的節(jié)能量ES,單位為千克標(biāo)準煤(kgce)
生產(chǎn)裝置在相應(yīng)的期間的能耗結(jié)構(gòu) EH,單位為千克標(biāo)準煤(kgce)
生產(chǎn)裝置T月的能源績效指標(biāo)EPI的結(jié)果如下
類似地,可以得到生產(chǎn)裝置能耗工質(zhì)j在T月期間通過能效的改進獲得的節(jié)能量 ESj,單位為千克標(biāo)準煤(kgce)
生產(chǎn)裝置的能耗工質(zhì)j在T月期間的能耗結(jié)構(gòu)EHj,單位為千克標(biāo)準煤(kgce)
生產(chǎn)裝置的能耗工質(zhì)j在T月的能源績效指標(biāo)EPIj的結(jié)果如下
盡管 IDA指標(biāo)的能效分析能夠獲得量化的節(jié)能空間,但是無法區(qū)分通過提升技術(shù)與管理水平的節(jié)能空間,以及調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的節(jié)能空間,對于像DMTO這類能源需求較高的工藝過程,有必要進一步區(qū)分技術(shù)節(jié)能潛力與結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力,以便更準確定位影響節(jié)能改進空間的主要原因。
節(jié)能潛力[15-17]受到生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)技術(shù)以及能源結(jié)構(gòu)的影響。廣義的技術(shù)(或效率)影響通常是指各生產(chǎn)裝置自身能源強度的變化對節(jié)能潛力產(chǎn)生的影響,主要來源于生產(chǎn)裝置的管理與操作水平的改進,因此也稱為技術(shù)節(jié)能潛力,技術(shù)節(jié)能潛力所帶來的節(jié)能量也稱為技術(shù)節(jié)能量。
由于生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)能力或負荷變化,使得生產(chǎn)裝置的產(chǎn)能、原料結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)裝置構(gòu)成比重發(fā)生變化,繼而對生產(chǎn)裝置的節(jié)能潛力產(chǎn)生的影響,主要來源于活動水平的改進,因此稱為結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力。結(jié)構(gòu)節(jié)能潛力所帶來的節(jié)能量也稱為結(jié)構(gòu)節(jié)能量。
第t月的技術(shù)節(jié)能量為
式中,Qt代表第t月的產(chǎn)量;SECt表示生產(chǎn)裝置第t月的綜合能耗;SEC0表示月綜合能耗的平均值。
第t月的結(jié)構(gòu)節(jié)能量為
式中,Q0代表月產(chǎn)量的平均值;Q代表年總產(chǎn)量;其他符號與式(11)相同。
第t月的總節(jié)能量為
第t月的節(jié)能潛力為
下面以年產(chǎn) 30萬噸乙烯和 30萬噸丙烯的某DMTO裝置2012年的月統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例,進行能效與節(jié)能潛力的分析。
表1 某DMTO裝置2012年生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 DMTO plant production monitoring data in 2012
DMTO裝置通常與氣化裝置共同建設(shè),因此DMTO裝置一般不消耗燃料,所采用的蒸汽也可以通過與氣化裝置的總體平衡獲取。某 DMTO裝置2012年的月生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。
為了綜合比較IDA指標(biāo)分析的有效性,考慮將其與能效指標(biāo) EEI[18]和綜合能耗指標(biāo) SEC對比分析,利用表1中的數(shù)據(jù),采用式(1)~式(7)計算分析各月的能效指標(biāo),計算結(jié)果如表2所示。
表2 DMTO裝置2012年的能效指標(biāo)Table 2 Energy efficiency indicators of DMTO plant in 2012
表2中“?”表示與年平均水平相比少用的能量,也就是相對平均水平來講節(jié)能空間更大。從表1和表2可以得到,2012年月平均乙烯產(chǎn)量為25249 t,年總產(chǎn)量為302993 t,年平均綜合能耗為14.03 GJ·t?1,以 2012年平均綜合能耗為基準計算,全年共節(jié)能303.50tce。2月、4月、6月、7月、9月以及12月節(jié)能高于平均水平,當(dāng)月的能源績效指標(biāo)與能耗指標(biāo)均小于 1,也從另一方面表明這些月份的能效更高。每月的能源績效指標(biāo)以及能效指標(biāo)的標(biāo)準差均為0.03,說明能源績效平穩(wěn),生產(chǎn)過程總體正常運行。
為了使分析更加直觀,將表2的結(jié)果表示成如圖1的圖示化結(jié)果。
從圖1可以進一步看出單位產(chǎn)品能耗、能源績效指標(biāo)、能效指標(biāo)、節(jié)能量以及能源結(jié)構(gòu)變化趨勢相同且基本一致,同時可以看出綜合能耗越高,節(jié)能量越低。但是不能找到影響能效與節(jié)能量的關(guān)鍵成功因素(key successful factor, KSF)。為此,考慮利用式(8)~式(10)、參考文獻[18]中 EEI的計算公式以及表1的數(shù)據(jù)進一步分析各耗能工質(zhì)消耗量的變化對于能效的影響,計算了各個耗能工質(zhì)的能耗情況,如圖2所示。
圖1 DMTO裝置2012年各月能效分析Fig.1 Monthly energy efficiency analysis of DMTO plant in 2012
由圖 2(a)、(b)可以看出,全年生產(chǎn)過程中,水與電的能源績效與能效指標(biāo)相對比較平穩(wěn),變化幅度較小。蒸汽的能源績效變化比較大,對裝置的能耗結(jié)構(gòu)和節(jié)能量的影響較大。圖2(c)表明,蒸汽的節(jié)能量約占總節(jié)能量的 80%,說明蒸汽是影響DMTO裝置節(jié)能量的最主要因素,因此提高利用蒸汽的能效對DMTO裝置的能源績效與節(jié)能至關(guān)重要。圖2(d)揭示蒸汽占DMTO裝置能源結(jié)構(gòu)比重的70%以上,因此,蒸汽是DMTO裝置節(jié)能與能效改進的關(guān)鍵成功因素。但是還無法確定是通過提升技術(shù)與管理水平,還是通過調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構(gòu)對于改進能效更有效,所以有必要進一步進行節(jié)能潛力的分析,找出影響DMTO能效最主要的原因。
利用表1的數(shù)據(jù),利用式(11)~式(14)計算分析DMTO裝置2012年各月份的節(jié)能潛力,計算結(jié)果如表3所示。其中“?”表示與年平均水平相比少用的能量,也就是相對平均水平來講節(jié)能空間更大。
圖2 2012年DMTO裝置各月各類耗能工質(zhì)能效分析Fig.2 Monthly energy efficiency analysis for all energy consumption working medium of DMTO plant in 2012
以年平均綜合能耗為基準,該DMTO裝置2012年的技術(shù)節(jié)能量為676.02 tce,結(jié)構(gòu)節(jié)能量為54.31 tce,平均節(jié)能潛力為 1.005。節(jié)能潛力的標(biāo)準差為0.03,表明節(jié)能潛力比較平穩(wěn),裝置操作總體平穩(wěn)。技術(shù)節(jié)能的偏差為270.39 tce,偏大,表明裝置的操作與管理水平還很不穩(wěn)定,進一步改進的空間比較大。
表3 DMTO裝置2012年節(jié)能潛力分析結(jié)果Table 3 Saving potential analysis of DMTO plant in 2012
為了使分析更加直觀,將表3的結(jié)果繪制成圖3所示的曲線。其中為了便于觀察,將結(jié)構(gòu)節(jié)能量ΔEstr的單位從tce換算為GJ單位。
由圖1和圖3可以看出,綜合能耗和節(jié)能潛力變化趨勢相反,說明綜合能耗越高,節(jié)能潛力越小,節(jié)能空間越大。由圖2和圖3可以看出,節(jié)能潛力的變化趨勢與蒸汽的變化趨勢相反,說明蒸汽能耗對節(jié)能潛力影響較大,也就是說蒸汽是影響DMTO裝置節(jié)能的最重要因素。
圖3 DMTO裝置2012年各月節(jié)能潛力Fig.3 Saving potential of DMTO plant in 2012
圖4為DMTO裝置2012年各月能源結(jié)構(gòu)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)節(jié)能量比較。從圖4不難看出,以2012年綜合能耗的平均值為基準計算,月平均能源結(jié)構(gòu)為10356.91tce。能源結(jié)構(gòu)的標(biāo)準差為269.61,說明全年波動較大。結(jié)構(gòu)節(jié)能量的變化趨勢并不與能源結(jié)構(gòu)的變化趨勢具有一致性。能源結(jié)構(gòu)的變化與耗能工質(zhì)的投入具有密切關(guān)系。
圖4 DMTO裝置2012年各月能源結(jié)構(gòu)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)節(jié)能量比較Fig.4 Comparing energy structure and its energy savings of DMTO plant in 2012
由表2與表3可以得到,采用IDA分析方法得到的ES與采用節(jié)能潛力分析方法得到的ΔE趨勢相同,并且結(jié)果非常接近,驗證了IDA分析方法與節(jié)能潛力的分析具有一致性。由表3可以進一步確定,技術(shù)與管理水平、生產(chǎn)負荷、原料和耗能工質(zhì)的投入結(jié)構(gòu)的變化給節(jié)能帶來的量化影響,從而可以進一步確定提升管理與技術(shù)水平是 DMTO能效改進的關(guān)鍵成功因素。
基于 IDA的指標(biāo)分解能效分析和節(jié)能潛力分析的綜合分析框架,可以較為全面地從技術(shù)管理水平、負荷、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、耗能工質(zhì)等方面找出影響裝置能效的關(guān)鍵成功因素,從而為裝置的計劃、調(diào)度以及優(yōu)化操作提供切實可行的支持。
提出的分析框架從能源績效指標(biāo)以及節(jié)能潛力兩個方面進行綜合分析。相比其他分析手段,能綜合并且真實有效地反映出能源使用的活動水平、能源結(jié)構(gòu)和能源強度等因素的影響,并能得到裝置操作的技術(shù)與結(jié)構(gòu)對節(jié)能量的量化影響,因而可以直觀地揭示提高能效、降低能耗和節(jié)能的有效實施途徑。DMTO的示例分析,驗證了IDA能效分析與潛力分析方法的一致性和實用性,為提出方法廣泛用于能效管理與節(jié)能的實踐奠定了堅實的應(yīng)用基礎(chǔ)。
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