石油化工節(jié)能之關(guān)鍵技術(shù)

魏 壽 彭

（北京化工大學(xué)， 北京 100029）

專家論壇

石油化工節(jié)能之關(guān)鍵技術(shù)

魏 壽 彭

（北京化工大學(xué)， 北京 100029）

討論了石油化工節(jié)能之關(guān)鍵技術(shù)，主要涉及裝置規(guī)模與節(jié)能，原料路線與節(jié)能，技術(shù)路線與節(jié)能，設(shè)備選型與節(jié)能，以及余熱回收與節(jié)能等重大節(jié)能之技術(shù)措施。還討論了化工熱力學(xué)與節(jié)能和化工系統(tǒng)工程與節(jié)能等重大理論問題在石油化工節(jié)能中的應(yīng)用。

石油化工節(jié)能； 石油化工生產(chǎn)過程； 化工熱力學(xué)； 化工系統(tǒng)工程

化學(xué)工業(yè)是用化學(xué)變化的方法將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的工業(yè)。石油化學(xué)工業(yè)是化學(xué)工業(yè)的一個重要分支。狹義的石油化學(xué)工業(yè)是指將石油轉(zhuǎn)化成汽油，煤油，柴油，潤滑油和化工原料，再將烴類（輕烴，石腦油，輕柴油和重油，渣油等）轉(zhuǎn)化成“三烯”（乙烯，丙烯和丁二烯），“三苯”（苯，甲苯和二甲苯），再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成合成樹脂（塑料），合成纖維和合成橡膠的工業(yè)。廣義的石油化學(xué)工業(yè)則包括傳統(tǒng)的無機(jī)化工，有機(jī)化工，新興的精細(xì)化工，新材料化工，生物化工，現(xiàn)代煤化工和天然氣化工[1]。

生產(chǎn)石油化工產(chǎn)品的核心技術(shù)是化學(xué)反應(yīng)，而原料和產(chǎn)物的提純和分離也是必不可少的步驟。生產(chǎn)石油化工產(chǎn)品的化學(xué)反應(yīng)大多在高溫下進(jìn)行，原料需要加熱，產(chǎn)物需要冷卻，為了工藝過程的需要，也為了節(jié)能，必須進(jìn)行加熱，冷卻，蒸發(fā)，冷凝，換熱等操作。此外，為了保證生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，必須使用機(jī)，泵輸送流體。顯然，有了反應(yīng)設(shè)備，分離設(shè)備，換熱和設(shè)備和流體輸送設(shè)備即可組織石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)[2]。

為了使石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程運(yùn)行在最佳狀態(tài)，以其獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，使其成本最小化，降低單位產(chǎn)品的物耗和能耗最為關(guān)鍵[3]。這其中，反應(yīng)過程和分離過程不但直接影響物耗，也影響能耗，而換熱過程和流體輸送過程則直接影響能耗。因此，研究反應(yīng)過程，分離過程，換熱過程和流體輸送過程的規(guī)律，至關(guān)重要。理論研究表明：流體輸送過程為動量傳遞過程，換熱過程為動量傳遞過程和能量傳遞過程，分離過程為動量傳遞過程，能量傳遞過程和質(zhì)量傳遞過程，而反應(yīng)過程即包括動量傳遞過程，能量傳遞過程和質(zhì)量傳遞過程，也包括化學(xué)反應(yīng)過程。所以，研究動量傳遞過程，能量傳遞過程，質(zhì)量傳遞過程和化學(xué)反應(yīng)過程的規(guī)律，即“三傳一反” 的規(guī)律，對確保石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程運(yùn)行在最佳狀態(tài)具有重要意義[2]。

石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程的節(jié)能，即可在理論指導(dǎo)下進(jìn)行，也可憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行；即可定性地加以論述，也可定量地加以計(jì)算。下面，將對石油化工節(jié)能之關(guān)鍵技術(shù)加以論述。

1 定性的石油化工節(jié)能技術(shù)

1.1 裝置規(guī)模與節(jié)能[4,5]

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高新科技的采用，石油化工生產(chǎn)裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，“裝置規(guī)模越大，能耗越低”早已成為不爭的事實(shí)。

以乙烯生產(chǎn)為例，20世紀(jì)70年代，我國第一套引進(jìn)的30 萬t/a乙烯裝置在北京燕山石化建成投產(chǎn)，第一套引進(jìn)的11.5 萬t/a乙烯裝置在上海建成投產(chǎn)。這在當(dāng)時條件下，其規(guī)模還是可以接受的。其后，隨著“改革開放”的進(jìn)行，引進(jìn)規(guī)模的擴(kuò)大，引進(jìn)裝置的規(guī)模也越來越大。原有裝置則不斷進(jìn)行“擴(kuò)能改造”。進(jìn)入新世紀(jì)后，楊子巴斯夫60 萬t/a（2005年），福建80 萬t/a（2005年），稍后，茂名（2006年）獨(dú)山子（2009年）天津（2010年）鎮(zhèn)海（2010年）百萬噸/年級乙烯裝置相繼投產(chǎn)，各大型乙烯裝置也經(jīng)新一輪改造擴(kuò)能到60～80 萬t/a規(guī)模。其中，撫順乙烯擴(kuò)能到100 萬t/a的裝置也將于年內(nèi)投產(chǎn)。

以天津乙烯為例，由于采用新工藝和新技術(shù)，乙烯綜合能耗僅為580 kg標(biāo)油/t，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。另據(jù)全球領(lǐng)先的基準(zhǔn)評比公司Solomon發(fā)布的全球乙烯裝置績效評價結(jié)果，上海賽科2010年已擴(kuò)建到109百萬t/a級的乙烯裝置能耗水平在全球108套乙烯裝置中名列第二。

不過，就整體水平而言，我國乙烯與國際先進(jìn)水平相比，還存在一定差距。例如，在裝置規(guī)模方面，世界最大的乙烯生產(chǎn)聯(lián)合體Jam石油化工聯(lián)合體，日前在伊朗建設(shè)的年產(chǎn)132.1萬t乙烯裝置已投產(chǎn)。中東在建的乙烯裝置為150萬t/a，擬建的乙烯裝置為180萬t/a。加拿大已投產(chǎn)的以輕烴為原料的乙烯裝置為170萬t/a，美國以石腦油輕柴油為原料的乙烯裝置為130萬t/a。

又如，我國臺灣臺塑六輕現(xiàn)有乙烯原料年產(chǎn)能達(dá)170萬t，為臺灣最大的乙烯生產(chǎn)廠商；六輕四期計(jì)劃，擬再增建一套年產(chǎn)能乙烯達(dá)120萬t的輕油裂解廠，擴(kuò)建計(jì)劃完成后，六輕的乙烯年產(chǎn)能將達(dá)到290萬t，躍居為遠(yuǎn)東地區(qū)最大的乙烯生產(chǎn)基地。

1.2 原料路線與節(jié)能[4]

仍以乙烯為例，在乙烯裝置產(chǎn)品成本的構(gòu)成中，原料約占60%～80%，因此，乙烯裝置原料路線的選擇至關(guān)重要。乙烯裝置原料路線的選擇取決于原料和產(chǎn)品的市場價格，原料和裂解方案確定后的產(chǎn)品分布。世界各國和地區(qū)多有所不同。例如，美國和北美多使用石腦油為原料，西歐用乙烷和輕烴，我國則使用天然氣凝析油，輕烴，石腦油，輕柴油和加氫尾油等。不過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明：裂解原料的輕質(zhì)化可獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

由于油氣資源豐富，中東各國主要以直接來自氣田和油田的乙烷、丙烷、丁烷、凝析油以及液化石油氣等輕質(zhì)烴為原料生產(chǎn)下游石化產(chǎn)品。這些原料稍經(jīng)液化分離即可得到，價格遠(yuǎn)比需要經(jīng)原油煉制才能得到的石腦油等原料便宜。中東的乙烯生產(chǎn)成本最低達(dá)100美元/t，而美國墨西哥灣沿岸為250美元/t，亞太地區(qū)（如馬來西亞、澳大利亞、印度）采用乙烷為原料生產(chǎn)的乙烯成本為200～240美元/t。而我國用石腦油裂解裝置生產(chǎn)乙烯的平均成本高達(dá)530美元/t，比中東地區(qū)高出4倍多。

不言而喻，裂解原料的輕質(zhì)化不僅可以獲得很大的經(jīng)濟(jì)效益，同時，還可以明顯地降低單位產(chǎn)量的能耗。

1.3 技術(shù)路線與節(jié)能[4]

技術(shù)路線的科學(xué)性，先進(jìn)性和合理性是低物耗和低能耗的先決條件。

仍以乙烯為例，理論分析表明裂解反應(yīng)的特點(diǎn)是：強(qiáng)吸熱反應(yīng)，因此，無論從熱力學(xué)角度，還是從動力學(xué)角度，反應(yīng)溫度必須要高，根據(jù)動力學(xué)數(shù)據(jù)優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果表明：停留時間越短，乙烯收率越高。又由于裂解反應(yīng)是體積增加反應(yīng)，所以，降低烴分壓有利于反應(yīng)向生成乙烯方向進(jìn)行。于是“高溫，短停留時間，降低烴分壓”就是乙烯裂解反應(yīng)的技術(shù)關(guān)鍵，也是選擇乙烯裂解反應(yīng)關(guān)鍵設(shè)備——裂解爐的指南[3]。

目前，世界上乙烯生產(chǎn)裝置在技術(shù)路線上的主要區(qū)別在于選擇不同型式的管式裂解爐和不同的分離流程[4]。

乙烯裂解爐通常是根據(jù)工藝特點(diǎn)定制的。目前國內(nèi)的乙烯裝置多是購買國外的先進(jìn)工藝技術(shù)專利，裂解爐根據(jù)工藝設(shè)計(jì)由設(shè)計(jì)方指定的幾個廠家進(jìn)行投標(biāo)產(chǎn)生。管式裂解爐的主要爐型有[1]：

（1）CBL型裂解爐，即國產(chǎn)乙烯裂解爐。

（2）SRT型裂解爐（魯姆斯公司）：短停留時間裂解爐。

（3）USC型裂解爐（斯通-韋伯斯特公司S.W）：超選擇性裂解爐。

（4）毫秒爐（凱洛格公司 Kellogg），停留時間極短，可控制在0.1 s內(nèi)。

（5）GK型裂解爐（KTI公司），停留時間控制在0.2 s內(nèi)。

裂解爐是乙烯裝置的能耗大戶，其能耗占裝置總能耗的50%～60%。降低裂解爐的能耗是降低乙烯生產(chǎn)成本的重要途徑之一。裂解爐的能耗在很大程度上取決于裂解爐系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)和操作水平，近年來，裂解爐技術(shù)向“高溫、短停留時間、大型化和長運(yùn)轉(zhuǎn)周期”方向發(fā)展。通過改善裂解選擇性、提高裂解爐熱效率、改善高溫裂解氣熱量回收、延長運(yùn)轉(zhuǎn)周期和實(shí)施新型節(jié)能技術(shù)等措施，可使裂解爐能耗顯著下降。

目前，可供實(shí)行的乙烯裂解爐的節(jié)能措施有[1]：

1.3.1 改善裂解選擇性

（1）采用新型裂解爐。新型裂解爐均采用高溫，短停留時間與低烴分壓的設(shè)計(jì)。由于停留時間大幅度縮短，毫秒爐裂解產(chǎn)品的乙烯收率大幅度提高。

（2）選擇優(yōu)質(zhì)的裂解原料。在相同的工藝技術(shù)水平的前提下，乙烯收率主要取決于裂解原料的性質(zhì)。不同裂解原料，其綜合能耗相差較大。裂解原料的選擇在很大程度上決定乙烯生產(chǎn)的能耗水平。通過適當(dāng)調(diào)整裂解原料配置結(jié)構(gòu)，優(yōu)化煉油加工方案，增加優(yōu)質(zhì)乙烯原料如正構(gòu)烷烴含量高的石腦油，改善原料結(jié)構(gòu)和整體品質(zhì)，在提高乙烯收率的同時，還能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（3）優(yōu)化工藝操作條件。通過優(yōu)化裂解爐工藝操作條件，不僅能使原料消耗大幅度降低，也能夠使乙烯生產(chǎn)能耗明顯下降。不同的裂解原料對應(yīng)于不同的爐型，具有不同的最佳工藝操作條件。

（4）裂解爐單元配套建設(shè)空氣預(yù)熱器，可以節(jié)約燃料氣、回收急冷水的熱量，達(dá)到充分利用低溫?zé)峁?jié)能的目的，在取得較明顯的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益的同時還可以減排大量的煙氣，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。1.3.2 延長裂解爐的運(yùn)行周期

（1）優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)與工藝條件

裂解原料組成與性質(zhì)是影響裂解爐運(yùn)行周期的重要因素。一般氫含量高、芳烴含量低的原料具有良好的裂解性能，是裂解爐長周期運(yùn)行的必要條件。對不飽和烴含量較高的原料進(jìn)行加氫處理，是提高油品質(zhì)量的有效途徑。當(dāng)裂解原料一定時，工藝條件是影響裂解爐運(yùn)行周期的主要因素。低烴分壓、短停留時間和低裂解溫度有利于延長裂解爐運(yùn)行周期。

（2）采用在線燒焦。裂解爐在線燒焦是在爐管蒸汽-空氣燒焦結(jié)束后，繼續(xù)對廢熱鍋爐實(shí)施燒焦。與傳統(tǒng)的燒焦方式相比，在線燒焦具有明顯的優(yōu)勢。一是裂解爐沒有升降溫過程，可以延長爐管的使用壽命，并可節(jié)省裂解爐升降溫過程中燃料與稀釋蒸汽的消耗；二是由于在線燒焦，裂解爐離線時間短，可以提高開工率，并可增加乙烯與超高壓蒸汽的產(chǎn)量。目前BASF在線燒焦程序已在國內(nèi)外乙烯裂解爐上成功應(yīng)用了多年，事實(shí)證明，采用在線燒焦可大大減少廢熱鍋爐的機(jī)械清焦次數(shù)，有效地降低乙烯裝置的能耗。

其次，在分離流程的選擇方面，目前最具競爭力的有3種：順序分離流程、前脫乙烷前加氫流程和前脫丙烷前加氫流程。采用順序分離流程的有魯姆斯公司（Lummus）和凱洛格公司 (Kellogg)，采用前脫乙烷的有林德公司（Linde），采用前脫丙烷的有斯通-韋伯斯特公司S.W。

采用何種分離流程最佳的影響因素很多，如：裝置規(guī)模，原料路線，技術(shù)路線，設(shè)備選型，加工方案，裝置負(fù)荷，操作的穩(wěn)定性，操作周期，控制方案等，須視具體情況而定。

1.4 設(shè)備選型與節(jié)能[6]

除裝置規(guī)模，原料路線和技術(shù)路線外，設(shè)備選型同樣對裝置的節(jié)能有重要影響。

下面，分別討論反應(yīng)設(shè)備，分離設(shè)備，換熱設(shè)備和流體輸送設(shè)備的節(jié)能。

1.4.1 反應(yīng)設(shè)備的節(jié)能

通常，反應(yīng)設(shè)備即是用能大戶，又是余熱供應(yīng)大戶。仍以乙烯裂解為例，前已述及裂解爐的遴選規(guī)則，這里再對裂解設(shè)備的差異略加論述。事實(shí)上，裂解設(shè)備的差異主要反映在爐型上。管式裂解爐型有很多種，但從輻射段爐管的結(jié)構(gòu)形式上分，它們可分為兩大類：直通式和分支式。Lummus和Linde是分支式爐型，S.W則是直通式。兩大類爐型結(jié)構(gòu)各不相同，應(yīng)用效果則取決于各家對不同原料裂解機(jī)理的掌握和在工程化實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的區(qū)別上。在實(shí)現(xiàn)大型化的途徑方面，一種是通過加寬輻射室的寬度，以容納更多組爐管；一種是通過采用兩個輻射室（雙爐膛）共用一個對流段來容納雙倍數(shù)量的爐管；有的公司則兩者兼而用之。

在回收裂解氣的余熱方面，乙烯裝置都盡可能地提高急冷油塔的塔底溫度，以便發(fā)生更多的稀釋蒸汽。要提高急冷油塔的塔底溫度，首先遇到的問題就是急冷油的粘度問題。為此，在急冷單元增加減粘系統(tǒng)，用乙烷裂解氣汽提或高壓蒸汽汽提的方法實(shí)現(xiàn)急冷油減粘，即可實(shí)現(xiàn)急冷油塔底急冷油溫度的優(yōu)化控制。

談到反應(yīng)設(shè)備的節(jié)能，不能不涉及加熱爐的節(jié)能，特別是管式加熱爐的節(jié)能。管式加熱爐是煉油生產(chǎn)裝置的主要設(shè)備之一，又是煉油生產(chǎn)裝置的能耗大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國石化集團(tuán)公司現(xiàn)有600多臺煉油加熱爐，總熱負(fù)荷超過5 000 MW。從煉油綜合能耗的組成看，燃料油和燃料氣的消耗占第一位。因此，開發(fā)節(jié)能型加熱爐對于企業(yè)節(jié)能是重要的發(fā)展方向。通常，管式加熱爐的節(jié)能可以從以下幾方面入手：改造爐管布局，提高輻射傳熱能力；降低過?？諝庀禂?shù)，提高對流換熱能力；采用螺紋管，擾流子，熱管等空氣予熱器組件，提高余熱回收能力；優(yōu)化改造燃燒器，應(yīng)用新型節(jié)能燃燒器，以強(qiáng)化燃燒等。

1.4.2 分離設(shè)備的節(jié)能

分離設(shè)備的節(jié)能，對于石油化工產(chǎn)品的生產(chǎn)而言，主要是指精餾塔的節(jié)能，包括單塔的節(jié)能和精餾塔序列的節(jié)能[6]。

單塔的節(jié)能效果主要依靠降低回流比（需增加塔板數(shù)），降低塔的操作壓力（降低回流比），改變進(jìn)料位置，改變進(jìn)料狀態(tài)，采用高效塔板或填料，采用熱泵系統(tǒng)，設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器等方法來實(shí)現(xiàn)。

精餾序列節(jié)能措施有：

（1）多效精餾，如：德國Hoechs公司在5萬t/a酒精裝置中采用四效精餾方案,可節(jié)省蒸汽70%。

（2）低溫精餾的熱泵系統(tǒng)

例如：（A）用外部丙烷致冷劑的熱泵循環(huán)低溫精餾分離丙烯-丙烷；（B）用塔頂蒸汽壓縮的熱泵循環(huán)低溫精餾分離丙烯一丙烷；（C）用再沸器液體閃蒸的熱泵循環(huán)低溫精餾分離丙烯—丙烷；三種熱泵系統(tǒng)的熱力學(xué)效率η均高于普通低溫精餾，公用工程費(fèi)用也明顯低于普通精餾。流程（C）的η最高,公用工程費(fèi)用最低。

（3）設(shè)置中間冷凝器和中間再沸器的精餾，如常減壓裝置中的“常一中”,“常二中”,“常三中”和減壓塔的“減一中”,“減二中”等中間冷凝器。1.4.3 換熱設(shè)備的節(jié)能

換熱設(shè)備的節(jié)能主要是指單臺換熱設(shè)備的節(jié)能和換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能。

單臺換熱設(shè)備的節(jié)能可在付立葉導(dǎo)熱方程的指導(dǎo)下進(jìn)行。根據(jù)付立葉微分導(dǎo)熱方程，傳熱的推動力為溫度梯度，即溫度沿傳熱方向的差，顯然，冷熱物流換熱溫差越大，單位時間內(nèi)傳遞的熱量越大，但熱量的有效能損失也越大。根據(jù)付立葉導(dǎo)熱方程可知，單位時間內(nèi)傳遞的熱量與總傳熱系數(shù)成正比，與總傳熱面積成正比。提高總傳熱系數(shù)的方法有很多，例如，選擇傳熱系數(shù)大的材質(zhì)，如銅明顯優(yōu)于鋼，但設(shè)備造價高，設(shè)備折舊費(fèi)用大；又如，在石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中經(jīng)常使用的管殼式換熱器中設(shè)置折流板和擋流板制造湍流以增大總傳熱系數(shù)；再如，定期清洗換熱設(shè)備以減少結(jié)垢熱阻對降低總傳熱系數(shù)的影響。同樣，采用螺紋管，翅片管，擾流子，熱管等也可強(qiáng)化換熱過程。

換熱網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能則比單臺換熱設(shè)備的節(jié)能要復(fù)雜的多，通?？稍凇皧A點(diǎn)技術(shù)”[7,8]的指導(dǎo)下進(jìn)行。1.4.4 流體輸送設(shè)備的節(jié)能

流體輸送設(shè)備的節(jié)能主要是指壓縮機(jī)和泵的節(jié)能。如乙烯生產(chǎn)中的能耗大戶——“三機(jī)”——裂解氣壓縮機(jī)，乙烯壓縮機(jī)和丙烯壓縮機(jī)的節(jié)能。泵和壓縮機(jī)也是高分子合成材料成型加工過程中的耗能大戶。

現(xiàn)以裂解氣壓縮機(jī)為例，討論壓縮機(jī)的節(jié)能。由于裂解氣壓縮為非理想壓縮過程，即絕熱或多變壓縮過程，比等溫壓縮過程功耗大得多。增加壓縮機(jī)的段數(shù)，進(jìn)行段間冷卻，可以減少過程的不可逆性，使其接近等溫壓縮過程，因此，裂解氣壓縮機(jī)通常設(shè)計(jì)成四段或五段。對于以石腦油為原料的乙烯裂解，林德公司的分析表明：五段優(yōu)于四段。當(dāng)采用五段壓縮流程時，合理地設(shè)計(jì)其出口流程，還可獲得進(jìn)一步的節(jié)能效果。例如，將裂解氣壓縮機(jī)五段出口的冷凝液從一次閃蒸改為二次閃蒸，將第一次閃蒸的氣體返回壓縮機(jī)五段出口，將第二次閃蒸的氣體返回壓縮機(jī)五段入口，就可實(shí)現(xiàn)節(jié)能之目的。

1.5 余熱回收與節(jié)能[9]

余熱回收是最重要的節(jié)能技措之一。石油化工生產(chǎn)過程的余熱主要來原于：化學(xué)反應(yīng)的放熱，例如，乙烯裂解爐的出口物料，催化裂化反-再系統(tǒng)的燒焦煙氣，延遲焦化的熄焦氣體；高溫工藝熱物流；工藝加熱爐和大型蒸氣鍋爐排放的煙氣；燃?xì)廨啓C(jī)排放的尾氣；背壓式透平或抽汽式透平排放的蒸氣；低溫位工藝熱物流以及通過水冷卻器和空氣冷卻器所排放的低溫位水和空氣。

高溫位的余熱，由于溫度高，可作功能力強(qiáng)，有效能值大，可回收價值高，因而早以引起人們的廣泛重視，高溫位余熱的回收和利用也已取得了很大成功。特別是“有效能分析方法”和“夾點(diǎn)技術(shù)”的大面積和卓有成效的應(yīng)用，更是為高溫位余熱的合理利用和分級利用，即“按質(zhì)用能”奠定了基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步和“節(jié)能減排”工作的不斷深入，低溫位余熱的回收和利用也已提到日程，并且受到越來越多的重視。不過，低溫位余熱的回收和利用在很大程度上受技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的約束。技術(shù)上先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理，操作上可行，環(huán)保上認(rèn)可，是考慮低溫位余熱回收和利用的先決條件。目前，低溫位余熱的回收和利用在同級利用方面主要是用于予熱空氣和水，以及產(chǎn)生低壓蒸汽和用于提供熱水和冬季采暖。在升級利用方面主要是用于“熱泵”和“制冷”。

2 定量的石油化工節(jié)能技術(shù)

2.1 化工熱力學(xué)與節(jié)能[10,11]

應(yīng)用化工熱力學(xué)原理指導(dǎo)節(jié)能主要是應(yīng)用“焓平衡分析”，“熵平衡分析”和“有效能平衡分析”來指導(dǎo)節(jié)能。

“焓平衡分析”，即通常所說的“熱平衡分析”，是熱力學(xué)第一定律的具體運(yùn)用。其實(shí)質(zhì)是盡可能減少熱損失，如：減少“跑，冒，滴，漏”，加強(qiáng)保溫，以減少散熱損失；在保證燃料完全燃燒的情況下，降低過?？諝庀禂?shù)，以減少排煙散熱損失；在防止露點(diǎn)腐蝕的情況下，用煙氣余熱予熱空氣或鍋爐給水，以回收熱量等。

“熵平衡分析”則是應(yīng)用熱力學(xué)第二定律，從減少過程的不可逆性出發(fā)，從研究過程的不可逆熵增出發(fā)，尋求節(jié)能的有效措施。比“熵平衡分析”更加實(shí)用的節(jié)能分析方法則是“有效能平衡分析”?！坝行芷胶夥治觥币埠喎Q為“有效能分析”[7-8]。

化工熱力學(xué)指出: 熱量是低質(zhì)能量，它不能像電能和機(jī)械能那樣100%地作功，它只能部分地作功，另一部分將做為廢熱散發(fā)到環(huán)境中去。熱量在給定環(huán)境下所能作出的最大有用功是為有效能（火用）。不能作功的部分是為無效能（無用）。

有效能具有以下特性：

①根據(jù)熱力學(xué)第一定律，在一切過程中，有效能和無效能的總量不變；

②根據(jù)熱力學(xué)第二定律，自然界中一切過程都是具有方向性和不可逆性的，同樣有效能的變化也具有方向性和不可逆性：在可逆過程中，有效能守恒；在不可逆過程中，有效能向無效能轉(zhuǎn)化，有效能不斷減少。

由過程不可逆性引起的有效能轉(zhuǎn)化為無效能的損失，稱為有效能損失。它是能量變質(zhì)的量度。不可逆性主要來源于摩擦、流體流動的壓力差、傳熱的溫差、擴(kuò)散的濃度差以及不平衡化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)勢差等。

減少過程壓力差、溫度差或濃度差，可以減少有效能損失，是過程節(jié)能的重要途徑。但是在許多情況下,有效能損失是有價值或效益的，并非越小越好。

有效能效率也稱熱力學(xué)效率，是過程熱力學(xué)完善程度的一種量度，因而也是過程用能好壞的重要評價指標(biāo)。根據(jù)效率的普遍定義：有效能效率＝有效能效益／有效能消耗有效能消耗＝有效能效益＋有效能損失

在有效能分析基礎(chǔ)上可以找到減少能量變質(zhì)以

及降低能耗減少有效能損失的途徑。它的主要特點(diǎn)是節(jié)能于變廢之前，而不是利用于變廢之后。

“有效能分析”的最大成就之一是“夾點(diǎn)技術(shù)”[7]的提出和所獲得的廣泛應(yīng)用與取得的具大經(jīng)濟(jì)效益。鑒于此類論文和專著已大量見諸于世，本文將不再贅述，須要指出的是：目前，“夾點(diǎn)技術(shù)”已不僅用于節(jié)能，“水夾點(diǎn)技術(shù)” 已用于節(jié)水，“氫夾點(diǎn)技術(shù)” 已用于合理用氫[8]。

順便指出，本文前述的節(jié)能技措，大多也以化工熱力學(xué)為指導(dǎo)。

2.2 化工系統(tǒng)工程與節(jié)能[2，12]

化工系統(tǒng)工程是一門新興的正在發(fā)展中的化工應(yīng)用學(xué)科,它應(yīng)用化學(xué)工程和系統(tǒng)工程的基本原理,采用建模,模擬和優(yōu)化的方法,以電子計(jì)算機(jī)為工具,在對化工過程進(jìn)行工藝和經(jīng)濟(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上,對化工過程進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價,最終實(shí)現(xiàn)化工過程優(yōu)化設(shè)計(jì), 優(yōu)化操作, 優(yōu)化控制和優(yōu)化管理之目的[2]。

從化工系統(tǒng)工程的角度研究節(jié)能，就是要站在全局的高度，全面地、系統(tǒng)地、科學(xué)地研究能量系統(tǒng)優(yōu)化的基本思路,找到實(shí)現(xiàn)能量系統(tǒng)優(yōu)化的途徑。按照化工系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程應(yīng)盡可能地簡單，即反應(yīng)應(yīng)盡可能地不使用催化劑，在不得不使用催化劑時，應(yīng)盡可能地使催化劑具有最好的活性，選擇性，收率和壽命；化工產(chǎn)品的生產(chǎn)流程應(yīng)盡可能地短，分離過程應(yīng)盡可能地簡單，緊湊；換熱流程應(yīng)盡可能地做到合理布局，科學(xué)用能，合理用能，按質(zhì)用能；機(jī)泵應(yīng)盡可能地做到高效，緊湊，節(jié)能。

應(yīng)用化工系統(tǒng)工程基本原理指導(dǎo)節(jié)能就是通過建立石油化工生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，建立石油化工生產(chǎn)過程的流程模擬軟件，再通過過程模擬實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，降低石油化工生產(chǎn)過程的物耗和能耗[12]。

例如，清華大學(xué)開發(fā)的“EPSOS”（工程過程模擬與優(yōu)化系統(tǒng)）就是一個可視化的這類軟件，國外的ASPEN PLUS ,HYSYS,PRO-Ⅱ也屬同類軟件，已有許多成功案例用于石油化工生產(chǎn)過程的節(jié)能，且有專著出版[1，12]。

值得一提的是：應(yīng)用化工熱力學(xué)原理指導(dǎo)節(jié)能工作的進(jìn)一步深入，已將其從“焓平衡分析”，“熵平衡分析”和“有效能平衡分析”發(fā)展到應(yīng)用化工系統(tǒng)工程基本原理指導(dǎo)節(jié)能的“總能分析”，即從化工系統(tǒng)工程基本原理出發(fā)，站在全局的高度，全面，系統(tǒng)，完整地分析石油化工生產(chǎn)過程用能的基本規(guī)律，實(shí)現(xiàn)“合理用能”，“按質(zhì)用能”，“分級用能”，以實(shí)現(xiàn)最大限度節(jié)能之目的。

例如，大連理工大學(xué)化工系統(tǒng)工程研究所[13]以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，以化工系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，提出了“過程系統(tǒng)用能一致性原則”。從用能本質(zhì)的角度把系統(tǒng)中反應(yīng)、分離、換熱、熱機(jī)、熱泵等過程的用能特性抽提出來，轉(zhuǎn)化為當(dāng)量的熱源流股和熱阱流股，使得大規(guī)模、復(fù)雜的全過程系統(tǒng)從用能的本質(zhì)上統(tǒng)一為整體，將能量集成問題轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的有約束換熱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最優(yōu)化綜合問題。

大連理工大學(xué)化工系統(tǒng)工程研究所將“夾點(diǎn)技術(shù)”的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大，在多過程的全局夾點(diǎn)分析基礎(chǔ)上，引入全局組合曲線上蒸汽負(fù)荷加減原則和負(fù)荷移動原則，對多個過程及其換熱網(wǎng)絡(luò)與公用工程系統(tǒng)進(jìn)行全局能量集成。

與此同時，大連理工大學(xué)化工系統(tǒng)工程研究所還對全局過程節(jié)能改造的能量集成方法進(jìn)行了分析研究；提出了改進(jìn)的頂層分析法，對公用工程系統(tǒng)剩余熱的熱功轉(zhuǎn)化途徑進(jìn)行了分析和改進(jìn)；采用了全局過程產(chǎn)用蒸汽等級優(yōu)化，使過程改造的全局能量實(shí)現(xiàn)集成。

所謂全局系統(tǒng)能量集成是指在各生產(chǎn)過程換熱網(wǎng)絡(luò)綜合的基礎(chǔ)上，通過安排過程之間的熱量交換，合理配置熱機(jī)作功和背壓蒸汽加熱的關(guān)系，以使全局系統(tǒng)總能耗最小。

又如，華南理工大學(xué)[14]以能量的合理利用為核心，提出了“三環(huán)節(jié)理論節(jié)能”的概念。

他們認(rèn)為：本質(zhì)上存在著“用能三環(huán)節(jié)”過程：

（1）過程用能的主要形式是熱、流動功和蒸汽，它們一般是通過轉(zhuǎn)換設(shè)備（如爐、機(jī)泵）等轉(zhuǎn)換過來的；

（2）轉(zhuǎn)換設(shè)備提供的熱、功、蒸汽等形式的能量進(jìn)入工藝核心環(huán)節(jié)（塔、反應(yīng)器），連同回收循環(huán)能量一起推動工藝過程完成后，除部分能量轉(zhuǎn)入到產(chǎn)品中外，其余均進(jìn)入能量回收系統(tǒng)；

（3）能量在工藝核心環(huán)節(jié)完成其使命后，質(zhì)量下降，但仍具有較高的壓力和溫度，可以通過換熱設(shè)備、換功設(shè)備等回收利用。但受工程和經(jīng)濟(jì)條件約束，回收不能到底，最終通過冷卻、散熱等排棄到環(huán)境中。

“三環(huán)節(jié)理論節(jié)能”認(rèn)為：首先應(yīng)選用或改進(jìn)工藝過程，減少工藝用能；再考慮經(jīng)濟(jì)合理地回收；其不足部分再由轉(zhuǎn)換設(shè)備提供。

實(shí)質(zhì)上，這是以“合理用能”為核心，從“備能，用能，節(jié)能”三個方面系統(tǒng)地討論石油化工生產(chǎn)過程的節(jié)能問題。

再如，將熱和功集成，實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)，應(yīng)用R-曲線分析，實(shí)現(xiàn)公用工程的總體節(jié)能，也是應(yīng)用化工系統(tǒng)工程基本原理指導(dǎo)節(jié)能的成功案例和前瞻性案例[15,16]。

熱電聯(lián)產(chǎn)在煉化企業(yè)公用工程系統(tǒng)中占有重要地位，R-曲線是評價公用工程系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)化效率的一個工具。

熱電聯(lián)產(chǎn)過程的轉(zhuǎn)化效率η定義如下：

相應(yīng)地，電熱比定義如下：

式中：W —表示透平發(fā)電量；

Qheat— 表示凈蒸汽熱量，包括蒸汽加熱用量及工藝過程（如汽提塔、蒸汽變換等）用蒸汽量；Qfuel— 燃料的能量。

R-曲線是針對某一特定的公用工程系統(tǒng)，在系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)下，繪制出的理論曲線。將工廠實(shí)際的電熱比及實(shí)際轉(zhuǎn)化效率與R-曲線進(jìn)行對比，可以得到此公用工程系統(tǒng)與最優(yōu)狀態(tài)之間的差距，進(jìn)而為優(yōu)化熱電聯(lián)產(chǎn)提供指導(dǎo)方向。

3 結(jié)束語

綜上所述，石油化工生產(chǎn)過程的節(jié)能是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益巨大的系統(tǒng)工程，即可在理論指導(dǎo)下進(jìn)行，也可憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。通常，在理論指導(dǎo)下，理論聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行，并且，工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)往往是決定成敗的關(guān)鍵。它即可定性地加以論述，也可定量地加以計(jì)算。在應(yīng)用熱力學(xué)第一定律熱平衡計(jì)算和應(yīng)用熱力學(xué)第二定律熵平衡計(jì)算時，定量地加以計(jì)算對節(jié)能分析至關(guān)重要，而在應(yīng)用熱力學(xué)第二定律進(jìn)行有效能分析時，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行成功的附合實(shí)際的定性分析，則往往是決定成敗的關(guān)鍵。這是因?yàn)椋褐灰に囘^程進(jìn)行，就必然伴隨著有效能的損失，關(guān)鍵是有效能的損失是否合情合理，是否值得，而絕非有效能損失越低越好。通常，必須在“有效能損失降低帶來的節(jié)能效果”與“設(shè)備折舊費(fèi)用增加”之間進(jìn)行權(quán)衡，決定取舍。特別需要指出的是：通過案例分析研究，舉一反三，往往是積累工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，解決工程技術(shù)領(lǐng)域節(jié)能實(shí)際問題，并取得成功的關(guān)鍵。

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Energy Saving Techniques in Petrochemical Production Processes

WEI Shou-peng
（Beijing university of chemical technology，Beijing 100029，China）

Energy saving techniques in petrochemical industry were introduced, including the scale of plants, raw materials, technological scheme, production equipment and waste heat recovering methods. Applications of thermodynamic analysis methods and chemical process systems engineering methods were discussed.

Energy saving techniques； Petrochemical production processes； Thermodynamic analysis； Chemical process systems engineering

TQ 083+.4

A

1671-0460（2011）12-1211-07

2011-08-08

魏壽彭，男，教授，“首都五一勞動獎?wù)隆鲍@得者，國務(wù)院政府特殊津貼享有者，北京市第十屆人民代表大會代表。1960年畢業(yè)于莫斯科石油學(xué)院,1988-1989年曾以高級訪問學(xué)者身份赴英國倫敦帝國理工學(xué)院。長期從事石油化工、化工系統(tǒng)工程、管理科學(xué)與工程方面的教學(xué)與科研工作。領(lǐng)導(dǎo)并從事過國家自然科學(xué)基金、化工部、中石化總公司等科研項(xiàng)目十余項(xiàng)。指導(dǎo)化學(xué)工程與管理工程研究生二十余屆，發(fā)表論文七十余篇，出版《石油化工生產(chǎn)過程最優(yōu)化》、《過程系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)》《石油化工概論》專著三冊。所提出的“裝置模擬與優(yōu)化”調(diào)優(yōu)法曾分獲化工部與中石化總公司科技進(jìn)步獎，并被列入國家“八五”重點(diǎn)推廣新技術(shù)。E-mail：weishoupeng@sohu.com。