化工廠節能研究

孫蘭濤

（天津樂金渤?；瘜W有限公司，天津 300452）

改革開放以來，工業企業獲得了長足的發展，國家對企業的能耗也越來越重視，在十一五及十二五規劃中，均提到了能耗的下降。雖然各企業積極響應國家號召，企業能耗也在逐年下降，但是與世界先進水平相比還是有一定的差距。隨著經濟的不斷發展，化工廠之間的競爭越來越激烈，各企業為了增加競爭力，也紛紛尋找成本節儉方案。而能源消耗，是化工產品成本的重要組成部分，所以，各企業下大力氣尋找節能降耗的方案。

化工廠的能源消耗主要是指電、蒸汽以及燃料氣（包括天然氣、氫氣等）。以下從3個方面對節能進行說明。

1 電

化工廠電的用戶主要包括：泵、風機、壓縮機及照明等。其中，照明通過使用節能燈具等措施，即可達到節能的目的。而泵、風機及壓縮機則可以通過分析其能量組成等，找到其中的能量浪費點，從而達到節能目的。

1.1 泵

對于泵來說，其電機總功率與泵的有效功率及泵的效率、電機效率有關。其中，泵的有效功率與輸送介質的性質及要求有關系，泵的效率與泵的設計有關系，電機的效率與電機制造商有關，一般其效率均在90%以上。

對于泵來說，一般輸送介質的性質及要求確定了，泵的有效功率就可以確定：

式中，ρ 為輸送液體的密度，kg/m3；g 是重力加速度，m/s2；Q 液體的體積流量，m3/s（如果單位是m3/h 的話，需要進行轉換）；H 為輸送液體需要的揚程，m。有效功率只與輸送介質的性質（密度）及要求（流量及揚程）有關，與泵無關。但是，泵的效率與泵有直接關系。一般情況下，如果泵的設計曲線與工藝需要匹配的好，泵的效率可以達到90%以上。離心泵的設計效率從10%～90%都有，常用離心泵的設計效率在30%～80%，比轉速高的泵效率高一些。一般來說，大流量、低揚程泵的效率相對高一些。

泵的效率低除了設計因素以外，最關鍵的是泵的設計曲線與工藝需要的匹配，匹配度高，泵的效率就高，反之亦然。如何才能通過簡單的改造達到節能的目的，常用的方法有2種，一是對泵重新設計，另外就是增加變頻器。

泵的重新設計，可以讓廠家進行計算，最簡單的方法是只進行泵的葉輪改造，使新泵的性能曲線更加匹配工藝需要，這樣就可以提高泵的效率，從而達到節能目的。天津樂金渤海化學有限公司曾經在2010年前后，對裝置中的5臺循環水泵進行了改造，改造后，泵的效率從56.3%提高至80%以上，大大節省了裝置的電能。

通過增加變頻器對泵進行變頻改造，其原理也是通過變頻，使泵的性能更加匹配工藝需要，從而達到節電目的。

比如工藝需要將水加壓至0.5 MPa，而泵的出口壓力是1 MPa，這樣，泵出口有0.5 MPa 的壓力損失，這些損失點是減壓用的手閥或是調節閥等。所以，對于泵的節能，最重要的是泵的設計參數符合工藝需要，這樣的話，可以最大限度的降低能源浪費。

1.2 壓縮機與鼓風機

對于壓縮機以及鼓風機而言，可能要復雜一些。其功率計算公式是：

式中，P 為風機的功率，kW；Q 為風量，m3/h；p 為風機的全風壓，Pa，包括靜壓與動壓，靜壓是用于客服管道阻力，動壓是氣體保持流動的動力。

式中：η0-風機的內功率，一般取0.75～0.85，小風機取低值、大風機取高值；η1-機械效率，（1）風機與電機直聯取1；（2）聯軸器聯接取0.95～0.98；（3）用三角皮帶聯接取0.9～0.95。

從公式中可以看出，風機的效率與風機出口的全壓力成正比，如果能夠在工藝允許的范圍內降低風機的出口壓力的話，可以大大降低風機的運行效率，也就是要考慮工藝需求與壓縮機或鼓風機的設計數據是一致的，這樣就可以避免能源的不必要的浪費。

2 蒸汽

2.1 精餾塔

2.1.1 進料位置

對于精餾塔來說，其原理是塔盤上的氣液平衡，也就是部分氣化和部分冷凝。對于一次氣化和冷凝來說，由于液體混合物中所含的組分的沸點不同，當在一定溫度下部分氣化時，因低沸點物易于氣化，在氣相中的濃度較液相高，而液相中高沸點物的濃度較氣相高。這就改變了汽液兩相的組成。當對部分氣化所得蒸汽進行部分冷凝時，因高沸點物易于冷凝，使冷凝液中高沸點物的濃度較氣相高，而冷凝氣中低沸點物的濃度比冷凝液中要高，這樣經過一次部分氣化和部分冷凝，使混合液通過各組分濃度的改變得到了初步分離。如果多次的這樣進行下去，將最終在液相中留下的基本上是高沸點的組分，在氣相中留下的基本上是低沸點的組分。由此可見，多次部分氣化和部分冷凝同時進行就可以將混合物分離為純或比較純的組分。

精餾塔的作用是物料分離，如果進料的組成與其所在塔盤處物料的組成相似，則會大大提高塔的運行效果。而如果相差過大，塔由于混入了與其組成不匹配的物料而使其組成發生跳躍，要分離就需要更多的能量，最終結果也就是塔效率下降及能量的浪費。

2.1.2 回流比

對塔來說，底部蒸汽提供了物料氣化所需要的熱量，同時，頂部的冷凝器為其提供物料冷凝所需要的冷量，而控制其冷量的方式是通過回流，頂部回流與底部蒸汽是匹配的，頂部回流越大，底部需要的蒸汽量就會越大。而回流如果過小，則會發生分離效果不理想的情況。所以，在滿足分離效果的情況下，盡量降低塔的回流，也會減少塔的蒸汽消耗量。

對于塔的節能，還有一種方法是降低塔的壓力。塔壓下降，則塔中的物料更容易氣化，氣化所需要的蒸汽量就會降低，但同時，塔壓下降在一定程度上會增加塔頂物料的冷凝難度，使塔頂需要的冷卻水的流量增加。

2.2 加熱器

化工廠中的加熱節能，對于整個工廠來說，首先做能量平衡，把所有需要蒸汽加熱的地方與需要用循環水等冷卻的地方進行統計，把物料需要達到的條件以及現在的蒸汽、循環水的用量、溫差等進行對比。如果有一種物料需要加熱而另一種物料需要冷卻的話，這2種物料之間可以考慮先進行換熱，然后再用加熱器或是冷卻器調整至所需要的溫度，這種情況是最節能的。該公司曾經通過對塔的塔底出料與其進料直接換熱，大大節省了塔的蒸汽用量以及塔底循環水的用量。

在考慮以上情況的時候，不僅要考慮高溫加熱的物料，還要考慮低溫加熱的情況。該公司使用進口的乙烯，在乙烯罐中儲存后，液體低溫乙烯通過蒸汽加熱氣化后送至裝置中使用。對其進行改造，用循環水對乙烯初步加熱，使其由液體氣化，然后用蒸汽進一步加熱至所需要的溫度，大大節省了蒸汽用量。該公司還計劃進一步改造，用其他部門的冷凍水對乙烯加熱，把冷凍機停用，這些都是考慮能量匹配的問題。

2.3 蒸汽伴熱

化工廠的蒸汽伴熱非常廣泛，節能措施也非常簡單：一個是保溫狀況好不好，對保溫效果不好的地方進行改造；另一個是疏水器是否是新型節能的，如果不是進行更換。也有些工廠考慮將蒸汽伴熱改為熱水伴熱，利用裝置中無處使用的熱水的熱能伴熱，但是要考慮伴熱的要求，伴熱管線需要達到的溫度，如果使用水伴熱，需要考慮管道尺寸是否可以滿足等等，此處也不再贅述。

2.4 其他情況

裝置中的蒸汽有3個等級：高壓、中壓以及低壓蒸汽。高壓及中壓蒸汽在裝置中非常好用，如果壓力過高可以通過減壓閥減壓實現，但是如果壓力過低（比如說壓力只有1～2 kg/cm2·g），有時找不到合適的用戶會白白放空。比較簡單的方法是增加噴射器，通過高壓或是中壓蒸汽減壓過程，吸入一部分低壓蒸汽，來提高低壓蒸汽的壓力。當然，也可以考慮通過壓縮機加壓，將低壓蒸汽壓力上升后使用，但是這種情況的能量浪費嚴重：不僅蒸汽產量低且需要大量的電能。

如果裝置中的蒸汽冷凝液壓力足夠高，也可以考慮其閃蒸生產蒸汽。裝置中的中壓蒸汽冷凝液（壓力0.4 MPa），原設計送至低壓蒸汽冷凝液罐中，而低壓蒸汽冷凝液罐頂部有循環水冷卻器，為了防止水的損失，通過頂部冷卻器將蒸汽冷凝回收。通過新增加了1個閃蒸罐，將0.4 MPa 的蒸汽冷凝液閃蒸生產0.15 MPa 的蒸汽后，高溫冷凝液不再送入低壓蒸汽冷凝液罐，而直接送至脫氧器，由脫氧器收集后送至鍋爐使用。通過以上改造，節省了大約5 t/h 蒸汽量。

在高壓蒸汽減壓至中壓或是低壓蒸汽的過程中存在能量損失，有些公司考慮在調節閥處增加發電裝置，減壓的同時發電。但是此種結構非常復雜，對蒸汽壓力的穩定控制、所發電是否可并網以及投資費用等問題，還需要根據實際情況進一步研究。

3 燃料氣

天然氣的用處也非常廣泛，特別是用于裝置中的各種爐子：裂解爐、焚燒爐、蒸汽鍋爐等，還有的用于發電、各種火炬。

對于各種爐子，要想節省天然氣，有2種方案，一種是多產生熱量；另外一種是少損失熱量。

對于產生的熱量：天然氣的熱值、空氣及天然氣的溫度以及燃燒效果是主要影響因素，而產生熱量的去處有：工藝需要的熱量、煙氣帶走的熱量和爐子本身的散熱等3部分，其中，煙氣帶走的和爐子的散熱是損失掉的。要想多產生熱量，天然氣的熱值是一定的，無法控制。如果裝置中有多余的低品位熱源的話，可以考慮增加換熱器先對天然氣及空氣進行加熱，然后送至爐子中燃燒。對于天然氣來說，增加加熱器時只要考慮換熱器的壓降即可；而對于空氣來說，如果是自然通風方式的，改造會有一定的難度，因為爐子負壓操作，本身空氣的壓差就小，如果增加換熱器的話，則會進一步增加空氣的阻力，如果設計不好，則會影響空氣流量，從而影響燃燒效果。如果是強制通風方式，改造起來相對要簡單一些。相對來說，加熱天然氣要比加熱空氣簡單，但因為燃燒時，空氣流量大約是燃氣流量的10倍左右，所以其加熱效果要比加熱空氣小的多。

對于爐子損失來說，爐子本身散熱可以通過對保溫層的改造實現。最關鍵的是爐子內部保溫，如果保溫狀況不好的話，會大大加速其熱量損失?，F在有在爐子外壁做涂層的，也可以降低爐子的散熱量，最高可以耐250 ℃。但是，最重要的是做好爐子的內部保溫。

另外一個比較大的熱量損失點是爐子的煙氣損失。如果煙氣溫度過高，可以考慮在爐子上部增加換熱管，通過水或別的介質對煙氣進行冷卻。此種改造首先要考慮煙氣的露點腐蝕，其次要考慮增加換熱管后整臺爐子的壓力降，如果考慮周全的話，爐子的煙氣溫度可小于150 ℃。