化工節能技術及節能設備發展前景

李紅寶

(山西省化工設計院,山西 太原 030024)

化工節能技術及節能設備發展前景

李紅寶

(山西省化工設計院,山西 太原 030024)

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

節能技術;節能設備;能量回收

引 言

能源是世界經濟發展的重要物質基礎,我國能(資)源雖然豐富,但人均占有量很低。目前,中國能源面臨嚴峻的形勢和挑戰:能(資)源緊缺;能源利用效率遠低于發達國家,以大量消耗資源為代價換取經濟的高速增長;以煤為主的一次能源結構造成了嚴重的環境問題;管理不善、技術落后,使得我國的能源出現了供不應求的情形。因此,在積極開發新能源的同時,非常有必要尋找新的節能途徑。節約能源、合理用能是全球性的發展戰略,作為用能大戶的化工生產行業,對這個問題應更加重視。節能降耗就是采取技術上可行、經濟上合理、環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 國內外化工節能措施

化工行業用能可以歸納為3個方面:能量的轉換和傳輸、工藝利用及能量回收。三者之間互相聯系,互相影響。目前,化工領域采取的節能措施主要有以下幾個方面:

1.1 加強能源管理

目前,日本在能源管理方面處于領先地位。工業發達國家在化工生產領域通過加強能源管理,可使生產能耗降低7%～20%。加強能源管理的基礎工作具體表現在,建立能耗計量,測定熱平衡,嚴格崗位責任制,建全操作管理和設備管理制度,杜絕跑、冒、滴、漏現象,提高保溫效果,改善設備狀況,在安全穩定生產基礎上長周期運轉。

1.2 采用新的節能工藝和設備

改進工藝過程是化工企業節能降耗的重要手段。通過改進工藝,降低工藝總用能和過程火用損耗,從源頭實現節能降耗。工藝改進主要包括采用新的催化劑和助劑等提高目的產品收率;開發新工藝,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、膜分離技術和物理溶劑技術代替傳統的化學吸收、精餾、萃取和深冷分離等,取得了十分有效的節能成果[1];在制氫中采用變壓吸附代替傳統的氣體凈化裝置,可大大簡化流程,節省投資,降低能耗24%～30%[2];在醇類的濃縮中采用膜分離技術代替傳統的精餾塔,能耗可降到原來的1/50。采用先進的工藝和高效設備,使工藝總用能最佳化,包括采用節能型流程、優化過程參數(如轉化率、回流比、循環比等);采用新型塔盤、填料、新催化劑等,改進反應操作條件,降低能量消耗。這些主要節能內容與工藝過程優化融合在一起。

1)工藝裝置熱集成,優化換熱網絡。能量回收系統的熱集成,主要是通過換熱網絡的優化提高能量回收率,減少冷卻負荷,減少燃料消耗。較為典型的方法是依據熱力學概念發展起來的夾點節能技術,利用其對換熱網絡進行改進,在投資和節能效益之間權衡,達到最優。如圖1如示。

圖1 能量系統改進的夾點技術

但是,夾點技術只是針對換熱網發展起來的分析方法,不像火用分析是基于熱力學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比夾點分析法得到的多。雖然夾點技術可以改進能量回收,給工業生產帶來技術改造的顯著效果和良好的經濟效益,并逐漸代替了傳統的火用分析法,但它沒有目標函數,不能算是一種嚴格的系統優化方法,改進不能等同于優化,所以不能廣泛使用。

2)工藝裝置熱聯合[3]。石油化工廠有眾多的生產裝置,上下游裝置之間存在著原料供需關系。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入催化裂化裝置和延遲焦化裝置,焦化蠟油進催化裂化裝置,而重油催化裂化裝置的高溫循環油漿可以和原油換熱,實現熱聯合[4]。熱聯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換熱的不合理局面,有利于提高換熱深度,減少冷卻負荷。常、減壓蒸餾及催化裂化和延遲焦化實現熱聯合,可以達到節約燃料、減少冷卻用水的目的,進而有效地減少燃料煙氣對環境的污染。

3)采用新型催化劑[5]。催化劑決定著裝置的操作壓力,影響反應物的消耗、目的產品的收率和產率,也影響構成能耗的反應熱。

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)采用電動機變頻調速技術。基于目前多數化工企業裝置負荷率較低的現狀,采用變頻調速技術無疑是節能的有效途徑。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。一般來說,只要電動機實際負荷低于設計負荷的70%,而且額定功率大于10 kW,采用變頻調節器就有較好的經濟效益。

2)供熱供電系統優化。供熱供電系統優化方法必須打破單套裝置界限。例如,供熱系統優化是根據不同溫位熱源的特點,合理地實行裝置間的聯合,在較大范圍內進行冷、熱物流的優化匹配,從根本上避免“高熱低用”,實現能量利用的最優化。

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

1.4 節能技術改造

節能技術改造應當重點抓高耗能行業的重點企業中技術比較成熟的項目。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;硫酸廠設置廢熱鍋爐回收利用反應熱,每噸酸可產壓力為3.8 MPa的蒸汽1 t,相當于節省0.12 t標準煤。目前,我國燒堿廠部分能耗過高,若將有步驟地調整單效和雙效蒸發為三效蒸發,可使每噸堿蒸汽用量降到3.5 t以下,對化工節能起到關鍵性作用。

1.5 能量綜合利用

化工企業使用的能源種類多,品位高低不等,工藝過程兼有吸熱和放熱,應采用系統工程學的方法研究能量的總體利用,把生產中大量使用的燃料、蒸汽、電力、機械能和生產過程中產生的可燃性氣體、反應熱及多種余能有效地組合起來,以求得系統能量的高效利用。一般認為,在大型化工裝置中(合成氨、乙烯裝置等)采用燃氣透平帶動壓縮機再將尾氣用于轉化爐的熱效率最高。目前,采用蒸汽帶動離心壓縮機和離心泵已很普遍,有利于高品位能級的合理應用。但化工企業消耗的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鍵。目前,采用的低位熱能節能技術有熱管、熱泵、吸收制冷、低沸點介質應用、低壓蒸汽透平、能量回收膨脹機等。

1.6 抗垢劑和除灰劑的應用

化工企業中,連續運行的換熱器很容易出現結垢現象,導致換熱效率降低。就需要通過化學清洗或者機械清洗的方法清除,而注抗垢劑來防止結垢或減緩結垢速度是一種簡單易行的辦法。

加熱爐的除灰設備多采用蒸汽除灰器,但實踐證明,除灰器的效果不佳,長期運轉容易損壞,致使加熱爐排煙溫度升高,降低加熱爐的效率。采用適當的除灰劑可以有效地緩解這種狀況[9]。

1.7 節能涂料的應用

因其生產環境的特殊性,化工設備防腐保溫工作非常重要,諸如塔設備、換熱設備、反應設備、貯罐等的腐蝕問題,以及這些設備和管道的保溫問題越來越受到人們的關注。目前,防腐保溫涂料的發展非常迅速,各種新型防腐保溫涂料層出不窮。

2 高效節能設備

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

在化工行業推動結構調整和產業升級的過程中,節能環保設備、出口和替代進口設備、儲運設備等的未來發展前景比較樂觀。未來一段時期,除已經出現產能明顯過剩的焦炭等行業會對其相應設備制造業產生進一步的緊縮影響外,化工設備的市場需求依然十分巨大,包括煉油、乙烯在內的大型石油和化工成套技術裝備,化肥、煤化工、子午線輪胎成套技術裝備,甚至一些醫藥和精細化工成套技術裝備的市場需求也將日益增加。

未來幾年內,我國裝備制造業的發展熱點領域包括:1)煉油和乙烯將作為石油化工的龍頭和核心;2)煤化工產業穩步前進,煤化工技術的工業放大不斷取得突破,大型煤制油、煤制烯烴、煤制甲醇和二甲醚裝置的建設進展順利;3)農用化工進一步發展;4)汽車、電子、建筑等配套的精細化工產品和新型材料的需求量將快速提升;5)汽車工業崛起,將繼續帶動輪胎工業發展。

2.1 化工節能新設備

過去幾年,化工設備發展趨勢主要是提高單體設備的生產能力,相應采取的主要措施是設備的大型化。在達到相同處理量的前提下,大型設備生產成本比小型設備成本低,因此建造大型化工設備成為規模經濟下設備的主流趨勢。但大型化工設備易受其他工藝設備規模的限制。因此,為了增大裝置規模,使用相對較小的工藝設備進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備就是先進工藝流程下所需要的一種新型節能設備。

勝利油田勝利集體資產管理中心發明了一種新型二甲醚或甲醇合成工藝及設備,它通過設置對精脫硫處理后的合成氣進行固定床脫氯、脫羰基鐵,羰基鎳預處理過程,反應器和管線采用特殊材質,達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。

內波外螺紋換熱器可強化換熱效果[8]。根據傳熱方程,在傳熱面積和溫差一定時,提高傳熱系數就可以提高傳熱速率。對換熱器管壁流體流動狀態的分析發現,由于兩側的冷、熱流體在緊靠管壁處處于熱阻較大的層流狀態,因此,必須改變管壁處流體的流動狀態,增大其紊流程度,才能改變總傳熱系數由管內膜層流傳熱系數控制的狀況。內波外螺紋換熱器就是基于這樣的原理來強化換熱器傳熱效果的。該換熱器管壁呈內凸外凹的波紋形,當流體流經管壁的凹、凸槽時,會產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沖擊干擾,轉變成紊流狀態,從而提高了總傳熱速率。由于此型換熱器的特殊設計同時強化了管束兩側的傳熱,近年來,它正逐步取代常用的浮頭換熱器,并在一些化工行業得到應用。

2.2 改造升級舊設備

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

加熱爐是重要的升溫設備,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]。燃燒器火嘴的結構決定了燃料的霧化性能和燃燒效果,這一點對重油燃料極為重要。針對重油燃料的高黏度特性,北京航空航天大學成功地開發了內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、不易結焦堵塞的特點。與其他重油燃燒器相比,可節約燃料10%左右。這種新型火嘴已實現了工業應用,并取得較好效果。

隨著煤化工行業的迅速發展,作為化工基礎原料的甲醇生產也在迅速發展。目前,除了一部分氮肥廠還在繼續聯醇生產外,60萬t/a的甲醇裝置先后開始建設。特別是在煤產量較多的山西、內蒙和天然氣較多的四川、重慶等地的一些企業,使用焦爐氣和水煤氣、天然氣大規模地生產甲醇已成趨勢。因此,對于精餾塔裝置的改造升級是節能的需要。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設計,采用的是篩板式塔板,為了提高甲醇產量,對其進行了改造。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全部更換為0Crl8Ni10Ti,然后采用北京澤華化工有限公司設計的ADV高效微分浮閥塔盤。經過改造,能耗降低,經濟效益大幅度提高。

3 結語

節能工作是一項系統工程,化工生產的特點決定了這個行業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。它采用先進的工藝、技術、設備與規劃設計方法,對現有生產系統進行改造,減少整個生產系統的能源與物質消耗,最佳配置系統相關資源,按照能源品質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建,是進行能量綜合優化改造和大幅度節能降耗的極好機會,可以使過程系統能量優化,大幅度降低能耗。此外,化工企業“大規模、長周期、系統聯合”是能耗大幅度降低的一個非常重要的因素。合理優化公用工程系統,也是降低生產能耗的關鍵。企業節能,一方面應從減少裝置的跑、冒、滴、漏入手;另一方面要采用先進的節能技術對裝置和設備進行局部的節能優化。其前提是采用能量平衡等方法摸清裝置的用能現狀,挖掘節能潛力,并結合生產發展規劃,制定統一的節能計劃和措施,確定節能改造項目,最終實現全方位持久性的能源優化利用。

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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年畢業于太原理工大學,工程師,主要從事壓力容器設計工作。