從理論能耗分析煉油裝置的節(jié)能潛力

龐晨，方向晨，張英，高景山

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

從理論能耗分析煉油裝置的節(jié)能潛力

龐晨1，2，方向晨2，張英2，高景山2

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

介紹理論能耗的概念和引入的必要性，提出理論能耗的推導過程。結合 250×104t/a柴油加氫精制裝置的實際生產過程，采用Aspen Plus流程模擬軟件對工藝流程進行模擬，計算該過程的理論能耗。與實際能耗進行對比，探討能量消耗所在，根據用能過程的原理，提出煉廠節(jié)能改進的措施。

理論能耗；柴油；加氫精制；節(jié)能措施

在石油加工過程中，從原料到產品的一系列過程都在消耗著能量。消耗多少能量，理論上應該消耗多少能量都是生產者首先要解決的問題，這也是開展節(jié)能工作的前提。理論能耗分析是從熱力學第二定律出發(fā)，不考慮具體的工藝流程，只考慮原料到產品變化過程中理論上能量的消耗。通過對比理論能耗與實際能耗，能夠指明實際生產過程中在能量利用方面存在的問題和差距，對節(jié)能工作的開展起到了一定的指導作用。

1 理論能耗的概念

理論能耗是指該過程在可逆的條件下進行時所消耗的功[1]。由于在實際的生產過程中可逆條件并不存在，所以理論能耗即為該過程的最小能耗。理論能耗為理想功的負值，一般用符號IE表示。

理想功也稱為有效能，是指一種體系變化到環(huán)境狀態(tài)時做出的最大功[2]，一般用符號EX表示，并規(guī)定體系對環(huán)境做功為“＋”，環(huán)境對體系做功為“－”。當理論能耗IE＞0時，即理想功EX＜0，說明該過程需要環(huán)境對體系做功，是一個耗功過程；當理論能耗IE＜0時，即理想功EX＞0，說明該過程體系對環(huán)境做功，是一個產功過程[3]。

研究理論能耗的意義在于可以將可逆過程作為基準，與實際的生產過程進行對比，衡量實際生產過程的效率，揭示能量在各個環(huán)節(jié)的利用、損失情況，為優(yōu)化過程用能提供理論依據，找出各個單元或設備的節(jié)能潛力和改進措施，從而完善石油加工過程中有效能的利用[4]。

2 理論能耗的推導過程

計算過程的理論能耗之前要保證該過程滿足三個基本定律：質量守恒定律、熱力學第一定律（能量守恒定律）和熱力學第二定律（熵平衡原理）。熱力學第一定律的實質是能量在數量上的守恒，只能說明各種形式的能量在轉換和傳遞過程中數量保持不變，但是并不能指明能量傳遞的條件、方向和限度。熱力學第二定律闡明了上述的問題，它是關于熱和功等能量形式之間相互轉化的方向和限度的規(guī)律，進而推廣到有關物質變化過程的方向和限度的普遍規(guī)律。將熱力學第二定律用于用能過程，便提出了表征在可逆過程中做功能力的熱力學狀態(tài)參數，即該過程的理論能耗，也叫理想功或者是有效能。

理論能耗的推導過程如下：下標“1”、“0”、“2”分別表示反應過程的始態(tài)，環(huán)境狀態(tài)和反應過程的終態(tài)。由理想功的定義和熱力學第一定律可知：

H0–H1=Q1－EX1 （1）

由熱力學第二定律可知：

ΔS體系+ΔS環(huán)境≥0 （2）

ΔS體系=S0－S1 （3）

ΔS環(huán)境=-Q/T0（4）

將式（3）、（4）代入式（2）得：

S0－S1－Q1/T0≥0 （5）

整理得到： Q1≤ T0（S0－S1） （6）

將式（6） 代入到式（1）得：

EX1≤(H1–H0)－T0（S1－S0） （7）

式中：H0— 該體系在環(huán)境狀態(tài)下的的焓值;

H1— 該體系在反應始態(tài)時的焓值;

Q1— 該過程吸收的熱量，規(guī)定體系吸熱為“＋”，體系放熱為“－”;

EX1— 該過程的理想功;

S0— 體系在環(huán)境下的熵值;

S1— 體系在反應始態(tài)時的熵值。

由式（2）可知，當體系的變化為自發(fā)過程時，式（2）取“＞”，即該過程的總熵增加；當體系的變化為可逆過程時，式（2）取“=”，即體系達到平衡狀態(tài)，此時是一種極限情況，是理論上能夠進行的過程。所以，由式（7）可以看出可逆過程的理想功最大，即理論能耗最小。

同理，當產品變化到環(huán)境狀態(tài)時，根據理想功的定義和熱力學第一定律可知：

H2–H0=Q2－E X2（8）

根據熱力學第二定律可得：

S2－S0－Q2/T0≥0 （9）

由式（9）可得：Q2≤T0（S0－S2） （10）

將式（10）代入到式（8）中，整理得：

EX2≤(H2–H0)－T0（S2－S0） （11）

顯然，當式（11）取“＝”時，該過程的理想功最大，即理論能耗最小。所以，反應由原料到產品過程理想功為EX＝EX1＋（-EX2）＝EX1-EX2。理論能耗IE=－EX =EX2－EX1=(H2–H0)－T0(S2－S0) －(H1–H0)－T0（S1－S0）=(H2–H1)－T0(S2－S1) （12）

式（12）是過程理論能耗的計算公式，即理論能耗為產品有效能與原料有效能的差值，其值等于過程始末狀態(tài)的焓差減去熵差與環(huán)境溫度的乘積[5]。理論能耗只由過程的始末狀態(tài)和環(huán)境溫度決定(環(huán)境溫度一般取298 K)，所以當始末狀態(tài)確定，該過程的理論能耗便不再發(fā)生變化。不論產品在什么地方制取、中間有什么樣的過程反應，也不論選擇什么樣的具體的工藝路線、工藝流程和生產方法，只要原料和產品明確統(tǒng)一，理論能耗便具有唯一性[6]。

3 柴油加氫精制過程的理論能耗

煉油企業(yè)是產能大戶同時也是高耗能大戶，一般的復雜型煉廠能耗占到加工原油量8%～10%[7]。由此可見，煉油企業(yè)實施節(jié)能降耗不僅是企業(yè)自身發(fā)展的需要，也是國家可持續(xù)發(fā)展的必然要求。加氫精制是石油煉制工業(yè)中用于提升石油產品質量和生產優(yōu)質石油化工產品的重要技術。隨著原油質量重質化和劣質化趨勢的加劇和可持續(xù)發(fā)展對環(huán)保要求的不斷提高，使得加氫精制過程在國內外煉油工業(yè)中有著不可取代的地位和作用。

以某煉廠250×104t/a柴油加氫精制為例，結合上述理論能耗的推導公式，計算該過程的理論能耗。該過程的原料為混合原料油和氫氣，產品為粗汽油、精制柴油、低分氣和酸性氣。原料和產品的相關蒸餾數據列于表1。

表1 原料油和產品相應的餾程數據Table 1 Feed and product distillation data

原料和產品的密度、流量列于表2。利用Aspen Plus流程模擬軟件計算出原料和產品的單位質量焓和單位質量熵列于表3。

表2 進料和出料的性質和流量Table 2 Feed stream and product data

設該過程在 0.5 MPa和 298 K下進行，利用Aspen Plus計算出的相關數據結合式（12）計算柴油加氫精制過程的理論能耗。

計算過程如下：

H2= ΣQmi×Hi=(-1967.2076×1396)+ ( -1863.1212×296873) + ( -2434.4641×1907)+ (-2340.8634×2322) = -565934.6097 MJ/h

H1= ΣQmi×Hi=(-1865.7438×297619)+ ( -1393.5926×4879)= -562080.1423 MJ/h

ΔH = H2－H1=(-565934.6097)－(-562080.1423)= -3854.467363 MJ/h

S2= ΣQmi×Si=(-6732.6804×1396)+(-6666.5806×296873)+(-4231.9208×1907)+(-4716.3361×2322) = -2007.54821×103kJ/h=-2007.54821 MJ/h

S1= ΣQmi×Si= (-6673.8757×297619) + (-6948.8745×4879)=-2020.1758×103kJ/h=-2020.1758 MJ/h

ΔS = S2－S1=(-2007.54821)－(-2020.1758)= 12.6276 MJ/hIE=ΔH－T0ΔS=( H2－H1)－T0(S2－S1) = -3854.4674－298×12.6276=-7617.4805 MJ/h=-0.612 kg EO/t[8]

結合推導的理論能耗公式計算出的原料到產品的理論能耗為-0.612 kgEO/t。從數值上可以知道過程的理論能耗IE＜0，理想功EX＞0，說明該過程是一個產功的過程。但實際上該過程是一個耗功的過程，能耗為10.84 kgEO/t，即該過程的進行需要外界能量的輸入。這是由于實際的石油化工生產為了保證工藝過程的正常進行需要各種單元裝置，單元操作過程中有壓縮機、機泵等動力設備和加熱爐等熱能需要能量的供入；另外，存在傳熱、流動、產品分離和設備散熱等原因，導致了有效能的減少、理論能耗的增加。

4 能耗分析

通過對比該柴油加氫裝置理論能耗和實際能耗，可知在過程進行中產生了有效能的損失。該裝置的供入能包括以下內容：1.0 MPa蒸汽、燃料氣、電和循環(huán)水。1.0 MPa蒸汽用于脫硫化氫汽提塔，燃料氣主要用于加熱爐和產品分餾塔的再沸器，電能主要用于新氫壓縮機、循環(huán)氫壓縮機和機泵的驅動，循環(huán)水主要用于水冷器，供入能使用情況列于表4。

表4 柴油加氫精制過程供入能Table 4 Supplied energy for diesel hydrofining process

對消耗能量的設備進行有效能分析能夠清楚地了解能量利用和損失的情況，以便尋求節(jié)能措施、更加合理地利用能量[9]。對于有效能損失多的設備，就是用能薄弱的環(huán)節(jié)，也是節(jié)約能源、改進設備和優(yōu)化流程的主攻目標[10]。

加熱爐是煉廠的耗能大戶，柴油加氫精制裝置加熱爐消耗的燃料一般占全廠能耗的30%[11]。所以，加熱爐是煉油裝置節(jié)能降耗的關鍵設備。在能量傳遞的過程中，由于加熱爐煙氣排放時帶走熱量和加熱爐表面散熱等原因，使得燃料供入的有效能大于被加熱流體獲得的有效能，即產生了有效能的損失。如果減少該過程有效能的損失，燃料的用量就會降低，那么整個裝置的能耗也隨之減少。

機泵是實現石油化工流體輸送的一種重要過程設備，其將流體的壓力能提高使流體獲得流動功，保證了流體在需要的壓力下操作。在該柴油加氫精制過程中機泵設備主要為離心泵和壓縮機，其作用都是將電能轉化為流體的壓力能以滿足操作條件。但在機泵運轉過程中存在著機械摩擦使電能部分變?yōu)闊崮芏鴵p失，不能將全部能量傳遞給流體，從而產生有效能的損失。

節(jié)能降耗在降低供入的能量的同時也要使用冷換設備對能量進行回收。換熱設備是煉油企業(yè)廣泛使用的一類能量回收裝置。在傳熱過程中造成的有效能損失包括兩個方面：一是由于傳熱過程的不可逆性，冷流體得到的有效能小于熱流體放出的有效能；二是設備表面溫度與環(huán)境溫度存在著溫差，導致設備散熱造成的有效能損失。

石化企業(yè)在生產能源的同時也消耗著大量的能量，節(jié)能工作開展首先要對裝置進行理論能耗分析，其次對理論能耗與實際能耗進行對比，尋求耗能較大的設備，利用可行的節(jié)能措施降低能量的浪費。提高能量的利用率和加強能量的回收環(huán)節(jié)是節(jié)能降耗的關鍵。以下分別從換熱網絡、加氫裝置的氫耗和以及設備的保溫三個方面提出煉廠節(jié)能的有效措施。

能量回收利用是節(jié)能的一個有效途徑，回收能量可以減少過程的供入能，從而降低實際能耗。采用高效率的換熱設備和組成換熱網絡是提高能量回收能力的重要途徑。①將多臺換熱器組成換熱網絡，使低溫熱得到逐級的利用，排放量減少，提高其利用率。②高溫高壓逆流傳熱纏繞管換熱器與螺紋緊鎖環(huán)換熱器相比可以提高單位質量的換熱面積，從而提高了換熱器的效率[12]。③采用非直接接觸在線防垢、除垢技術提高換熱器效率[13]。

降低加氫過程中的氫耗量也是節(jié)能工作的一部分。采用微旋流分離工藝對循環(huán)氫混合氣進行脫烴，先在一個分離器中將C5+以上的重烴液從循環(huán)氫中脫除；再在第二個分離器中脫除其中的硫化物，得到凈化的循環(huán)氫[14]。這種工藝使循環(huán)氫的純度提高，降低循環(huán)氫的平均分子質量，從而降低循環(huán)氫壓縮機的電耗。

裝置的散熱分布在石油化工過程用能的各個環(huán)節(jié)，一般散熱源于高溫物體，其有效能很高，這就需要外界提供更多的能量去補充這部分損失。所以，減少散熱損失、加強設備和管線保溫也是降低供入能的有效措施[15]。

5 結 語

目前針對理論能耗計算相關的文獻大多與能耗極高的制堿工業(yè)和天然氣液化有關。煉油行業(yè)相關理論能耗的計算則相對較少。煉油企業(yè)也是用能的大戶，因而提高煉油企業(yè)能量利用水平、降低能量消耗是企業(yè)發(fā)展的目標[16]。理論能耗的計算是節(jié)能工作開展的前提，對消耗能量的各個設備進行有效能分析是探討能量利用是否合理的有力工具，能夠更好地挖掘節(jié)能的潛力并采取相應的節(jié)能措施使實際能耗更加接近理論能耗。隨著油品性質的變化和環(huán)境對油品質量的要求，加氫工藝越來越受各煉廠的重視，將理論能耗的推導公式結合250×104t/a柴油加氫精制過程，計算出該過程的理論能耗相信對煉廠加氫裝置節(jié)能工作的開展會有一定的指導意義。

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Analysis on the Energy-saving Potential of Refinery Units by Theoretical Consumption

PANG Chen1，FANG Xiang-chen2，ZHANG Ying2，GAO Jing-shan2
（1. School of Petrochemical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, Liaoning Fushun 113001，China）

The conception of theoretical energy consumption was introduced, and its importance was studied. The derivation process of theoretical consumption was put forward. Combined with practical production process of 250×104t/a diesel hydrofining unit in a refinery, the process simulation was carried out by Aspen Plus software, and then the theoretical energy consumption was calculated. Through comparing the theoretical energy consumption with the practical energy consumption, the ways to consume the energy were determined. At last, based on the principle of process energy consumption, improvement measures of energy saving were put forward.

Theoretical energy consumption; Diesel; Hydrofining process; Energy-saving measures

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2342-04

2014-04-07

龐晨（1986-），女，遼寧沈陽人，碩士在讀，研究方向：化工過程能量分析和利用。E-mail：xiuxiu40@163.com。