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 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(shí)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;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%;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)。

      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。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(shí)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(shí)現(xiàn)熱聯(lián)合。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(shí)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。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。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(xiàng)技術(shù)。一般來說，只要電動機(jī)實(shí)際負(fù)荷低于設(shè)計負(fù)荷的 70% ，而且額定功率大于10kW，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(shí)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(shí)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(xiàng)目。例如，中型合成氮廠將低壓鍋爐改為中壓鍋爐，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 M Pa 的蒸汽1t 相當(dāng)于節(jié)省0. 12t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(shí)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 。

      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。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。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(xiàng)目或者擴(kuò)建項(xiàng)目，可以采用化工新設(shè)備提高效率;而對于已有項(xiàng)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。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 20 Lm，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(shí)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 0Crl8N i10Ti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。

      節(jié)能工作是一項(xiàng)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(shí)行能量的梯級利用與多次利用，實(shí)施能源利用過程與用能需求的匹配。新建項(xiàng)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(xiàng)目，最終實(shí)現(xiàn)全方位持久性的能源優(yōu)化利用。

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