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化工過(guò)程中節(jié)能降耗工藝設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：
2023-11-15 13:35
前言
節(jié)能既是一個(gè)老話題，又是新時(shí)期的一個(gè)重大戰(zhàn)略課題。由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源約束矛盾日益突出，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要制約因素。解決能源約束問(wèn)題，一方面要開(kāi)源。另一方面，就是必須堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先。化學(xué)工業(yè)由于能源消耗特別大，而且占國(guó)民經(jīng)濟(jì)的比重比較大，化工節(jié)能受到了各國(guó)化工從業(yè)人員的普遍的重視。化工節(jié)能設(shè)計(jì)也就成為一項(xiàng)新型的業(yè)務(wù)而得到迅速發(fā)展
1化工節(jié)能降耗的意義
1.1加強(qiáng)節(jié)能是化工企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生產(chǎn)水平的不斷提高，對(duì)能源的需求越來(lái)越大。到2020年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)要實(shí)現(xiàn)翻兩翻的目標(biāo)，必須提供充足的能源作為保證。化學(xué)工業(yè)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，同樣需要穩(wěn)定的能源供應(yīng)。我國(guó)的能源有限，國(guó)內(nèi)能源的供應(yīng)將面臨潛在的總量短缺，尤其是石油、天然氣供應(yīng)將面臨結(jié)構(gòu)性短缺，我國(guó)長(zhǎng)期能源供應(yīng)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)石油供應(yīng)的緊張，對(duì)化工工業(yè)的危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他工業(yè)部門。因此，節(jié)約能源，減少能源的消耗對(duì)化學(xué)工業(yè)來(lái)說(shuō)具有特別重要的意義，是化學(xué)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要前提。
1.2加強(qiáng)節(jié)能是化工企提高經(jīng)濟(jì)效益的需要
化工產(chǎn)品，尤其是高耗能產(chǎn)品的能源消耗占據(jù)產(chǎn)品成本的很大比例，最高可達(dá) 80%左右。節(jié)約能源降低能源費(fèi)用，就是降低產(chǎn)品成本，從而可以增加產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益。
1.3加強(qiáng)節(jié)能有利于環(huán)境保護(hù)
節(jié)能就意味著減少了能源的開(kāi)采與消耗，從而減少了煙、塵、二氧化硫污染物的排放。據(jù)報(bào)道，直接燃燒 lt 煤炭，可向大氣排放的污染物有粉塵9~1lkg，SOzx約16kg，NOx約3~9kg，還有大量CO2x。這些污染物是酸雨、溫室效應(yīng)、光化學(xué)煙霧大氣粉塵增加的主要原因。因此，節(jié)能降耗可大大有利于環(huán)境保護(hù)。
2化工過(guò)程能耗分析
能量的合理利用是指在用能過(guò)程中盡可能地減少過(guò)程的能量損失。化工過(guò)程的能耗由兩部分組成。第一部分是理想功，即完成過(guò)程必須的最小功。它是理論上必須消耗的功，不存在節(jié)能潛力;第二部分則是屬于能量損耗。其中又可分為不可避免的能量損耗與可避免的能量損耗兩類。第一類是為了保證過(guò)程以必要的速度進(jìn)行所需要的推動(dòng)力及由于各種目前尚無(wú)法消除的能量耗散效應(yīng)造成的。如果沒(méi)有這部分能量消耗，過(guò)程只能以無(wú)限慢的速度進(jìn)行顯然，這種速度無(wú)法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。這部分能量損耗雖然在目前條件下視為不可避免的，但隨著時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步有可能適當(dāng)?shù)慕档停瑓s無(wú)法消除。第二類則是由于實(shí)際過(guò)程存在的各種不合理的不可逆因素造成的能量損失，例如過(guò)大的過(guò)程推動(dòng)力，過(guò)大的流體阻力和散熱損失等這部分損失屬于可以避免的能量損失，即可以通過(guò)對(duì)過(guò)程分析和改造得以減少甚至消除。節(jié)能工作的任務(wù)就是設(shè)法通過(guò)各種措施來(lái)減少這部分能量的消耗。
3化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的節(jié)能裝置
3.1熱管換熱器
熱管是利用密閉管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝來(lái)進(jìn)行傳熱。利用熱管導(dǎo)熱能力強(qiáng)、傳熱量大的特點(diǎn)，以多根熱管作為中間傳熱元件，實(shí)現(xiàn)冷熱流體之間換熱的設(shè)備叫熱管換熱器。熱管換熱器屬于冷熱流量互不接觸的表面式換熱器。一般情況下，熱管換熱器有一個(gè)矩形的外殼，在矩形外殼中布滿了帶助片的熱管。在矩形殼體內(nèi)部的中央有一塊隔板把殼體分為兩個(gè)部分，一部分與熱流體通道相連，為熱管的蒸發(fā)段:另一部分與冷流體通道相連，為熱管的冷凝段。冷熱流體均在熱管外部橫向流過(guò)，通過(guò)熱管軸向傳輸熱量，將熱量從熱流體傳給冷流體。
3.2熱泵
熱泵是一種能使熱量從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體的能量利用裝置。適當(dāng)應(yīng)用熱泵，可以把不能直接利用的低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫臒崮埽瑥亩岣吣芰坷寐剩?jié)省燃料。
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，熱量不會(huì)自發(fā)地從低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體。因此，熱泵要完成自己的工作，就必須從外界輸入一部分有用能量，以實(shí)現(xiàn)這種能量的傳遞。
3.3蓄熱器
蓄熱器實(shí)際上是鍋爐與蒸汽用戶兩者之間儲(chǔ)存熱量的“熱庫(kù)”，在用汽量較低時(shí)把過(guò)剩的蒸汽儲(chǔ)存起來(lái)，到用汽量大而蒸汽不足的時(shí)候再取出來(lái)使用，從而起到調(diào)節(jié)用熱峰谷的作用。在用氣量以預(yù)期的規(guī)律變化時(shí)，蓄熱器可以使負(fù)荷持續(xù)平衡的時(shí)間達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天之久。根據(jù)壓力變化情況，蒂熱器可分為變壓式蓄熱器和定壓式蒂熱器。變壓式蓄熱器是由蓄熱器本體和控制蒸汽進(jìn)出的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥倆個(gè)主要組成。蓄熱器本體是鋼制的圓筒，在簡(jiǎn)體外側(cè)有良好的保溫，在筒體內(nèi)，裝有蒸汽分配管蒸汽噴嘴和水流循環(huán)筒。
容積一定的蒸汽蓄熱器，其蓄熱量或蒸汽發(fā)生量取決于充熱壓力與放熱壓力之間的壓力差的大小，以及放熱壓力絕對(duì)值的高低。充熱壓力越高，則充熱完成后得到的飽和壓力和溫度越高;放熱時(shí)壓力越低，則能蒸發(fā)的蒸汽量就越多，充熱壓力和放熱壓力的差別越大，蓄熱量就越大。放熱本身的大小也影響蓄熱量的多少
3.4變壓吸附
變壓吸附是利用特定吸附劑對(duì)各種氣體吸附能力的差異進(jìn)行氣體分離的一項(xiàng)技術(shù)。吸附分離的基本原理是當(dāng)流動(dòng)的氣體與多孔的固體顆粒相接觸時(shí)，由于該固體顆粒能有選擇地積累和凝聚氣體中一定組分在其內(nèi)外表面上，使該組分在固體表面上的濃度顯著增大從而達(dá)到分離的目的，這種現(xiàn)象稱為吸附。當(dāng)外界條件發(fā)生變化 (如溫度、壓力的變化)時(shí)，固體表面上被吸附的組分會(huì)重新返回氣體中，這一過(guò)程稱為解吸或脫附。
它可在常溫和較寬的壓力范圍內(nèi)操作，具有使用氣源廣、產(chǎn)品純度高、工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能效果顯等特點(diǎn)。目前，變壓吸附技術(shù)已廣泛用于制富氧空氣、氫氣，從合成氨弛放氣和焦?fàn)t煤氣中回收氫氣從含一氧化碳混合氣中制純一氧化碳，合成氨變換氣脫碳，天然氣凈化提純甲烷等領(lǐng)域
3.5膜技術(shù)
膜分離是借助膜的選擇滲透作用以及膜兩則的能量差(如壓差、濃度差。電位差等等) 對(duì)混合物中溶質(zhì)和熔劑進(jìn)行分離、提純的過(guò)程。膜分離技術(shù)不耗化學(xué)劑和添加劑，不會(huì)污染產(chǎn)品。滲透原理:在恒溫容器中，用半透膜《只允許熔劑分子通過(guò)而不允許溶質(zhì)分子通過(guò)的一種膜)將容器隔成兩個(gè)部分，一邊為純?nèi)軇?如水)，另一邊為含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液《如鹽水溶液)。由于純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)位高于溶液中熔劑的化學(xué)位，熔劑分子將透過(guò)半透膜從純?nèi)軇﹤?cè)向落液側(cè)滲透，使溶液側(cè)的壓力和溶液中熔劑的化學(xué)位隨之增加。當(dāng)溶液中熔劑的化學(xué)位與純?nèi)軇┑幕瘜W(xué)位相等時(shí)，滲透達(dá)到平衡狀態(tài)。
4常見(jiàn)的化工工藝節(jié)能措施
史密斯和林罹夫的“洋蔥頭”模型，十會(huì)直觀地表明反應(yīng)系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的核心，它強(qiáng)調(diào)了過(guò)程開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的有序和分層性質(zhì)。據(jù)此，提出主要的化工工藝節(jié)能措施如下:
4.1改變反應(yīng)工藝條件，降低工藝能耗
(1)降低反應(yīng)壓力。從而可以降低輸送反應(yīng)物的機(jī)泵能耗，尤其是明顯降低氣態(tài)反應(yīng)物的壓縮功
(2)降低吸熱反應(yīng)溫度，從而降低供熱溫位
(3)提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，抑制副反應(yīng)。從而減少反應(yīng)能耗和產(chǎn)品分離能耗。
4.2 選取適宜的設(shè)備，優(yōu)化作條件，降低分離過(guò)能耗
產(chǎn)品分離提純是化工裝置能量消耗的主要單元，選擇適宜的操作條件，如改變精餾塔的操作壓力，降低塔的回流比、回收蒸餾過(guò)程的顯熱和潛熱以及采用熱泵蒸館、增設(shè)中間換熱器、熱偶蒸館均可大大降低分離過(guò)程的能耗。
4.3加強(qiáng)余熱的回收
在化工過(guò)程中總會(huì)有余熱的排放。余熱在科學(xué)上也稱二次能源，它是一次能源在轉(zhuǎn)化中的產(chǎn)物，它又是化工生產(chǎn)能被直接利用的能量。如將高溫反應(yīng)余熱回收用于產(chǎn)生蒸汽供工藝使用，或?qū)⒌蜏匚坏挠酂嵊糜陬A(yù)熱工藝物料。熱管熱泵技術(shù)的應(yīng)用更可大大提高對(duì)低溫位余熱利用的程度。低溫余熱的回收利用，已成為當(dāng)今和將來(lái)余熱回收的重點(diǎn)
4.4選用高效設(shè)備和材料，提高設(shè)備效率
能量的利用是通過(guò)用能設(shè)備來(lái)轉(zhuǎn)化的，選用高效設(shè)備和材料，提高設(shè)備的效率是國(guó)外節(jié)能工作中的主要措施。比如，采用高效填料及高效傳熱設(shè)備改善傳傳熱性能，提高傳熱效率，選用新型絕熱材料和選擇合適的絕熱層厚度，可有效減少熱損失。推廣高效用能設(shè)備，除直接降低生產(chǎn)耗能外，還間接地使整個(gè)化工生產(chǎn)建立新的生產(chǎn)方式。
4.5提高催化劑的活性
催化劑是化工生產(chǎn)工業(yè)節(jié)能的關(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，使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率大幅度提高，溫度壓力條件下降，單位產(chǎn)品能耗顯著下降;另外，通過(guò)提高催化劑的選擇性，減少了副產(chǎn)物，即節(jié)約原料消耗，又降低了分離過(guò)程的負(fù)荷和能耗。例如，ICI公司用低壓(5MP)，低溫《270C)操作的基催化劑代替高壓(35MP)，高溫(3755C)的鋅鉻化劑合成甲醇，不僅使合成壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗減少 60%整個(gè)工藝的總動(dòng)力消耗減少 30%而且在較低溫度下副產(chǎn)物大大減少，節(jié)約了原料消耗和甲醇精餾的消耗結(jié)果使每噸甲醇的消耗從4190萬(wàn)KJ 降低到3600萬(wàn) kJ。
4.6開(kāi)發(fā)新新產(chǎn)方法
以節(jié)能為中心，開(kāi)發(fā)新工藝，新的生產(chǎn)方法。以便最合理地使用能源來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中，使副產(chǎn)物和廢棄物得到綜合利用，并實(shí)現(xiàn)最佳操作條件和自動(dòng)化控制，使生產(chǎn)和化學(xué)反應(yīng)在最優(yōu)化的條件下進(jìn)行，提高反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率，節(jié)約化工生產(chǎn)的能源。
5化工節(jié)能成果
改進(jìn)工藝，采用循環(huán)硫化床鍋爐。江蘇某化工有限公司在采取節(jié)能降耗工藝以前是一家瀕臨倒閉的國(guó)有小氮肥企業(yè)，該公司采用循環(huán)硫化床鍋爐，全面停用了煙煤，只用少量的煤屑配上 70%的造氣爐渣做燃料，噸氨煤耗降低 210 千克，年節(jié)約燃煤25000 噸，增效 1300 多萬(wàn)元，較好地實(shí)現(xiàn)了資源綜合循環(huán)利用。新建 中2800 造氣爐，配套了循環(huán)硫化床鍋爐，增加了造氣發(fā)氣量，多用型煤、少用塊煤，合成氨日產(chǎn)量提高20 噸，尿素日產(chǎn)量提高 4 噸以上，全年可提高尿素生產(chǎn)能力 14000 噸以上。另一方面，該公司采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的“三氣”回收裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)合成氨生產(chǎn)過(guò)程中“三氣”(再生氣、放空氣、馳放氣)的全部有效回收。每天回收的“三氣”增產(chǎn)碳 30 噸以上，單位能耗下降4.5%年節(jié)約原煤5000 余噸投入 130 萬(wàn)元新上3 臺(tái)()蒸發(fā)式凝器，杜絕了夏季冷凍崗位因高溫、超壓而放空、增開(kāi)冰機(jī)的情況，全年可節(jié)約用電 160多萬(wàn)千瓦時(shí)節(jié)約自用氮 90 余噸，避免企業(yè)主要污染物氨氣排放對(duì)大氣環(huán)境的污染。投入100 多萬(wàn)元，對(duì)“兩水”(冷卻水、循環(huán)水)進(jìn)行全面閉路循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了污水零排放，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效益。
6總結(jié)
在化學(xué)工業(yè)中，煤、石油和天然氣，既是能源又是寶貴的原料，節(jié)省了能源，也就是節(jié)省了化工原料，降低了成本。化工生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能可以通過(guò)加強(qiáng)余熱的回收、提高設(shè)備效率、降低過(guò)程能耗和開(kāi)發(fā)新工藝與新生產(chǎn)方法等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。如何在化工設(shè)計(jì)中充分運(yùn)用先進(jìn)的節(jié)能設(shè)備，采取適用的節(jié)能指施，為化工企業(yè)節(jié)能降耗奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，推動(dòng)精細(xì)化工企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)是化工工程技術(shù)人員的一個(gè)重要課題。化工節(jié)能今后的技術(shù)方向是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)條件的不斷優(yōu)化改造采用 DCS 控制系統(tǒng)保持反應(yīng)在最有條件下進(jìn)行，提高催化效率以及其使用壽命，努力實(shí)現(xiàn)以最小的投入產(chǎn)生最大的效益。
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