化工厂节能研究

孙兰涛

（天津乐金渤海化学有限公司，天津 300452）

改革开放以来，工业企业获得了长足的发展，国家对企业的能耗也越来越重视，在十一五及十二五规划中，均提到了能耗的下降。虽然各企业积极响应国家号召，企业能耗也在逐年下降，但是与世界先进水平相比还是有一定的差距。随着经济的不断发展，化工厂之间的竞争越来越激烈，各企业为了增加竞争力，也纷纷寻找成本节俭方案。而能源消耗，是化工产品成本的重要组成部分，所以，各企业下大力气寻找节能降耗的方案。

化工厂的能源消耗主要是指电、蒸汽以及燃料气（包括天然气、氢气等）。以下从3个方面对节能进行说明。

1 电

化工厂电的用户主要包括：泵、风机、压缩机及照明等。其中，照明通过使用节能灯具等措施，即可达到节能的目的。而泵、风机及压缩机则可以通过分析其能量组成等，找到其中的能量浪费点，从而达到节能目的。

1.1 泵

对于泵来说，其电机总功率与泵的有效功率及泵的效率、电机效率有关。其中，泵的有效功率与输送介质的性质及要求有关系，泵的效率与泵的设计有关系，电机的效率与电机制造商有关，一般其效率均在90%以上。

对于泵来说，一般输送介质的性质及要求确定了，泵的有效功率就可以确定：

式中，ρ 为输送液体的密度，kg/m3；g 是重力加速度，m/s2；Q 液体的体积流量，m3/s（如果单位是m3/h 的话，需要进行转换）；H 为输送液体需要的扬程，m。有效功率只与输送介质的性质（密度）及要求（流量及扬程）有关，与泵无关。但是，泵的效率与泵有直接关系。一般情况下，如果泵的设计曲线与工艺需要匹配的好，泵的效率可以达到90%以上。离心泵的设计效率从10%～90%都有，常用离心泵的设计效率在30%～80%，比转速高的泵效率高一些。一般来说，大流量、低扬程泵的效率相对高一些。

泵的效率低除了设计因素以外，最关键的是泵的设计曲线与工艺需要的匹配，匹配度高，泵的效率就高，反之亦然。如何才能通过简单的改造达到节能的目的，常用的方法有2种，一是对泵重新设计，另外就是增加变频器。

泵的重新设计，可以让厂家进行计算，最简单的方法是只进行泵的叶轮改造，使新泵的性能曲线更加匹配工艺需要，这样就可以提高泵的效率，从而达到节能目的。天津乐金渤海化学有限公司曾经在2010年前后，对装置中的5台循环水泵进行了改造，改造后，泵的效率从56.3%提高至80%以上，大大节省了装置的电能。

通过增加变频器对泵进行变频改造，其原理也是通过变频，使泵的性能更加匹配工艺需要，从而达到节电目的。

比如工艺需要将水加压至0.5 MPa，而泵的出口压力是1 MPa，这样，泵出口有0.5 MPa 的压力损失，这些损失点是减压用的手阀或是调节阀等。所以，对于泵的节能，最重要的是泵的设计参数符合工艺需要，这样的话，可以最大限度的降低能源浪费。

1.2 压缩机与鼓风机

对于压缩机以及鼓风机而言，可能要复杂一些。其功率计算公式是：

式中，P 为风机的功率，kW；Q 为风量，m3/h；p 为风机的全风压，Pa，包括静压与动压，静压是用于客服管道阻力，动压是气体保持流动的动力。

式中：η0-风机的内功率，一般取0.75～0.85，小风机取低值、大风机取高值；η1-机械效率，（1）风机与电机直联取1；（2）联轴器联接取0.95～0.98；（3）用三角皮带联接取0.9～0.95。

从公式中可以看出，风机的效率与风机出口的全压力成正比，如果能够在工艺允许的范围内降低风机的出口压力的话，可以大大降低风机的运行效率，也就是要考虑工艺需求与压缩机或鼓风机的设计数据是一致的，这样就可以避免能源的不必要的浪费。

2 蒸汽

2.1 精馏塔

2.1.1 进料位置

对于精馏塔来说，其原理是塔盘上的气液平衡，也就是部分气化和部分冷凝。对于一次气化和冷凝来说，由于液体混合物中所含的组分的沸点不同，当在一定温度下部分气化时，因低沸点物易于气化，在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物的浓度较气相高。这就改变了汽液两相的组成。当对部分气化所得蒸汽进行部分冷凝时，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物的浓度较气相高，而冷凝气中低沸点物的浓度比冷凝液中要高，这样经过一次部分气化和部分冷凝，使混合液通过各组分浓度的改变得到了初步分离。如果多次的这样进行下去，将最终在液相中留下的基本上是高沸点的组分，在气相中留下的基本上是低沸点的组分。由此可见，多次部分气化和部分冷凝同时进行就可以将混合物分离为纯或比较纯的组分。

精馏塔的作用是物料分离，如果进料的组成与其所在塔盘处物料的组成相似，则会大大提高塔的运行效果。而如果相差过大，塔由于混入了与其组成不匹配的物料而使其组成发生跳跃，要分离就需要更多的能量，最终结果也就是塔效率下降及能量的浪费。

2.1.2 回流比

对塔来说，底部蒸汽提供了物料气化所需要的热量，同时，顶部的冷凝器为其提供物料冷凝所需要的冷量，而控制其冷量的方式是通过回流，顶部回流与底部蒸汽是匹配的，顶部回流越大，底部需要的蒸汽量就会越大。而回流如果过小，则会发生分离效果不理想的情况。所以，在满足分离效果的情况下，尽量降低塔的回流，也会减少塔的蒸汽消耗量。

对于塔的节能，还有一种方法是降低塔的压力。塔压下降，则塔中的物料更容易气化，气化所需要的蒸汽量就会降低，但同时，塔压下降在一定程度上会增加塔顶物料的冷凝难度，使塔顶需要的冷却水的流量增加。

2.2 加热器

化工厂中的加热节能，对于整个工厂来说，首先做能量平衡，把所有需要蒸汽加热的地方与需要用循环水等冷却的地方进行统计，把物料需要达到的条件以及现在的蒸汽、循环水的用量、温差等进行对比。如果有一种物料需要加热而另一种物料需要冷却的话，这2种物料之间可以考虑先进行换热，然后再用加热器或是冷却器调整至所需要的温度，这种情况是最节能的。该公司曾经通过对塔的塔底出料与其进料直接换热，大大节省了塔的蒸汽用量以及塔底循环水的用量。

在考虑以上情况的时候，不仅要考虑高温加热的物料，还要考虑低温加热的情况。该公司使用进口的乙烯，在乙烯罐中储存后，液体低温乙烯通过蒸汽加热气化后送至装置中使用。对其进行改造，用循环水对乙烯初步加热，使其由液体气化，然后用蒸汽进一步加热至所需要的温度，大大节省了蒸汽用量。该公司还计划进一步改造，用其他部门的冷冻水对乙烯加热，把冷冻机停用，这些都是考虑能量匹配的问题。

2.3 蒸汽伴热

化工厂的蒸汽伴热非常广泛，节能措施也非常简单：一个是保温状况好不好，对保温效果不好的地方进行改造；另一个是疏水器是否是新型节能的，如果不是进行更换。也有些工厂考虑将蒸汽伴热改为热水伴热，利用装置中无处使用的热水的热能伴热，但是要考虑伴热的要求，伴热管线需要达到的温度，如果使用水伴热，需要考虑管道尺寸是否可以满足等等，此处也不再赘述。

2.4 其他情况

装置中的蒸汽有3个等级：高压、中压以及低压蒸汽。高压及中压蒸汽在装置中非常好用，如果压力过高可以通过减压阀减压实现，但是如果压力过低（比如说压力只有1～2 kg/cm2·g），有时找不到合适的用户会白白放空。比较简单的方法是增加喷射器，通过高压或是中压蒸汽减压过程，吸入一部分低压蒸汽，来提高低压蒸汽的压力。当然，也可以考虑通过压缩机加压，将低压蒸汽压力上升后使用，但是这种情况的能量浪费严重：不仅蒸汽产量低且需要大量的电能。

如果装置中的蒸汽冷凝液压力足够高，也可以考虑其闪蒸生产蒸汽。装置中的中压蒸汽冷凝液（压力0.4 MPa），原设计送至低压蒸汽冷凝液罐中，而低压蒸汽冷凝液罐顶部有循环水冷却器，为了防止水的损失，通过顶部冷却器将蒸汽冷凝回收。通过新增加了1个闪蒸罐，将0.4 MPa 的蒸汽冷凝液闪蒸生产0.15 MPa 的蒸汽后，高温冷凝液不再送入低压蒸汽冷凝液罐，而直接送至脱氧器，由脱氧器收集后送至锅炉使用。通过以上改造，节省了大约5 t/h 蒸汽量。

在高压蒸汽减压至中压或是低压蒸汽的过程中存在能量损失，有些公司考虑在调节阀处增加发电装置，减压的同时发电。但是此种结构非常复杂，对蒸汽压力的稳定控制、所发电是否可并网以及投资费用等问题，还需要根据实际情况进一步研究。

3 燃料气

天然气的用处也非常广泛，特别是用于装置中的各种炉子：裂解炉、焚烧炉、蒸汽锅炉等，还有的用于发电、各种火炬。

对于各种炉子，要想节省天然气，有2种方案，一种是多产生热量；另外一种是少损失热量。

对于产生的热量：天然气的热值、空气及天然气的温度以及燃烧效果是主要影响因素，而产生热量的去处有：工艺需要的热量、烟气带走的热量和炉子本身的散热等3部分，其中，烟气带走的和炉子的散热是损失掉的。要想多产生热量，天然气的热值是一定的，无法控制。如果装置中有多余的低品位热源的话，可以考虑增加换热器先对天然气及空气进行加热，然后送至炉子中燃烧。对于天然气来说，增加加热器时只要考虑换热器的压降即可；而对于空气来说，如果是自然通风方式的，改造会有一定的难度，因为炉子负压操作，本身空气的压差就小，如果增加换热器的话，则会进一步增加空气的阻力，如果设计不好，则会影响空气流量，从而影响燃烧效果。如果是强制通风方式，改造起来相对要简单一些。相对来说，加热天然气要比加热空气简单，但因为燃烧时，空气流量大约是燃气流量的10倍左右，所以其加热效果要比加热空气小的多。

对于炉子损失来说，炉子本身散热可以通过对保温层的改造实现。最关键的是炉子内部保温，如果保温状况不好的话，会大大加速其热量损失。现在有在炉子外壁做涂层的，也可以降低炉子的散热量，最高可以耐250 ℃。但是，最重要的是做好炉子的内部保温。

另外一个比较大的热量损失点是炉子的烟气损失。如果烟气温度过高，可以考虑在炉子上部增加换热管，通过水或别的介质对烟气进行冷却。此种改造首先要考虑烟气的露点腐蚀，其次要考虑增加换热管后整台炉子的压力降，如果考虑周全的话，炉子的烟气温度可小于150 ℃。