低分子燃料/化學品加工過程的能量系統優化

華 賁

（華南理工大學 天然氣利用研究中心，廣東 廣州 510640）

特約述評

低分子燃料/化學品加工過程的能量系統優化

華 賁

（華南理工大學 天然氣利用研究中心，廣東 廣州 510640）

綜述了低碳時代有機化工原料/產品的新格局，介紹了能量利用的原理和系統優化方法。針對不斷涌現的由煤、生物質或輕烴生產低碳燃料/化學品的新工藝、新裝置反應/分餾過程溫度低、傳熱性能好等特點，提出并闡明了采用降低工藝總用能和過程 損耗、多塔熱集成以及采用循環熱媒水系統利用鄰近大型煉化企業中、低溫余熱等 “溫度對口、梯級利用”的科學用能方法，進行能量系統優化，可使系統能耗大幅降低。

低分子燃料/化學品；系統優化；低溫熱利用；節能

21世紀初是社會經濟發展與資源、環境之間的關系開始發生重大變革的時代。氣候變化、碳減排所促進的科技變革在未來50年將推動人類對能源利用發生第三次大轉型。該轉型包括一次能源向低碳的轉型和在新科技突破推動下能源終端利用方式的轉型。除工業、建筑物、交通運輸外，能源終端耗費的第四個領域——有機化工原料，也必將轉向新的格局［1-3］。

本文綜述了低碳時代有機化工原料/產品的新格局，介紹了能量利用的原理和系統優化方法；提出并闡述了低分子燃料/化學品加工過程的用能特點、優化途徑以及與鄰近工業園區或大型煉（煤）化企業的熱聯合。

1 低碳時代有機化工原料/產品的新格局

目前世界耗用的一次能源所占比例排序依次為石油、煤、天然氣、核能及可再生能源的狀況，在2030—2040年間將發生逆轉。可再生能源將成為主力，其次是天然氣、帶二氧化碳撲集和封存的煤、石油。2010—2050年世界和中國的一次能源構成走勢見圖1。

圖1 2010—2050年世界（A）和中國（B）的一次能源構成走勢［1］Fig.1 Trends of world(A) and China(B)’s primary energy resources in 2010-2050 Year［1］.(a) Oil；(b) Coal；(c) Natural gas；(d) Nuclear energy and renewable energy

在一次能源向低碳轉型的大趨勢倒逼之下，工業、建筑物、交通運輸三大耗能領域的能源利用模式和有機化工原料構成將在新的科技突破推動下發生巨大變革。在中國，有機化工原料耗能將由2010年的0.18 Gt（占總能耗的6%，其中50%來自石油、7%來自煤）變化為2030年的0.60 Gt（占總能耗的12%），總量增長3倍多，其中不同能源所占比例大致為石油2/5、煤1/3、生物質1/4，初步呈現“三分天下”的局面。有機化工原料耗能總量增長快的重要原因是單位產品消耗的煤和生物質原料比石油多。圖2給出了未來石油、煤、生物質生產燃料和化學品的格局［1］。

圖2 未來石油、煤、生物質生產燃料和化學品的格局Fig.2 Pattern of fuel and chemicals produced from petroleum，coal and biomass in the future.

近年來，中國石油對外依存度不斷攀升，2012年已達57%，并且價格保持高位，而國內煤和生物質資源相對豐富，價格較低，促進國內有機化工產業格局悄然發生變化。現代煤化工快速發展，已成為世界的領頭羊。煤制天然氣已立項的總產能達160 Gm3/a，若其全部投產將耗煤750 Mt/a。規劃和在建的直接和間接煤制油項目產能已達50 Mt/a，煤制烯烴產能達20 Mt/a，煤制甲醇、二甲醚和乙二醇的產能達13 Mt/a。2012年2月5日工業和信息化部發布石化產業“十二五”規劃，將在蒙古、陜西、新疆、寧夏、貴州等地建成若干大型“煤化工煤電化熱一體化集群產業基地”，屆時煤制烯烴產量將占總產量的20%。

我國生物資源理論總量達65 Gt/a，實際可用的資源中作物秸稈約0.68 Gt/a、林木廢棄物0.2 Gt/ a以上、畜禽糞便約3.0 Gt/a、城市垃圾約15.5 kt/a。近年來，生物質資源化利用技術不斷創新，自主創新的固體熱載體循環流化床快速熱解工藝已獲成功。20 kt/a農作物秸稈熱解工業示范裝置已實現定型和標準化。200 kt/a生物質循環流化床快速熱解裝置也已建成投產。等離子復合熱解技術和各種酶化學、光化學生物質轉化技術也都在研究開發過程中。生物質制乙醇已從糧食原料轉向纖維素；生物質制丁醇技術已經投產。煤基和生物質基經由合成氣（甲醇）或直接轉化為醇、醚、芳烴等低分子基本有機化工原料的新工藝路線不斷涌現。這些都沖擊著迄今石油一統天下的集“煉化一體化”生產所有燃料/化學品的格局。可以預見，以碳中和的生物質為原料的有機化工產業，將有日新月異的發展。

多年來，我國煉油/石油化工企業以車船燃料和“三大合成”高分子產物為主要目的產品，石油資源利用粗獷，加上天然氣發展滯后，致使每年有數千萬噸本可用作化工原料的C2～4烴類以煉廠干氣和液化氣的形式被當作燃料燒掉。油氣田每年也有數百億立方米的C2～4輕烴被放火炬燃燒。隨著天然氣在一次能源中所占的比例快速提高，逐漸把輕烴從燃料領域中頂替出來，同時石油價格居高不下，輕烴深加工為化學品裝置的經濟效益日益突出。近年來，已有越來越多的企業投資建設各種石油輕烴深加工生產低分子燃料/化學品的裝置。

由1978年至今，中國煉化工業節能經歷了幾十年的發展，從一個個裝置的節能改造，發展到全局能量系統優化，得到了一些有效的方法，能源利用效率已逐漸接近國際先進水平。但近年來由煤炭、發電及其他企業投資興建的一批煤/生物質基低分子有機化工裝置，從實驗室工藝、催化劑研究成果放大到工業規模的裝置過程中，往往只著眼于打通物料流程和提高收率，較少深入考慮能量利用的優化匹配，致使能耗在總成本中所占的比例較高，削弱了與石油路線的競爭力，同時增加了環境和碳排放的成本。

2 能量利用的原理和系統優化方法簡介

2.1 分餾塔的用能本質和優化改進策略

以煉化企業中最具代表性的分餾塔為例來說明用能的本質［2］。圖3（a）為一個簡單分餾塔；圖3（b）～（d）是根據熱力學第二定律分析得到的分餾塔內能量演變過程的ε-Q圖。其中，ε為分餾塔內不同部分的能量品位，又稱能級系數，其表達式與卡諾因子相同，即ε=1-T0/T（T0，T分別為基準溫度和該能流的溫度）；Q為熱量。

當前分餾塔的用能情況見圖3（b），其中，藍色矩形的寬度代表在再沸器中蒸汽飽和溫度（Tr）下蒸汽攜入的熱量，忽略蒸汽脫過熱的顯熱后，冷凝過程是恒溫的，所以Tr曲線是水平線段。在ε-Q圖上水平線段到橫軸之間的面積是該熱量相應的有效能（，Ex），表達式為：Ex=∫（1-T0/T）dQ。在圖3上表現為4種顏色矩形面積的總和。藍色矩形的面積代表再沸器傳熱的損耗；紅色矩形的面積代表分餾塔的分離和傳質過程的損耗；綠色矩形的面積代表塔頂冷卻器傳熱的損耗；黃色矩形的面積代表冷凝冷卻器后由循環冷卻水排棄的損耗。

圖3 分餾塔節能示意圖［2］Fig.3 Energy-saving schematic diagram of distillation tower［2］.Tr：steam saturation temperature；Tb：tower bottom temperature；Tc：cooling water temperature；Td：tower top temperature；ε：quality of energy；Q：heat.■ Reboiler exergy loss；■ Column exergy loss；■ Cooler exergy loss；■ Coling water exergy loss；■ Exergy recovered

由圖3（b）可見，為完成分離操作，所供入的在推動4個傳遞過程中被消耗掉。從傳遞過程的動力學角度分析，前3個損耗不是無意義的損失，而是過程推動力的代價。如藍色矩形中，縱坐標的高度代表再沸器的傳熱溫差ΔT=Tr-Tb（Tb為塔釜溫度），即為傳熱傅里葉方程中的傳熱推動力：Q=KFΔT（K為傳熱系數，F為傳熱面積）。同理，紅色矩形中Tb與Td（Td為塔頂溫度）的溫差是分餾過程的推動力；綠色矩形中Td與Tc（Tc為冷卻水溫度）的溫差是塔頂冷卻器的傳熱推動力。

分餾塔用能優化改造措施可分為兩大類。第一類措施是降低工藝總用能，即增加塔的理論板數，減少回流比，從而減少再沸器供入的能量。在ε-Q圖上表現為矩形方框“變瘦”（見圖3（c））。建于20世紀70年代的某鄰二甲苯分餾塔回流比高達27，再沸器耗蒸汽量很大；將浮閥塔盤改為高效的規整填料并增加理論板數，使回流比由27降至14，可使再沸器供入的蒸汽量減少一半。這類措施的優化方法是通過模擬計算和系統建模求解，計算出年度化投資和操作費用總和最小的回流比和塔板數。這是一個二維函數求極值問題，并不復雜。

第二類措施是減少過程損耗。該措施是建立在熱力學第二定律分析即分析理論的基礎上。再沸器用210 ℃的中壓蒸汽加熱塔底溫度為169 ℃的塔釜液，傳熱溫差高達41 ℃；傳熱溫差過大，損耗偏高，屬于“高能低用”。采用分餾塔間熱集成的方法，將后續的、也用210 ℃蒸汽作再沸器熱源的乙苯塔適當升壓，使塔頂的溫度升至185℃，即可把乙苯塔塔頂的氣相冷凝熱作為鄰二甲苯塔塔底再沸器的熱源，替代原210 ℃的中壓蒸汽，這樣再沸器的傳熱溫差可由原來的41 ℃降至16℃，損耗相應減小。即由于損耗減小，可使210 ℃的中壓蒸汽的先后在乙苯塔和鄰二甲苯塔上使用兩次（210 ℃—185 ℃—169 ℃）。這是“高能高用、低能低用，溫度對口、梯級利用”科學用能原理的實例詮釋。

由于鄰二甲苯塔的回流比由27降至14，塔底再沸器熱負荷也減少了一半，按照傳熱方程Q=KFΔT，若Q和ΔT同比例減小，F可保持不變，所以還可以使用原有的再沸器。一般情況下，若ΔT減小而Q不變時，可對再沸器進行改造，或采用強化傳熱的換熱元件提高傳熱系數，或增加傳熱面積，以確保ΔT減小后的傳熱負荷。

鄰二甲苯塔改用填料后，使全塔壓降大幅下降，在塔底溫度不變時，塔頂溫度由原來的145 ℃升至150 ℃，溫差（損失）減小，有利于將原來的冷凝冷卻器改為蒸汽發生器，利用塔頂冷凝熱制備0.2 MPa（絕壓，115 ℃）的飽和蒸汽，傳熱溫差由115 ℃降至30 ℃。減少的損失變成低壓蒸汽的，供后續苯乙烯裝置的分餾塔再次使用。這種情況反映在ε-Q圖上表現為藍色、紅色、綠色3個矩形都變“扁”（見圖3（d）），總損失大幅減小，所以能夠用于制備淺綠色矩形代表的蒸汽，使210℃蒸汽的能量可被利用3次，這稱為塔系的“熱集成”，也是第三類改造措施。改造前后的流程見圖4［2］。

圖4 某二甲苯分餾系統節能改造前（a）后（b）的流程［2］Fig.4 Flow sheet of a dimethyl benzene fractionation system before(a) and after(b) revamp［2］.

2.2 能量利用的本質和節能原理

由2.1節的分析可知，在第二類改造措施中所利用的能量總量沒有改變，但能量利用前后的品位（即質量）改變了，這是節能原理中最關鍵的部分。能量被利用體現在利用前后能量品位的降低上。能量質量降低的科學表述就是“的損耗”，在ε-Q圖上表示為兩個溫度線段之間矩形的面積。減小傳熱溫差（矩形面積減小）以降低損失，就是使能量少降質，就可創造多利用一次的條件。圖3（d）中再沸器傳熱、分餾塔的分離及傳質和塔頂冷卻器傳熱3個單元過程損耗的減小，導致原來只利用一次的210 ℃蒸汽的冷凝潛熱可先后在乙苯塔、鄰二甲苯塔和苯乙烯塔中使用3次。這就是在能量的利用時，不是利用它的數量而是利用它在某一個溫位的質量的道理［4］。如果把一個復雜過程體系中的多個不同品位用能很好地整合起來，形成能量梯級利用結構，能量利用效率就能成倍提高。這種在能量回收子系統的多個熱源、多個熱阱之間通過優化匹配，達到投資加損耗的總費用最小的節能措施，是一種非常重要的第三類改造措施，稱作熱回收（或換熱）網絡（HEN）優化方法。上述案例的能耗可降低80%，表明分餾過程系統具有巨大的節能潛力。由于第二、三類改造措施涉及動力學、經濟學及其他方面，因此至今無法簡單地依靠計算機程序優化求解，但可用自編局部優化程序加快計算。“夾點技術”就是一種基于試探的HEN優化方法。

2.3 掌握“溫度對口、梯級利用”科學用能的尺度

“高熱高用”要求避免熱能降質，就必須減小傳熱溫差，但傳熱溫差降低到何種程度合理呢？從傳遞過程的角度分析，傳熱溫差是傳熱過程的推動力，溫差越大，推動力越大，所需的換熱面積越小，投資費用越少。 但從熱力學角度看，溫差越大，損耗越大，能源費用越多。反之，傳熱溫差太小雖然損耗小，但傳熱面積過大，投一定的資費用過多，不經濟。因此在一定的技術經濟條件，即一定的能源與設備的比價格下，傳熱溫差有一最優值。換熱器最優傳熱溫差是能源價格、設備價格和換熱器設計參數等的函數，是一個非常復雜的超越函數，需要經由計算機編程求解，詳見文獻［5］。優化的傳熱溫差隨能源價格改變的規律可以由歷史數據得到證明：20世紀70年代前，原油價格為2 $/桶，原油換熱器的平均傳熱溫差ΔT=80～100℃；20世紀80年代后，原油價格為10～30 $/桶，ΔT降低為30 ℃。

按照文獻［5］報道的公式編制程序計算，在目前一般的技術經濟條件下（按原油價格約100 $/桶、換熱器造價16 000～20 000元/t計），幾種溫位的物流換熱的最優傳熱溫差（ΔTopt）如下：1）200 ℃左右，原油與各側線、回流熱換熱的ΔTopt一般為10～15 ℃；2）150 ℃左右，各側線、回流熱與熱媒水換熱的ΔTopt一般為9～15 ℃；3）用0.1 MPa蒸汽作為分餾塔再沸器的ΔTopt一般為8～13 ℃；4）深冷（-100 ℃或更低）情況下，輕烴介質的ΔTopt一般為2～4 ℃［5］。

縱觀目前運行的煉油化工裝置，大部分是在幾年前能源價格較低時建設的，它們實際的傳熱溫差遠大于上述數據。由此可見，隨著技術經濟條件的改變，進一步節能的潛力是客觀存在的。

“夾點技術”中的一個步驟“Super targeting”實質上就是用二維曲線求極值的方法確定在現實的能源和設備價格下的“最小夾點溫差（ΔTmin）”，但需指出ΔTmin是HEN網絡的特征參數，而ΔTopt是指一個個換熱器的設計參數，后者更有切實的指導作用，應用更普遍。

3 低分子燃料/化學品加工過程的用能特點和優化途徑

3.1 低分子燃料/化學品化工生產過程的用能特點

化工生產過程是由諸多單元操作按照物料流、能量流、信息流的規律組合構成的復雜系統。為降低能耗、提高經濟效益，必須從能量流變化角度分析，審視低分子燃料/化學品的化工生產過程。通過分析可以看出，低分子燃料/化學品的化工生產過程有6個共同特點：1）反應溫度和壓力不太高，一般在常壓、200 ℃以下，一些酶化學反應有時只在幾十℃下進行；有吸熱反應，也有放熱反應。2）由于溫度適中，反應產物的分離和提純大部分通過分餾實現，并且常常是多組分分餾。分餾塔的塔底、塔頂溫度都不太高，通常在200 ℃以下。3）針對這樣的溫度和壓力條件，傳統技術一般以低壓蒸汽作為再沸器的加熱介質，塔頂以循環冷卻水為冷凝冷卻取熱手段，如圖3（a）。這種傳統用能模式，蒸汽的冷凝熱只用一次，難免“高能低用”。4）低分子烴類或含氧化合物的黏度較低，熱穩定性和傳熱性能好。針對此類化合物的無相變傳熱和冷凝、沸騰傳熱過程，研究開發了多種強化傳熱技術和元件，可使換熱器的總傳熱系數成倍提高，具備了減小傳熱溫差、降低損耗、實現“梯級利用”的條件。5）分餾過程耗熱（塔釜再沸器供熱）和放熱（塔頂冷凝冷卻器放熱）的溫位可以隨塔的操作壓力和全塔壓降而改變，有一定的調節自由度，易于實現多塔之間的熱集成。6）近年來，分餾塔的塔板、降液管、填料、分布器等硬件技術都有長足的進展，為通過增加理論板數、減小回流比、降低再沸器熱負荷創造了更好的條件。

以上特點為此類過程通過單元和系統優化，包括熱集成、強化傳熱來大幅降低能耗，奠立了很好的基礎。

3.2 低分子燃料/化學品化工生產過程的能量系統優化潛力和思路

鑒于低分子燃料/化學品化工生產過程用能存在3.1節中所述的6個特點，圖3（c）和（d）所示的兩類節能改造措施在此過程中均可普遍推廣應用。如某每年數十萬噸醚前液化氣深加工項目包括混合碳四脫硫、分離裝置，甲基叔丁基醚合成、裂解裝置等約10套，分餾塔幾十座。沿用傳統的塔底蒸汽再沸器加熱、塔頂循環水冷凝冷卻的設計思路，需耗用低壓蒸汽數百噸/小時。而若掌握了上述分餾節能的原理和系統優化方法，在采用降低工藝總用能和減少過程損耗措施的基礎上實行熱集成的能量梯級利用，則可減少一半的能耗。

應用流程模擬技術和建模優化技術已可以快速求得每個分餾塔的最優塔板數或回流比。塔系熱集成的優化匹配相對復雜一些，但按照下列8條準則認真探索，不難實現。1）開展單元設備優化，求得各個分餾塔最優回流比和塔板數，包括采用強化傳質的新型、高效塔板或填料，以節省投資，作為系統優化的基礎。2）優先考慮各個裝置之間的熱出料。在現代操作和控制技術條件下，已不需要把裝置與裝置之間完全用中間罐隔離開來，能熱出料到下游裝置就不必“冷下來”再“加熱上去”，耗費兩次損耗。3）在熱出料的基礎上，優先在裝置內開展塔與塔之間的熱集成。至于不同裝置間的塔系熱集成，只要充分考慮安全、開停工、緊急事故預案并采取應對措施也是可行的。4）熟練運用物流的t=f（p）（t為溫度，p為壓力）函數關系，試探變更塔壓和溫度，尋找熱集成的機會。按照現實的能源價格和設備價格計算冷熱流之間匹配的ΔTopt，實現技術經濟最小的損耗，為能量的梯級、多次利用創造條件。5）在物性適宜時，以填料替代塔板可降低全塔壓降，從而減小塔頂與塔底的溫差和損耗。6）換熱器ΔTopt的核算，實質上是通過權衡傳熱面積（投資）與傳熱損耗（能耗費用），以求得總費用最少， 是傳熱損耗最小化的科學判據。7）盡可能采用強化傳熱技術和元件，以提高傳熱系數來適應小溫差，比單純靠增加傳熱面積來適應小溫差更經濟。8）采用熱聯合措施，協同考慮鄰近企業的低溫余熱，以全局最優為目標，梯級利用外部低溫熱源，將更具有經濟性［6］。

4 低分子燃料/化學品加工企業與鄰近工業園區或大型煉（煤）化企業的熱聯合

4.1 擴大能量系統優化的空間視野

由于未來有機化工呈現石油、煤、生物質多元原料生產燃料、化學品的格局。相當部分的低分子燃料/化學品化工生產裝置可能并不在石油（煤）化工廠內，而是形成獨立的企業。傳統的設計思維會為其規劃設計配套的公用工程系統（蒸汽動力、給排水、電工儀表等）。200 ℃左右的用能溫位，若直接采用天然氣等一次能源供熱，顯然是嚴重的“高能低用”。從大系統能量優化角度看，有兩條出路：1）若周圍沒有大型有機化工企業，則可融入所在地工業園區的冷熱電聯供能源系統，即利用天然氣冷熱電聯供能源系統汽輪機低壓抽汽作為熱源。同時，各個塔頂循環冷卻水的低溫廢熱，還可采用熱泵技術適當升級，作為鄰近建筑物供暖或農業大棚的熱源。2）附近有大型煉化企業（以石油或煤為原料），則可以盡可能充分利用這些企業中大量高溫裝置難以自身消化的中、低溫余熱，構建科學用能的“宏觀熱集成”系統［7］。

4.2 通過熱媒水循環系統利用大型煉（煤）化企業的低溫余熱

大型煉（煤）化企業中大量一、二次加工裝置是溫度高且熱量過剩的。不斷深入地在全廠范圍內進行能量系統優化固然能使一部分余熱用于低溫工藝裝置和輔助系統，但許多情況下，還會有多余的熱量可在企業周邊更大的系統尋求集成優化，即能量系統優化范圍由企業擴大到鄰近的“能流循環經濟園區”。集成的能流既可以是高端的電力、蒸汽、氫氣，也可以是低端的余熱。對于低分子燃料/化學品化工生產裝置，一種可以普遍推廣的形式是通過熱媒水循環系統利用大型企業的中、低溫余熱。

與蒸汽相比，以熱媒水為載能介質用作分餾塔再沸器的熱源，具有4個獨特的優點。

1）熱損失小，僅限于表面散熱，可通過加強保溫來控制。而用過熱蒸汽進行加熱時，過熱部分的氣相傳熱系數很低，需要有相當大的傳熱面積；蒸汽凝結水常常在飽和溫度下直接排出，過冷部分熱量沒有得到合理利用，蒸汽的能量通常只用了80%。

2）易于操作控制。用熱媒水加熱時，通過旁路角閥控制進入再沸器的熱水流量可靈敏地控制塔釜溫度，比用蒸汽再沸器控制的損耗更小。

3）蒸汽的壓力等級級差大，通常中壓為4 MPa、250 ℃，低壓為1 MPa、180 ℃。對于不同的塔釜溫度需求，很難做到“溫度對口”，導致過大的傳熱溫差和損耗。用于加熱的溫度范圍不僅可按最優傳熱溫差安排，且可多次、梯級使用。

4）作為企業之間的熱集成，熱媒水的輸送、計量以及緊急情況下的處理預案均更方便。

4.3 通過熱媒水實施企業間熱集成系統的設計方法

通過熱媒水實施企業間熱集成系統的設計方法包括以下6個步驟。

步驟一：在單元優化和塔系熱集成初步方案的基礎上，按照鄰近企業能夠提供的中、低溫熱的數量和溫位，展開優化匹配研究，擬訂初步的集成方案，即大致選定適宜于采用熱媒水供熱的用戶（分餾塔或反應器）的溫位和熱負荷。

步驟二：按照溫位高低排列所有冷、熱流，在T-H（H為熱焓）圖上畫出熱源、熱阱兩條負荷曲線，注明溫度區間、流量和熱容流率。

步驟三：按照文獻［5］報道的方法，計算目前技術經濟條件下熱媒水與油品換熱的ΔTopt，作為合成優化的換熱網絡的初始判據。由于具體的物性和經濟條件不同，ΔTopt不是常數，但在一定的工程項目范圍內，變化不大。在T-H圖上熱源、熱阱兩條復合曲線之間，以ΔTopt為尺度畫出一條代表循環熱媒水的直線，使其斜率大致介于熱源復合曲線的平均斜率與熱阱復合曲線的平均斜率之間。可先固定熱源曲線，通過左右移動熱阱曲線和熱媒水直線，實現符合ΔTopt尺度的3條曲線的配合。此時，熱媒水直線與熱源、熱阱2條復合曲線在H軸投影的重合部分，即為可回收利用的低溫熱；直線兩端點的溫差是熱媒水的溫升。由直線的斜率可計算出熱媒水的流量。圖5為由ΔTopt決定的熱源、熱阱與熱媒水循環系統的T-Q曲線［8］。

圖5 熱源、熱阱與熱媒水循環系統的T-Q曲線Fig.5 Composite curves on T-Q coordination of heat source，heat sinks and hot water cycling system.(a) Low temperature heat source composite curve；(b) Heat sink composite curve；(c) Hot water curve

步驟四：以步驟三為指導，合成熱源-熱媒水換熱網絡。按熱媒水的流量和溫升，根據總平面布置，按照“溫度對口、梯級利用”和熱媒水管線盡可能短的原則，運用分流-合流手段，合成初始的熱源-熱媒水換熱網絡。注意調整分流的各支路水量以使合流點處各支路的水溫盡量一致，同時必須避免偏離ΔTopt太大的匹配。

步驟五：按照同樣的方法，合成熱媒水-熱阱換熱網絡。此時，可能需要調整前面已擬訂的塔系熱集成方案，使之相互協同，選擇最好的方案。根據雙方的協議確定工作分工。步驟四也可由提供熱媒水的企業自己完成。

步驟六：根據柔性（對季節等變化條件的適應性）、可操作性、可靠性，以及安全、設備限制、開停工、事故處理等各項要求，對兩個初始換熱網絡和循環熱媒水參數進行調整，形成滿足實際工程要求的系統，并設計相應的熱媒水循環泵、緩沖罐，以及控制來水和回水溫度的兩個控制回路（見圖6）。

圖6 通過熱媒水的大系統低溫熱利用流程［8］Fig.6 Flow sheet of low-grade heat utilization system with cycling hot water［8］.

4.4 兩個換熱網絡及其間的集成模擬和協調優化

兩個換熱網絡及其間的集成模擬和協調優化是設計和操作調節熱聯合的關鍵。如上所述，一個低溫熱利用大系統的構建包含熱源和熱阱兩個網絡的合成，以及熱媒水循環系統的設計。在盡可能安排逆流換熱下，一般熱媒水由50 ℃被加熱到120～140 ℃。作為企業間熱聯合的系統，由于熱輸出的大企業熱源多、單位供熱成本較低、輸送距離較遠，因此提高熱媒水的初溫和供、回水的溫差，一般會更經濟。有加熱爐煙氣余熱可利用時，熱媒水的溫度可高達170～200 ℃。熱媒水的溫度越高，所能供給的低溫熱阱的溫位越高，節約的能量就越多。

整個低溫熱利用網絡的控制調節手段主要包括：蒸汽補加熱器、回水用循環水冷卻器、流量調節控制和冷熱水溫度控制。蒸汽補加熱器和回水用循環水冷卻器主要是保證熱媒水的來水溫度和回水溫度的恒定，有利于熱源裝置和熱阱裝置的吸、放熱物流相關設備的操作控制，不受彼此操作波動的影響。當然，它們也可在不同季節補充加熱和輔助加熱，但不能過于依賴它們。流量調節控制有利于在實際情況下通過調節循環水量來控制循環熱媒水的溫度參數，達到經濟運行的目的。如在冬季控制一個最適宜的較低回水溫度，盡可能多地利用工藝余熱。采用計算機輔助可視化操作模擬優化系統可評估網絡的柔性，也可針對各種變化工況進行應對策略演練和調優。

5 結語

世界一次能源向低碳轉型和有機化工原料趨向多元化，催生出越來越多的低分子燃料/化學品化工生產裝置，存在著巨大的節能潛力。工藝過程用能是用其在某一個溫位段的，用能前后能的總量沒有改變。在采取降低工藝總用能和減少過程損耗兩類措施的基礎上，運用熱回收網絡優化匹配技術，是實現能量系統優化的關鍵。低分子燃料/化學品化工生產裝置自身的特點，使得降低工藝總用能和減少過程損耗以及分餾塔系熱集成等典型的能量系統優化措施可以得到最充分的應用，大幅降低能耗。作為以耗中、低溫熱為主的裝置，與鄰近的有過剩中、低溫熱量的大型煉化企業熱聯合，是低分子燃料/化學品化工生產裝置進一步降低能耗的重要途徑。以熱媒水為介質是實現大系統能量梯級利用的有效方式。

［1］ 華賁. 低碳時代石油化工產業資源與能源走勢［J］. 化工學報，2013（1）：77 - 83.

［2］ 華賁，葉劍云. 低碳時代中國石化工業的節能減排（Ⅰ）［J］.石油石化節能與減排，2011，1（7/8）：4 - 9.

［3］ 華賁，葉劍云. 低碳時代中國石化工業的節能減排（Ⅱ）［J］.石油石化節能與減排，2011，1（10）：1 - 7.

［4］ 華賁. 工藝過程用能分析及綜合［M］. 北京：中國石化出版社，1995：98 - 102.

［5］ 華賁，仵浩，劉二恒. 基于經濟評價的換熱器最優傳熱溫差［J］. 化工進展，2009，28（7）：1142 - 1146.

［6］ 華賁. 煉油廠能量系統優化技術研究與應用［M］. 北京：中國石化出版社，2009：1.

［7］ 華賁. 中國煉油企業節能降耗——從裝置到全局能量系統優化［J］. 石油學報：石油加工，2009，25（4）：463 - 471.

［8］ 華賁，仵浩. 煉油企業低溫熱大系統優化利用技術［J］. 煉油技術與工程，2007，37（12）：33 - 38.

（編輯 李明輝）

·技術動態·

DSM公司開發出PA6樹脂制汽車用油盤

石油化學新報（日），2013（4740）：15

DSM公司采用DSM日本工程塑料公司生產的PA6樹脂“Akulon Ultraflow K-FHG7”生產開發出PA6樹脂制汽車用油盤。該制品具有工程部件所必須具備的高耐熱性、抗沖性及耐油性，與以往金屬制油盤相比，質量輕60%；且由于具有優異的流動性，可高頻率和短周期地進行產品成型加工。與一般PA6制產品相比，新產品除了可降低生產成本外，隨著車輛的輕量化，燃油費和CO2的排放量都可以減少，是一種環保型產品。該產品已在法國標致的最新車型“標致-508”上實際安裝使用。

DIC公司活性自由基聚合技術工業化

石油化學新報（日），2013（4729）：16

DIC公司成功工業化采用活性自由基聚合技術生產最尖端領域用高附加值材料，利用該技術生產了氟系高功能添加劑產品。活性自由基聚合是指在聚合反應過程中，無論在反應初始還是鏈增長階段，均不會發生使聚合物末端失活的副反應，是一種高精度的合成反應。通過活性自由基聚合可得到各種不同長度分子的聚合物，通過在聚合物中添加新單體，進行再聚合，就可合成均勻且構造堅固的嵌段聚合物。以往工業上采用的自由基聚合，聚合物分子的長度不能控制。而活性自由基聚合可做到聚合物相對分子質量均勻化和官能團排列可控。加入少量采用活性自由基聚合開發的氟系高功能添加劑，即可形成高度平坦且均勻的涂層，可用于智能手機、電視、手提電腦等顯示裝置及半導體等。

北京斯伯樂丙烯酸精制阻聚劑獲發明專利

北京斯伯樂科技發展有限公司自主研發的一種用于丙烯酸精制過程的超強多功能阻聚劑的制備技術獲得國家發明專利授權。該公司自主合成了烷基胺化合物核心關鍵阻聚組分，同時在產品體系中引入金屬鈍化和清凈分散成分。該技術徹底克服了傳統的丙烯酸精制阻聚劑（對苯二酚、銅鹽、吩噻嗪等）用量大、性質單一的缺陷，能有效延長丙烯酸精制裝置的運行周期，并提高丙烯酸的產量和質量，使丙烯酸生產獲得更高的經濟效益。

中國石油錦州石化公司異丙醇熱集成改造節約蒸汽35%

中國石油錦州石化公司一套100 kt/a異丙醇裝置節能改造后正常運行，標志著該公司異丙醇熱集成項目改造取得成功。該公司為使自主研發的特色產品實現技術升級，制定了熱集成改造項目方案，在裝置大修中擇機實施。熱集成項目成功應用后，實現了異丙醇裝置工藝流程優化和熱量合理應用，蒸汽消耗比改造前同比下降35%以上，提高了特色產品的市場競爭力。

Energy System Optimization for Processing Low-Molecular Fuel/Chemicals

Hua Ben
（Natural Gas Utilizing Research Center of South China University of Technology，Guangdong Guangzhou 510640，China）

The new feedstock prospect of organic chemical industry in the incoming low carbon era was reviewed. For continuingly emerged innovative processes from coal，biomass or light hydrocarbon to low molecule fuel/chemicals，with the features of low temperature reactors and fractionators，this paper presented and explained a systematic energy optimization method，which including reducing total energy consumption in the processes，lowering total exergy dissipation，heat integration among multi-fractionators，as well as utilizing low grade heat from nearby petrochemical plants by circulating hot water media. Using this method of“Use Energy Scientif cally”could result in a great deal of energy conservation.

low molecule fuel/chemicals；system optimization；utilization of low grade heat；energy conservation

1000 - 8144（2014）01 - 0001 - 08

TQ 025

A

2013 - 05 - 03；［修改稿日期］ 2013 - 09 - 11。

華賁（1937—），男，遼寧省沈陽市人，大學，教授，電話 020 - 87113744，電郵 cehuaben@scut.edu.cn。