堵祖蔭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

化工過(guò)程節(jié)能技術(shù)和能耗的計(jì)算系列講座（1）

化工過(guò)程節(jié)能

堵祖蔭

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)過(guò)程節(jié)能的三個(gè)方面，即結(jié)構(gòu)節(jié)能，管理節(jié)能和技術(shù)節(jié)能。

工業(yè)過(guò)程節(jié)能；結(jié)構(gòu)節(jié)能； 管理節(jié)能； 技術(shù)節(jié)能

一個(gè)國(guó)家、一個(gè)行業(yè)，乃至一個(gè)企業(yè)的能耗水平是由錯(cuò)綜復(fù)雜的多種因素影響決定的，如自然條件、經(jīng)濟(jì)體制、經(jīng)濟(jì)因素、管理水平、政策傾向、社會(huì)因素、技術(shù)水平等。我們將節(jié)能的這些因素歸結(jié)為三個(gè)方面，即結(jié)構(gòu)節(jié)能、管理節(jié)能、技術(shù)節(jié)能。

1 結(jié)構(gòu)節(jié)能

據(jù)有關(guān)部門的測(cè)算顯示，我國(guó)能源利用率為33 %，與世界先進(jìn)水平相差10個(gè)百分點(diǎn)。與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)在能源效率、單位產(chǎn)品能耗等方面仍然存在較大差距。目前，我國(guó)萬(wàn)元產(chǎn)值能耗是世界平均水平的2倍多，主要產(chǎn)品能耗比世界先進(jìn)水平高40 %。

我國(guó)的單位產(chǎn)值能耗之所以很高，除技術(shù)水平和管理水平落后外，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理也是重要的原因。經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)包括產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、企業(yè)結(jié)構(gòu)、地區(qū)結(jié)構(gòu)等。

1.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

不同行業(yè)、不同產(chǎn)品對(duì)能源的依賴程度是不同的，有些能耗高，有些能耗低。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，若增加節(jié)能型工業(yè)（如儀表、電子等）的比重，減少耗能型工業(yè)（如鋼鐵、化肥等）的比重，全國(guó)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)就會(huì)朝節(jié)能的方向發(fā)展。但國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各個(gè)工業(yè)之間存在著客觀的比例關(guān)系，因此，應(yīng)研究合理的節(jié)能型產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向節(jié)能型方向發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也應(yīng)努力向高附加值、低能耗的方向發(fā)展。在化學(xué)工業(yè)中，發(fā)達(dá)國(guó)家在20世紀(jì)80年代就開始重點(diǎn)發(fā)展耗能少、附加值高的精細(xì)化工產(chǎn)品，1985年精細(xì)化工產(chǎn)值占化學(xué)工業(yè)產(chǎn)值的53 % ～ 63 %，到20世紀(jì)90年代一般在60 %以上；而我國(guó)才只有35 %左右。石油化工、精細(xì)化工、生物化工、醫(yī)藥工業(yè)及化工新型材料等能耗低而附加產(chǎn)值高的行業(yè)適宜大力發(fā)展。

1.3 企業(yè)結(jié)構(gòu)

調(diào)整生產(chǎn)規(guī)模結(jié)構(gòu)是節(jié)能降耗的重要途徑。與大型裝置相比，中、小裝置一般單位產(chǎn)品能耗較高，經(jīng)濟(jì)效益較差。所以應(yīng)該有計(jì)劃、有步驟地調(diào)整企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)，新建化工裝置應(yīng)當(dāng)選擇經(jīng)濟(jì)規(guī)模較大的大型企業(yè)（裝置），缺乏競(jìng)爭(zhēng)力的小企業(yè)（裝置）應(yīng)關(guān)、停、并、轉(zhuǎn)。

1.4 地區(qū)結(jié)構(gòu)（資源配置）

地區(qū)結(jié)構(gòu)的調(diào)整主要是指資源的優(yōu)化配置，調(diào)整部分耗能型工業(yè)的地區(qū)結(jié)構(gòu)。高耗能產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)當(dāng)在能源富裕地區(qū)或礦產(chǎn)資源就近地區(qū)，這樣，不僅能保證產(chǎn)品的生產(chǎn)有充足的能源供應(yīng)，而且從全局來(lái)看，可以節(jié)省很多能源。在化學(xué)工業(yè)方面，乙烯生產(chǎn)基地應(yīng)靠近油田或大型煉油廠；東部地區(qū)集中了我國(guó)主要油田，又有地處沿海便于進(jìn)口石油的條件，適宜發(fā)展石油化工；我國(guó)中部地區(qū)煤炭資源豐富，適宜發(fā)展煤化工； 我國(guó)西部和東南沿海地區(qū)天然氣資源豐富，適宜發(fā)展天然氣化工。

2 管理節(jié)能

管理節(jié)能主要有兩個(gè)層次的管理：宏觀調(diào)控層次和企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層次。

宏觀調(diào)控層次的節(jié)能管理主要是指國(guó)家通過(guò)法律、法規(guī)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行規(guī)范，通過(guò)價(jià)格政策、稅收等手段對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行調(diào)控，以降低能源消耗。

企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理層次的節(jié)能管理主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）建立健全能源管理機(jī)構(gòu)，為了落實(shí)節(jié)能工作，必須有相對(duì)穩(wěn)定的節(jié)能管理隊(duì)伍去管理和監(jiān)督能源的合理使用，制定節(jié)能計(jì)劃，實(shí)施節(jié)能措施，并進(jìn)行節(jié)能技術(shù)培訓(xùn)。

（2）建立企業(yè)的能源管理制度，對(duì)各種設(shè)備及工藝流程，要制定操作規(guī)程，對(duì)各類產(chǎn)品，制定能耗定額，對(duì)節(jié)約能源和浪費(fèi)能源，有相應(yīng)的獎(jiǎng)懲制度等。

（3）合理組織生產(chǎn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)原料、能源、生產(chǎn)任務(wù)的實(shí)際情況，確定使用多少設(shè)備，以確保設(shè)備的合理負(fù)荷率，合理利用各種不同品位、質(zhì)量的能源，根據(jù)生產(chǎn)工藝對(duì)能源的要求分配使用能源，協(xié)調(diào)各工序之間的生產(chǎn)能力及供能和用能環(huán)節(jié)等。

（4）加強(qiáng)計(jì)量管理，沒有健全的能量計(jì)量，就難以對(duì)能源的消費(fèi)進(jìn)行正確的統(tǒng)計(jì)和核算，更難以推動(dòng)能量平衡、定額管理、經(jīng)濟(jì)核算和計(jì)劃預(yù)測(cè)等一系列科學(xué)管理工作的深入開展。因此各企業(yè)必須完善計(jì)量手段，建立健全儀表維護(hù)檢修制度，強(qiáng)化節(jié)能監(jiān)測(cè)。

3 技術(shù)節(jié)能

3.1 工藝節(jié)能

化工工藝過(guò)程節(jié)能的范圍很廣，方法繁多，化工生產(chǎn)行業(yè)甚多，生產(chǎn)過(guò)程又相當(dāng)復(fù)雜，這里只概括地給出工藝節(jié)能的基本方向。

工藝技術(shù)中首先是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，化學(xué)反應(yīng)過(guò)程取決于催化劑和化學(xué)反應(yīng)工程，它們的優(yōu)劣不但決定了化學(xué)反應(yīng)過(guò)程本身所需能耗，而且它所提供的產(chǎn)物組成和狀態(tài)對(duì)分離過(guò)程能耗也起著決定性的作用，因此它是首要的，其次是分離工程。

（1）催化劑和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程節(jié)能

催化劑是化學(xué)工藝中的關(guān)鍵物質(zhì)?，F(xiàn)有的化學(xué)工藝約有80 %是采用催化劑的，而在新的即將投入工業(yè)生產(chǎn)的工藝中，約有90 %采用催化劑。

催化劑也是工業(yè)節(jié)能中的關(guān)鍵物質(zhì)，這是因?yàn)椋环N新的催化劑可以形成一種新的更有效的工藝過(guò)程，或者可以緩和反應(yīng)條件，使反應(yīng)在較低的溫度和壓力條件下進(jìn)行，就可以節(jié)省把反應(yīng)物加熱和壓縮到反應(yīng)條件所需的能量；或者選擇性提高，使副產(chǎn)物減少，生成物純度提高，既節(jié)省原料消耗，又降低了后續(xù)精制過(guò)程的負(fù)荷和能耗；或者反應(yīng)活性提高，降低了反應(yīng)過(guò)程的推動(dòng)力，減少了反應(yīng)能耗。

絕大多數(shù)反應(yīng)過(guò)程都伴隨有流體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等過(guò)程，每種過(guò)程都有阻力，為了克服阻力推動(dòng)過(guò)程進(jìn)行，就需要消耗能量。若能減少阻力，就可降低能耗。同時(shí)，一般的反應(yīng)都有明顯的熱效應(yīng)，對(duì)吸熱反應(yīng)有合理供熱的問題，而對(duì)放熱反應(yīng)有合理利用的問題。

（2） 分離過(guò)程和化工單元操作工藝節(jié)能

分離工程的能耗在化工、煉油工業(yè)中約占40 % ～ 70 %，分離過(guò)程的節(jié)能取決于分離的工藝、所采用的化工單元操作和其系統(tǒng)的能量集成。

圖1 化工分離過(guò)程Fig.1 Chemical separation process

化工分離過(guò)程見圖1。

原料的形態(tài)可以是氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，在實(shí)際生產(chǎn)中，分離過(guò)程由多個(gè)化工單元操作構(gòu)成，它們用工藝管道按照一定的順序和規(guī)定條件形成化工過(guò)程網(wǎng)絡(luò)（工藝流程）。

分離工藝是決定性，它決定了分離的效果和所需消耗的能量，它所采用的分離方法和流程順序決定了所采用的分離單元操作的種類和數(shù)量。

分離單元操作很多，主要是傳質(zhì)分離的化工單元操作，如精餾、吸收、萃取、吸附、蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥、浸取、膜分離等。其次有機(jī)械分離如過(guò)濾、離心分離等。

在工程上為實(shí)現(xiàn)分離過(guò)程的工藝物料必需的溫度、壓力等工藝條件和要求，還應(yīng)配備加熱、冷卻、流體流動(dòng)與壓縮、攪拌與混合等輔助（支撐）單元化工操作。

這些支撐（輔助）化工單元操作，是輸入能量（或回收能量）的操作單元。它的能耗是工藝成分分離過(guò)程能耗的基本內(nèi)容。

分離過(guò)程能耗取決于：

①分離過(guò)程采用的分離工藝（工藝方法和工藝流程），因此分離工藝的優(yōu)化和改進(jìn)，可能會(huì)給分離過(guò)程節(jié)能帶來(lái)根本性的變化。

②分離過(guò)程采用的化工單元操作的工藝性能。對(duì)于各分離化工單元操作，有其內(nèi)容豐富的工藝節(jié)能技術(shù)，考慮到蒸餾操作在分離過(guò)程中特別重要地位，它幾乎是每個(gè)分離過(guò)程不可缺少的選擇，它在化學(xué)工業(yè)和煉油工業(yè)中約占分離過(guò)程能耗70 % ～ 90 %，故在后續(xù)的講座中將對(duì)蒸餾過(guò)程的工藝節(jié)能技術(shù)作系統(tǒng)介紹。

③分離過(guò)程所采用的化工單元操作設(shè)備的工藝效率和節(jié)能效率。

3.2 化工單元操作設(shè)備節(jié)能

化工單元操作設(shè)備種類很多，包括塔設(shè)備（精餾、吸收、萃取等），流體輸送、壓縮設(shè)備（泵、壓縮機(jī)等）和換熱設(shè)備（鍋爐、加熱爐、換熱器、加熱器、冷卻器等）和其他設(shè)備（吸附、蒸壓、結(jié)晶、干燥等），每一類設(shè)備都有其特有的節(jié)能方式。

（1）塔設(shè)備：采用高效、低阻力降的新型塔板，新型填料。

（2）流體輸送和壓縮設(shè)備：

①選用合適的液體機(jī)械，避免大馬拉小車的情況，避免造成能量浪費(fèi)。

②選擇合適的流量調(diào)節(jié)方式，對(duì)可變負(fù)荷的設(shè)備，采用調(diào)速控制。

③合理選擇經(jīng)濟(jì)流速，求取最佳管徑。

（3）換熱設(shè)備：

①加強(qiáng)設(shè)備保溫、防止結(jié)垢，保持合理傳熱溫差，強(qiáng)化傳熱。

②采用高熱效率的鍋爐和加熱爐，控制過(guò)量空氣，提高燃燒特性。

3.3 化工過(guò)程系統(tǒng)能量集成和節(jié)能

化工過(guò)程系統(tǒng)節(jié)能是指從整個(gè)系統(tǒng)合理用能的角度，把整個(gè)系統(tǒng)集成起來(lái)作為一個(gè)整體對(duì)待，所進(jìn)行的節(jié)能工作。

化工過(guò)程系統(tǒng)是由若干個(gè)化工單元操作構(gòu)成，而化工單元操作由一個(gè)或若干個(gè)化工單元設(shè)備構(gòu)成，如流體輸送、壓縮單元操作由泵或壓縮機(jī)構(gòu)成，而典型的蒸餾單元操作則由蒸餾塔、冷凝器、再沸器、回流罐和回流泵等化工單元設(shè)備構(gòu)成。

化工過(guò)程系統(tǒng)通過(guò)工藝管道將各工藝單元操作按一定順序連接起來(lái)，通過(guò)這些管道將上游的工藝物料和能量送入下游的工藝單元。由于系統(tǒng)原料進(jìn)料和產(chǎn)品出料，以及系統(tǒng)內(nèi)上游單元輸送物料的工藝條件（溫度、壓力）不一定是下游單元適宜的工藝條件，因此，物料輸送伴隨著能量供應(yīng)、轉(zhuǎn)換、利用、回收等環(huán)節(jié)。

（1）壓力條件的差異，需要泵、壓縮機(jī)、節(jié)流閥來(lái)調(diào)整，泵、壓縮機(jī)需外部輸入能量（電力和蒸汽或工藝介質(zhì)），物料通過(guò)節(jié)流閥時(shí)，由于其熱力學(xué)的不可逆性，要造成能量損失，應(yīng)在適宜的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，用氣體膨脹機(jī)、或液力透平代替節(jié)流閥，所回收能量可以用以其他工藝介質(zhì)的輸送和壓縮或以電力形式輸出，以使回收能量達(dá)到合理利用。

（2）溫度條件的差異，需要各種加熱（冷卻）器和換熱器，這就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行傳熱網(wǎng)絡(luò)的研究（例如用夾點(diǎn)技術(shù)）。

應(yīng)當(dāng)指出，能量分級(jí)和“等價(jià)”使用是該研究的主要原則。

①高壓蒸汽應(yīng)先通過(guò)蒸汽透平提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，然后在合適的溫度、壓力參數(shù)下作為工藝加熱源。

②對(duì)工藝介質(zhì)顯熱利用盡可能采用逆流，分級(jí)的方式，以使其盡可能“等價(jià)”使用。

（3）低位熱能利用的節(jié)能方法：

①熱泵技術(shù)：根據(jù)系統(tǒng)要求，輸入機(jī)械功，通過(guò)壓縮使低壓蒸汽壓縮至一定壓力作為較高能位的熱源使用。

②低壓蒸汽通過(guò)透平膨脹發(fā)電。

③以低壓蒸汽吸收制冷，以代替機(jī)械（或電）制冷。

（4）通過(guò)串聯(lián)設(shè)備的梯級(jí)設(shè)備操作壓力的設(shè)置，形成多效精餾和多效蒸發(fā)的節(jié)能過(guò)程。

在上述研究基礎(chǔ)上做出系統(tǒng)的能量平衡，根據(jù)外供的和過(guò)程本身放出的能量的品位和數(shù)量，匹配過(guò)程所需的動(dòng)力和不同溫度的熱量；根據(jù)工藝過(guò)程對(duì)能量的需求和熱回收系統(tǒng)的優(yōu)化合成，對(duì)公用工程提出動(dòng)力、加熱量和冷卻的公用工程量，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓に囘^(guò)程的調(diào)整，這些就是化工過(guò)程系統(tǒng)節(jié)能的內(nèi)容。

以前的節(jié)能工作主要著眼于局部，但系統(tǒng)各部分之間有著有機(jī)的聯(lián)系。隨著過(guò)程系統(tǒng)工程和熱力學(xué)分析兩大理論的發(fā)展及其相互結(jié)合與滲透，產(chǎn)生了過(guò)程系統(tǒng)節(jié)能的理論方法，把節(jié)能工作推上了一個(gè)新的高度。

3.4 控制節(jié)能

控制節(jié)能包括兩個(gè)方面：一方面是節(jié)能需要操作控制，另一方面是通過(guò)操作控制節(jié)能。

節(jié)能需要操作控制。通過(guò)儀表加強(qiáng)計(jì)量工作，做好生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的能量衡算和用能分析，是節(jié)能的基礎(chǔ)工作。節(jié)能改造之后，回收利用了各種余熱，使物流與物流、設(shè)備與設(shè)備等之間的相互聯(lián)系和相互影響加強(qiáng)了，導(dǎo)致生產(chǎn)操作的彈性縮小，更要求采用相應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行操作。

另外，為了搞好生產(chǎn)運(yùn)行中的節(jié)能，必須加強(qiáng)操作控制。例如產(chǎn)品純度準(zhǔn)確控制不夠是引起過(guò)程能量損失的一個(gè)主要原因。所以一些設(shè)備留有頗大設(shè)計(jì)裕度，使產(chǎn)品的純度高于所需的純度，大大增加了能耗。

在生產(chǎn)過(guò)程中，各種參數(shù)的波動(dòng)是不可避免的，如原料的成分、氣溫、市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的需求、蒸汽需求量等，若生產(chǎn)優(yōu)化條件能隨著這些參數(shù)的變化相應(yīng)變化，將能取得很大的節(jié)能效果。計(jì)算機(jī)使得這種優(yōu)化控制成為了可能。

控制節(jié)能投資小、潛力大、效果好，是大有發(fā)展的節(jié)能途徑。

[1]馮霄. 化工節(jié)能原理與技術(shù)（第三版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]中國(guó)化工節(jié)能技術(shù)協(xié)會(huì). 化工節(jié)能技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[3]雷志剛，代成娜. 化工節(jié)能技術(shù)原理與技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[4]李鑫鋼. 蒸餾過(guò)程節(jié)能與強(qiáng)化技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[5]平田光穗. 實(shí)用化工節(jié)能技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988.

[6]陳安民. 石油化工過(guò)程節(jié)能方法和技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)石化出版社，1995.

Energy Saving in Chemical Process

Du Zuyin

（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai200120）

In this article, three aspects in energy saving, that is energy saving from structure design, management and technology, for industrial production were introduced.

energy saving in industrial production; energy saving from structure design; energy saving from management; energy saving from technology

編者按應(yīng)讀者需求，本刊自今年第一期開辟了工程技術(shù)系列講座，首次講座為化工過(guò)程技術(shù)開發(fā)系列，共分四期刊出，受到了廣大工程技術(shù)人員的歡迎。系列講座繼續(xù)推出第二講，化工節(jié)能技術(shù)系列講座，系統(tǒng)介紹化工過(guò)程節(jié)能技術(shù)和能耗計(jì)算方面的有關(guān)內(nèi)容,以饗讀者。本講座老師長(zhǎng)期從事石油化工的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)實(shí)踐，對(duì)化工工藝、化工裝置、節(jié)能技術(shù)和能耗計(jì)算等有深厚的造詣，是乙烯生產(chǎn)領(lǐng)域設(shè)計(jì)和化工節(jié)能技術(shù)的資深專家。系列講座將節(jié)能因素進(jìn)行了歸納，從結(jié)構(gòu)節(jié)能、管理節(jié)能、技術(shù)節(jié)能三個(gè)方面探討了工業(yè)過(guò)程節(jié)能。該文具有廣泛的可讀性，也請(qǐng)各位同行討論并提出意見和建議。本系列講座預(yù)設(shè)五講，將自本期起陸續(xù)刊出，歡迎廣大讀者積極參與討論與交流。

TQ 013.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-817X（2017）05-0061-005

2017-08-07

堵祖蔭（1937—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事石油化工規(guī)劃、設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā)工作。