低分子燃料/化學(xué)品加工過程的能量系統(tǒng)優(yōu)化

華 賁

（華南理工大學(xué) 天然氣利用研究中心，廣東 廣州 510640）

特約述評(píng)

低分子燃料/化學(xué)品加工過程的能量系統(tǒng)優(yōu)化

華 賁

（華南理工大學(xué) 天然氣利用研究中心，廣東 廣州 510640）

綜述了低碳時(shí)代有機(jī)化工原料/產(chǎn)品的新格局，介紹了能量利用的原理和系統(tǒng)優(yōu)化方法。針對(duì)不斷涌現(xiàn)的由煤、生物質(zhì)或輕烴生產(chǎn)低碳燃料/化學(xué)品的新工藝、新裝置反應(yīng)/分餾過程溫度低、傳熱性能好等特點(diǎn)，提出并闡明了采用降低工藝總用能和過程 損耗、多塔熱集成以及采用循環(huán)熱媒水系統(tǒng)利用鄰近大型煉化企業(yè)中、低溫余熱等 “溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”的科學(xué)用能方法，進(jìn)行能量系統(tǒng)優(yōu)化，可使系統(tǒng)能耗大幅降低。

低分子燃料/化學(xué)品；系統(tǒng)優(yōu)化；低溫?zé)崂?；?jié)能

21世紀(jì)初是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源、環(huán)境之間的關(guān)系開始發(fā)生重大變革的時(shí)代。氣候變化、碳減排所促進(jìn)的科技變革在未來50年將推動(dòng)人類對(duì)能源利用發(fā)生第三次大轉(zhuǎn)型。該轉(zhuǎn)型包括一次能源向低碳的轉(zhuǎn)型和在新科技突破推動(dòng)下能源終端利用方式的轉(zhuǎn)型。除工業(yè)、建筑物、交通運(yùn)輸外，能源終端耗費(fèi)的第四個(gè)領(lǐng)域——有機(jī)化工原料，也必將轉(zhuǎn)向新的格局［1-3］。

本文綜述了低碳時(shí)代有機(jī)化工原料/產(chǎn)品的新格局，介紹了能量利用的原理和系統(tǒng)優(yōu)化方法；提出并闡述了低分子燃料/化學(xué)品加工過程的用能特點(diǎn)、優(yōu)化途徑以及與鄰近工業(yè)園區(qū)或大型煉（煤）化企業(yè)的熱聯(lián)合。

1 低碳時(shí)代有機(jī)化工原料/產(chǎn)品的新格局

目前世界耗用的一次能源所占比例排序依次為石油、煤、天然氣、核能及可再生能源的狀況，在2030—2040年間將發(fā)生逆轉(zhuǎn)?？稍偕茉磳⒊蔀橹髁Γ浯问翘烊粴?、帶二氧化碳撲集和封存的煤、石油。2010—2050年世界和中國的一次能源構(gòu)成走勢(shì)見圖1。

圖1 2010—2050年世界（A）和中國（B）的一次能源構(gòu)成走勢(shì)［1］Fig.1 Trends of world(A) and China(B)’s primary energy resources in 2010-2050 Year［1］.(a) Oil；(b) Coal；(c) Natural gas；(d) Nuclear energy and renewable energy

在一次能源向低碳轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)倒逼之下，工業(yè)、建筑物、交通運(yùn)輸三大耗能領(lǐng)域的能源利用模式和有機(jī)化工原料構(gòu)成將在新的科技突破推動(dòng)下發(fā)生巨大變革。在中國，有機(jī)化工原料耗能將由2010年的0.18 Gt（占總能耗的6%，其中50%來自石油、7%來自煤）變化為2030年的0.60 Gt（占總能耗的12%），總量增長(zhǎng)3倍多，其中不同能源所占比例大致為石油2/5、煤1/3、生物質(zhì)1/4，初步呈現(xiàn)“三分天下”的局面。有機(jī)化工原料耗能總量增長(zhǎng)快的重要原因是單位產(chǎn)品消耗的煤和生物質(zhì)原料比石油多。圖2給出了未來石油、煤、生物質(zhì)生產(chǎn)燃料和化學(xué)品的格局［1］。

圖2 未來石油、煤、生物質(zhì)生產(chǎn)燃料和化學(xué)品的格局Fig.2 Pattern of fuel and chemicals produced from petroleum，coal and biomass in the future.

近年來，中國石油對(duì)外依存度不斷攀升，2012年已達(dá)57%，并且價(jià)格保持高位，而國內(nèi)煤和生物質(zhì)資源相對(duì)豐富，價(jià)格較低，促進(jìn)國內(nèi)有機(jī)化工產(chǎn)業(yè)格局悄然發(fā)生變化?，F(xiàn)代煤化工快速發(fā)展，已成為世界的領(lǐng)頭羊。煤制天然氣已立項(xiàng)的總產(chǎn)能達(dá)160 Gm3/a，若其全部投產(chǎn)將耗煤750 Mt/a。規(guī)劃和在建的直接和間接煤制油項(xiàng)目產(chǎn)能已達(dá)50 Mt/a，煤制烯烴產(chǎn)能達(dá)20 Mt/a，煤制甲醇、二甲醚和乙二醇的產(chǎn)能達(dá)13 Mt/a。2012年2月5日工業(yè)和信息化部發(fā)布石化產(chǎn)業(yè)“十二五”規(guī)劃，將在蒙古、陜西、新疆、寧夏、貴州等地建成若干大型“煤化工煤電化熱一體化集群產(chǎn)業(yè)基地”，屆時(shí)煤制烯烴產(chǎn)量將占總產(chǎn)量的20%。

我國生物資源理論總量達(dá)65 Gt/a，實(shí)際可用的資源中作物秸稈約0.68 Gt/a、林木廢棄物0.2 Gt/ a以上、畜禽糞便約3.0 Gt/a、城市垃圾約15.5 kt/a。近年來，生物質(zhì)資源化利用技術(shù)不斷創(chuàng)新，自主創(chuàng)新的固體熱載體循環(huán)流化床快速熱解工藝已獲成功。20 kt/a農(nóng)作物秸稈熱解工業(yè)示范裝置已實(shí)現(xiàn)定型和標(biāo)準(zhǔn)化。200 kt/a生物質(zhì)循環(huán)流化床快速熱解裝置也已建成投產(chǎn)。等離子復(fù)合熱解技術(shù)和各種酶化學(xué)、光化學(xué)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)也都在研究開發(fā)過程中。生物質(zhì)制乙醇已從糧食原料轉(zhuǎn)向纖維素；生物質(zhì)制丁醇技術(shù)已經(jīng)投產(chǎn)。煤基和生物質(zhì)基經(jīng)由合成氣（甲醇）或直接轉(zhuǎn)化為醇、醚、芳烴等低分子基本有機(jī)化工原料的新工藝路線不斷涌現(xiàn)。這些都沖擊著迄今石油一統(tǒng)天下的集“煉化一體化”生產(chǎn)所有燃料/化學(xué)品的格局?？梢灶A(yù)見，以碳中和的生物質(zhì)為原料的有機(jī)化工產(chǎn)業(yè)，將有日新月異的發(fā)展。

多年來，我國煉油/石油化工企業(yè)以車船燃料和“三大合成”高分子產(chǎn)物為主要目的產(chǎn)品，石油資源利用粗獷，加上天然氣發(fā)展滯后，致使每年有數(shù)千萬噸本可用作化工原料的C2～4烴類以煉廠干氣和液化氣的形式被當(dāng)作燃料燒掉。油氣田每年也有數(shù)百億立方米的C2～4輕烴被放火炬燃燒。隨著天然氣在一次能源中所占的比例快速提高，逐漸把輕烴從燃料領(lǐng)域中頂替出來，同時(shí)石油價(jià)格居高不下，輕烴深加工為化學(xué)品裝置的經(jīng)濟(jì)效益日益突出。近年來，已有越來越多的企業(yè)投資建設(shè)各種石油輕烴深加工生產(chǎn)低分子燃料/化學(xué)品的裝置。

由1978年至今，中國煉化工業(yè)節(jié)能經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，從一個(gè)個(gè)裝置的節(jié)能改造，發(fā)展到全局能量系統(tǒng)優(yōu)化，得到了一些有效的方法，能源利用效率已逐漸接近國際先進(jìn)水平。但近年來由煤炭、發(fā)電及其他企業(yè)投資興建的一批煤/生物質(zhì)基低分子有機(jī)化工裝置，從實(shí)驗(yàn)室工藝、催化劑研究成果放大到工業(yè)規(guī)模的裝置過程中，往往只著眼于打通物料流程和提高收率，較少深入考慮能量利用的優(yōu)化匹配，致使能耗在總成本中所占的比例較高，削弱了與石油路線的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)增加了環(huán)境和碳排放的成本。

2 能量利用的原理和系統(tǒng)優(yōu)化方法簡(jiǎn)介

2.1 分餾塔的用能本質(zhì)和優(yōu)化改進(jìn)策略

以煉化企業(yè)中最具代表性的分餾塔為例來說明用能的本質(zhì)［2］。圖3（a）為一個(gè)簡(jiǎn)單分餾塔；圖3（b）～（d）是根據(jù)熱力學(xué)第二定律分析得到的分餾塔內(nèi)能量演變過程的ε-Q圖。其中，ε為分餾塔內(nèi)不同部分的能量品位，又稱能級(jí)系數(shù)，其表達(dá)式與卡諾因子相同，即ε=1-T0/T（T0，T分別為基準(zhǔn)溫度和該能流的溫度）；Q為熱量。

當(dāng)前分餾塔的用能情況見圖3（b），其中，藍(lán)色矩形的寬度代表在再沸器中蒸汽飽和溫度（Tr）下蒸汽攜入的熱量，忽略蒸汽脫過熱的顯熱后，冷凝過程是恒溫的，所以Tr曲線是水平線段。在ε-Q圖上水平線段到橫軸之間的面積是該熱量相應(yīng)的有效能（，Ex），表達(dá)式為：Ex=∫（1-T0/T）dQ。在圖3上表現(xiàn)為4種顏色矩形面積的總和。藍(lán)色矩形的面積代表再沸器傳熱的損耗；紅色矩形的面積代表分餾塔的分離和傳質(zhì)過程的損耗；綠色矩形的面積代表塔頂冷卻器傳熱的損耗；黃色矩形的面積代表冷凝冷卻器后由循環(huán)冷卻水排棄的損耗。

圖3 分餾塔節(jié)能示意圖［2］Fig.3 Energy-saving schematic diagram of distillation tower［2］.Tr：steam saturation temperature；Tb：tower bottom temperature；Tc：cooling water temperature；Td：tower top temperature；ε：quality of energy；Q：heat.■ Reboiler exergy loss；■ Column exergy loss；■ Cooler exergy loss；■ Coling water exergy loss；■ Exergy recovered

由圖3（b）可見，為完成分離操作，所供入的在推動(dòng)4個(gè)傳遞過程中被消耗掉。從傳遞過程的動(dòng)力學(xué)角度分析，前3個(gè)損耗不是無意義的損失，而是過程推動(dòng)力的代價(jià)。如藍(lán)色矩形中，縱坐標(biāo)的高度代表再沸器的傳熱溫差ΔT=Tr-Tb（Tb為塔釜溫度），即為傳熱傅里葉方程中的傳熱推動(dòng)力：Q=KFΔT（K為傳熱系數(shù)，F(xiàn)為傳熱面積）。同理，紅色矩形中Tb與Td（Td為塔頂溫度）的溫差是分餾過程的推動(dòng)力；綠色矩形中Td與Tc（Tc為冷卻水溫度）的溫差是塔頂冷卻器的傳熱推動(dòng)力。

分餾塔用能優(yōu)化改造措施可分為兩大類。第一類措施是降低工藝總用能，即增加塔的理論板數(shù)，減少回流比，從而減少再沸器供入的能量。在ε-Q圖上表現(xiàn)為矩形方框“變瘦”（見圖3（c））。建于20世紀(jì)70年代的某鄰二甲苯分餾塔回流比高達(dá)27，再沸器耗蒸汽量很大；將浮閥塔盤改為高效的規(guī)整填料并增加理論板數(shù)，使回流比由27降至14，可使再沸器供入的蒸汽量減少一半。這類措施的優(yōu)化方法是通過模擬計(jì)算和系統(tǒng)建模求解，計(jì)算出年度化投資和操作費(fèi)用總和最小的回流比和塔板數(shù)。這是一個(gè)二維函數(shù)求極值問題，并不復(fù)雜。

第二類措施是減少過程損耗。該措施是建立在熱力學(xué)第二定律分析即分析理論的基礎(chǔ)上。再沸器用210 ℃的中壓蒸汽加熱塔底溫度為169 ℃的塔釜液，傳熱溫差高達(dá)41 ℃；傳熱溫差過大，損耗偏高，屬于“高能低用”。采用分餾塔間熱集成的方法，將后續(xù)的、也用210 ℃蒸汽作再沸器熱源的乙苯塔適當(dāng)升壓，使塔頂?shù)臏囟壬?85℃，即可把乙苯塔塔頂?shù)臍庀嗬淠裏嶙鳛猷彾妆剿自俜衅鞯臒嵩?，替代?10 ℃的中壓蒸汽，這樣再沸器的傳熱溫差可由原來的41 ℃降至16℃，損耗相應(yīng)減小。即由于損耗減小，可使210 ℃的中壓蒸汽的先后在乙苯塔和鄰二甲苯塔上使用兩次（210 ℃—185 ℃—169 ℃）。這是“高能高用、低能低用，溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”科學(xué)用能原理的實(shí)例詮釋。

由于鄰二甲苯塔的回流比由27降至14，塔底再沸器熱負(fù)荷也減少了一半，按照傳熱方程Q=KFΔT，若Q和ΔT同比例減小，F(xiàn)可保持不變，所以還可以使用原有的再沸器。一般情況下，若ΔT減小而Q不變時(shí)，可對(duì)再沸器進(jìn)行改造，或采用強(qiáng)化傳熱的換熱元件提高傳熱系數(shù)，或增加傳熱面積，以確保ΔT減小后的傳熱負(fù)荷。

鄰二甲苯塔改用填料后，使全塔壓降大幅下降，在塔底溫度不變時(shí)，塔頂溫度由原來的145 ℃升至150 ℃，溫差（損失）減小，有利于將原來的冷凝冷卻器改為蒸汽發(fā)生器，利用塔頂冷凝熱制備0.2 MPa（絕壓，115 ℃）的飽和蒸汽，傳熱溫差由115 ℃降至30 ℃。減少的損失變成低壓蒸汽的，供后續(xù)苯乙烯裝置的分餾塔再次使用。這種情況反映在ε-Q圖上表現(xiàn)為藍(lán)色、紅色、綠色3個(gè)矩形都變“扁”（見圖3（d）），總損失大幅減小，所以能夠用于制備淺綠色矩形代表的蒸汽，使210℃蒸汽的能量可被利用3次，這稱為塔系的“熱集成”，也是第三類改造措施。改造前后的流程見圖4［2］。

圖4 某二甲苯分餾系統(tǒng)節(jié)能改造前（a）后（b）的流程［2］Fig.4 Flow sheet of a dimethyl benzene fractionation system before(a) and after(b) revamp［2］.

2.2 能量利用的本質(zhì)和節(jié)能原理

由2.1節(jié)的分析可知，在第二類改造措施中所利用的能量總量沒有改變，但能量利用前后的品位（即質(zhì)量）改變了，這是節(jié)能原理中最關(guān)鍵的部分。能量被利用體現(xiàn)在利用前后能量品位的降低上。能量質(zhì)量降低的科學(xué)表述就是“的損耗”，在ε-Q圖上表示為兩個(gè)溫度線段之間矩形的面積。減小傳熱溫差（矩形面積減?。┮越档蛽p失，就是使能量少降質(zhì)，就可創(chuàng)造多利用一次的條件。圖3（d）中再沸器傳熱、分餾塔的分離及傳質(zhì)和塔頂冷卻器傳熱3個(gè)單元過程損耗的減小，導(dǎo)致原來只利用一次的210 ℃蒸汽的冷凝潛熱可先后在乙苯塔、鄰二甲苯塔和苯乙烯塔中使用3次。這就是在能量的利用時(shí)，不是利用它的數(shù)量而是利用它在某一個(gè)溫位的質(zhì)量的道理［4］。如果把一個(gè)復(fù)雜過程體系中的多個(gè)不同品位用能很好地整合起來，形成能量梯級(jí)利用結(jié)構(gòu)，能量利用效率就能成倍提高。這種在能量回收子系統(tǒng)的多個(gè)熱源、多個(gè)熱阱之間通過優(yōu)化匹配，達(dá)到投資加損耗的總費(fèi)用最小的節(jié)能措施，是一種非常重要的第三類改造措施，稱作熱回收（或換熱）網(wǎng)絡(luò)（HEN）優(yōu)化方法。上述案例的能耗可降低80%，表明分餾過程系統(tǒng)具有巨大的節(jié)能潛力。由于第二、三類改造措施涉及動(dòng)力學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)及其他方面，因此至今無法簡(jiǎn)單地依靠計(jì)算機(jī)程序優(yōu)化求解，但可用自編局部?jī)?yōu)化程序加快計(jì)算?！皧A點(diǎn)技術(shù)”就是一種基于試探的HEN優(yōu)化方法。

2.3 掌握“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”科學(xué)用能的尺度

“高熱高用”要求避免熱能降質(zhì)，就必須減小傳熱溫差，但傳熱溫差降低到何種程度合理呢？從傳遞過程的角度分析，傳熱溫差是傳熱過程的推動(dòng)力，溫差越大，推動(dòng)力越大，所需的換熱面積越小，投資費(fèi)用越少。 但從熱力學(xué)角度看，溫差越大，損耗越大，能源費(fèi)用越多。反之，傳熱溫差太小雖然損耗小，但傳熱面積過大，投一定的資費(fèi)用過多，不經(jīng)濟(jì)。因此在一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，即一定的能源與設(shè)備的比價(jià)格下，傳熱溫差有一最優(yōu)值。換熱器最優(yōu)傳熱溫差是能源價(jià)格、設(shè)備價(jià)格和換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)等的函數(shù)，是一個(gè)非常復(fù)雜的超越函數(shù)，需要經(jīng)由計(jì)算機(jī)編程求解，詳見文獻(xiàn)［5］。優(yōu)化的傳熱溫差隨能源價(jià)格改變的規(guī)律可以由歷史數(shù)據(jù)得到證明：20世紀(jì)70年代前，原油價(jià)格為2 $/桶，原油換熱器的平均傳熱溫差ΔT=80～100℃；20世紀(jì)80年代后，原油價(jià)格為10～30 $/桶，ΔT降低為30 ℃。

按照文獻(xiàn)［5］報(bào)道的公式編制程序計(jì)算，在目前一般的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下（按原油價(jià)格約100 $/桶、換熱器造價(jià)16 000～20 000元/t計(jì)），幾種溫位的物流換熱的最優(yōu)傳熱溫差（ΔTopt）如下：1）200 ℃左右，原油與各側(cè)線、回流熱換熱的ΔTopt一般為10～15 ℃；2）150 ℃左右，各側(cè)線、回流熱與熱媒水換熱的ΔTopt一般為9～15 ℃；3）用0.1 MPa蒸汽作為分餾塔再沸器的ΔTopt一般為8～13 ℃；4）深冷（-100 ℃或更低）情況下，輕烴介質(zhì)的ΔTopt一般為2～4 ℃［5］。

縱觀目前運(yùn)行的煉油化工裝置，大部分是在幾年前能源價(jià)格較低時(shí)建設(shè)的，它們實(shí)際的傳熱溫差遠(yuǎn)大于上述數(shù)據(jù)。由此可見，隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的改變，進(jìn)一步節(jié)能的潛力是客觀存在的。

“夾點(diǎn)技術(shù)”中的一個(gè)步驟“Super targeting”實(shí)質(zhì)上就是用二維曲線求極值的方法確定在現(xiàn)實(shí)的能源和設(shè)備價(jià)格下的“最小夾點(diǎn)溫差（ΔTmin）”，但需指出ΔTmin是HEN網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)，而ΔTopt是指一個(gè)個(gè)換熱器的設(shè)計(jì)參數(shù)，后者更有切實(shí)的指導(dǎo)作用，應(yīng)用更普遍。

3 低分子燃料/化學(xué)品加工過程的用能特點(diǎn)和優(yōu)化途徑

3.1 低分子燃料/化學(xué)品化工生產(chǎn)過程的用能特點(diǎn)

化工生產(chǎn)過程是由諸多單元操作按照物料流、能量流、信息流的規(guī)律組合構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。為降低能耗、提高經(jīng)濟(jì)效益，必須從能量流變化角度分析，審視低分子燃料/化學(xué)品的化工生產(chǎn)過程。通過分析可以看出，低分子燃料/化學(xué)品的化工生產(chǎn)過程有6個(gè)共同特點(diǎn)：1）反應(yīng)溫度和壓力不太高，一般在常壓、200 ℃以下，一些酶化學(xué)反應(yīng)有時(shí)只在幾十℃下進(jìn)行；有吸熱反應(yīng)，也有放熱反應(yīng)。2）由于溫度適中，反應(yīng)產(chǎn)物的分離和提純大部分通過分餾實(shí)現(xiàn)，并且常常是多組分分餾。分餾塔的塔底、塔頂溫度都不太高，通常在200 ℃以下。3）針對(duì)這樣的溫度和壓力條件，傳統(tǒng)技術(shù)一般以低壓蒸汽作為再沸器的加熱介質(zhì)，塔頂以循環(huán)冷卻水為冷凝冷卻取熱手段，如圖3（a）。這種傳統(tǒng)用能模式，蒸汽的冷凝熱只用一次，難免“高能低用”。4）低分子烴類或含氧化合物的黏度較低，熱穩(wěn)定性和傳熱性能好。針對(duì)此類化合物的無相變傳熱和冷凝、沸騰傳熱過程，研究開發(fā)了多種強(qiáng)化傳熱技術(shù)和元件，可使換熱器的總傳熱系數(shù)成倍提高，具備了減小傳熱溫差、降低損耗、實(shí)現(xiàn)“梯級(jí)利用”的條件。5）分餾過程耗熱（塔釜再沸器供熱）和放熱（塔頂冷凝冷卻器放熱）的溫位可以隨塔的操作壓力和全塔壓降而改變，有一定的調(diào)節(jié)自由度，易于實(shí)現(xiàn)多塔之間的熱集成。6）近年來，分餾塔的塔板、降液管、填料、分布器等硬件技術(shù)都有長(zhǎng)足的進(jìn)展，為通過增加理論板數(shù)、減小回流比、降低再沸器熱負(fù)荷創(chuàng)造了更好的條件。

以上特點(diǎn)為此類過程通過單元和系統(tǒng)優(yōu)化，包括熱集成、強(qiáng)化傳熱來大幅降低能耗，奠立了很好的基礎(chǔ)。

3.2 低分子燃料/化學(xué)品化工生產(chǎn)過程的能量系統(tǒng)優(yōu)化潛力和思路

鑒于低分子燃料/化學(xué)品化工生產(chǎn)過程用能存在3.1節(jié)中所述的6個(gè)特點(diǎn)，圖3（c）和（d）所示的兩類節(jié)能改造措施在此過程中均可普遍推廣應(yīng)用。如某每年數(shù)十萬噸醚前液化氣深加工項(xiàng)目包括混合碳四脫硫、分離裝置，甲基叔丁基醚合成、裂解裝置等約10套，分餾塔幾十座。沿用傳統(tǒng)的塔底蒸汽再沸器加熱、塔頂循環(huán)水冷凝冷卻的設(shè)計(jì)思路，需耗用低壓蒸汽數(shù)百噸/小時(shí)。而若掌握了上述分餾節(jié)能的原理和系統(tǒng)優(yōu)化方法，在采用降低工藝總用能和減少過程損耗措施的基礎(chǔ)上實(shí)行熱集成的能量梯級(jí)利用，則可減少一半的能耗。

應(yīng)用流程模擬技術(shù)和建模優(yōu)化技術(shù)已可以快速求得每個(gè)分餾塔的最優(yōu)塔板數(shù)或回流比。塔系熱集成的優(yōu)化匹配相對(duì)復(fù)雜一些，但按照下列8條準(zhǔn)則認(rèn)真探索，不難實(shí)現(xiàn)。1）開展單元設(shè)備優(yōu)化，求得各個(gè)分餾塔最優(yōu)回流比和塔板數(shù)，包括采用強(qiáng)化傳質(zhì)的新型、高效塔板或填料，以節(jié)省投資，作為系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)。2）優(yōu)先考慮各個(gè)裝置之間的熱出料。在現(xiàn)代操作和控制技術(shù)條件下，已不需要把裝置與裝置之間完全用中間罐隔離開來，能熱出料到下游裝置就不必“冷下來”再“加熱上去”，耗費(fèi)兩次損耗。3）在熱出料的基礎(chǔ)上，優(yōu)先在裝置內(nèi)開展塔與塔之間的熱集成。至于不同裝置間的塔系熱集成，只要充分考慮安全、開停工、緊急事故預(yù)案并采取應(yīng)對(duì)措施也是可行的。4）熟練運(yùn)用物流的t=f（p）（t為溫度，p為壓力）函數(shù)關(guān)系，試探變更塔壓和溫度，尋找熱集成的機(jī)會(huì)。按照現(xiàn)實(shí)的能源價(jià)格和設(shè)備價(jià)格計(jì)算冷熱流之間匹配的ΔTopt，實(shí)現(xiàn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)最小的損耗，為能量的梯級(jí)、多次利用創(chuàng)造條件。5）在物性適宜時(shí)，以填料替代塔板可降低全塔壓降，從而減小塔頂與塔底的溫差和損耗。6）換熱器ΔTopt的核算，實(shí)質(zhì)上是通過權(quán)衡傳熱面積（投資）與傳熱損耗（能耗費(fèi)用），以求得總費(fèi)用最少， 是傳熱損耗最小化的科學(xué)判據(jù)。7）盡可能采用強(qiáng)化傳熱技術(shù)和元件，以提高傳熱系數(shù)來適應(yīng)小溫差，比單純靠增加傳熱面積來適應(yīng)小溫差更經(jīng)濟(jì)。8）采用熱聯(lián)合措施，協(xié)同考慮鄰近企業(yè)的低溫余熱，以全局最優(yōu)為目標(biāo)，梯級(jí)利用外部低溫?zé)嵩?，將更具有?jīng)濟(jì)性［6］。

4 低分子燃料/化學(xué)品加工企業(yè)與鄰近工業(yè)園區(qū)或大型煉（煤）化企業(yè)的熱聯(lián)合

4.1 擴(kuò)大能量系統(tǒng)優(yōu)化的空間視野

由于未來有機(jī)化工呈現(xiàn)石油、煤、生物質(zhì)多元原料生產(chǎn)燃料、化學(xué)品的格局。相當(dāng)部分的低分子燃料/化學(xué)品化工生產(chǎn)裝置可能并不在石油（煤）化工廠內(nèi)，而是形成獨(dú)立的企業(yè)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維會(huì)為其規(guī)劃設(shè)計(jì)配套的公用工程系統(tǒng)（蒸汽動(dòng)力、給排水、電工儀表等）。200 ℃左右的用能溫位，若直接采用天然氣等一次能源供熱，顯然是嚴(yán)重的“高能低用”。從大系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化角度看，有兩條出路：1）若周圍沒有大型有機(jī)化工企業(yè)，則可融入所在地工業(yè)園區(qū)的冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)，即利用天然氣冷熱電聯(lián)供能源系統(tǒng)汽輪機(jī)低壓抽汽作為熱源。同時(shí)，各個(gè)塔頂循環(huán)冷卻水的低溫廢熱，還可采用熱泵技術(shù)適當(dāng)升級(jí)，作為鄰近建筑物供暖或農(nóng)業(yè)大棚的熱源。2）附近有大型煉化企業(yè)（以石油或煤為原料），則可以盡可能充分利用這些企業(yè)中大量高溫裝置難以自身消化的中、低溫余熱，構(gòu)建科學(xué)用能的“宏觀熱集成”系統(tǒng)［7］。

4.2 通過熱媒水循環(huán)系統(tǒng)利用大型煉（煤）化企業(yè)的低溫余熱

大型煉（煤）化企業(yè)中大量一、二次加工裝置是溫度高且熱量過剩的。不斷深入地在全廠范圍內(nèi)進(jìn)行能量系統(tǒng)優(yōu)化固然能使一部分余熱用于低溫工藝裝置和輔助系統(tǒng)，但許多情況下，還會(huì)有多余的熱量可在企業(yè)周邊更大的系統(tǒng)尋求集成優(yōu)化，即能量系統(tǒng)優(yōu)化范圍由企業(yè)擴(kuò)大到鄰近的“能流循環(huán)經(jīng)濟(jì)園區(qū)”。集成的能流既可以是高端的電力、蒸汽、氫氣，也可以是低端的余熱。對(duì)于低分子燃料/化學(xué)品化工生產(chǎn)裝置，一種可以普遍推廣的形式是通過熱媒水循環(huán)系統(tǒng)利用大型企業(yè)的中、低溫余熱。

與蒸汽相比，以熱媒水為載能介質(zhì)用作分餾塔再沸器的熱源，具有4個(gè)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1）熱損失小，僅限于表面散熱，可通過加強(qiáng)保溫來控制。而用過熱蒸汽進(jìn)行加熱時(shí)，過熱部分的氣相傳熱系數(shù)很低，需要有相當(dāng)大的傳熱面積；蒸汽凝結(jié)水常常在飽和溫度下直接排出，過冷部分熱量沒有得到合理利用，蒸汽的能量通常只用了80%。

2）易于操作控制。用熱媒水加熱時(shí)，通過旁路角閥控制進(jìn)入再沸器的熱水流量可靈敏地控制塔釜溫度，比用蒸汽再沸器控制的損耗更小。

3）蒸汽的壓力等級(jí)級(jí)差大，通常中壓為4 MPa、250 ℃，低壓為1 MPa、180 ℃。對(duì)于不同的塔釜溫度需求，很難做到“溫度對(duì)口”，導(dǎo)致過大的傳熱溫差和損耗。用于加熱的溫度范圍不僅可按最優(yōu)傳熱溫差安排，且可多次、梯級(jí)使用。

4）作為企業(yè)之間的熱集成，熱媒水的輸送、計(jì)量以及緊急情況下的處理預(yù)案均更方便。

4.3 通過熱媒水實(shí)施企業(yè)間熱集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

通過熱媒水實(shí)施企業(yè)間熱集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法包括以下6個(gè)步驟。

步驟一：在單元優(yōu)化和塔系熱集成初步方案的基礎(chǔ)上，按照鄰近企業(yè)能夠提供的中、低溫?zé)岬臄?shù)量和溫位，展開優(yōu)化匹配研究，擬訂初步的集成方案，即大致選定適宜于采用熱媒水供熱的用戶（分餾塔或反應(yīng)器）的溫位和熱負(fù)荷。

步驟二：按照溫位高低排列所有冷、熱流，在T-H（H為熱焓）圖上畫出熱源、熱阱兩條負(fù)荷曲線，注明溫度區(qū)間、流量和熱容流率。

步驟三：按照文獻(xiàn)［5］報(bào)道的方法，計(jì)算目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下熱媒水與油品換熱的ΔTopt，作為合成優(yōu)化的換熱網(wǎng)絡(luò)的初始判據(jù)。由于具體的物性和經(jīng)濟(jì)條件不同，ΔTopt不是常數(shù)，但在一定的工程項(xiàng)目范圍內(nèi)，變化不大。在T-H圖上熱源、熱阱兩條復(fù)合曲線之間，以ΔTopt為尺度畫出一條代表循環(huán)熱媒水的直線，使其斜率大致介于熱源復(fù)合曲線的平均斜率與熱阱復(fù)合曲線的平均斜率之間?？上裙潭嵩辞€，通過左右移動(dòng)熱阱曲線和熱媒水直線，實(shí)現(xiàn)符合ΔTopt尺度的3條曲線的配合。此時(shí)，熱媒水直線與熱源、熱阱2條復(fù)合曲線在H軸投影的重合部分，即為可回收利用的低溫?zé)?；直線兩端點(diǎn)的溫差是熱媒水的溫升。由直線的斜率可計(jì)算出熱媒水的流量。圖5為由ΔTopt決定的熱源、熱阱與熱媒水循環(huán)系統(tǒng)的T-Q曲線［8］。

圖5 熱源、熱阱與熱媒水循環(huán)系統(tǒng)的T-Q曲線Fig.5 Composite curves on T-Q coordination of heat source，heat sinks and hot water cycling system.(a) Low temperature heat source composite curve；(b) Heat sink composite curve；(c) Hot water curve

步驟四：以步驟三為指導(dǎo)，合成熱源-熱媒水換熱網(wǎng)絡(luò)。按熱媒水的流量和溫升，根據(jù)總平面布置，按照“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”和熱媒水管線盡可能短的原則，運(yùn)用分流-合流手段，合成初始的熱源-熱媒水換熱網(wǎng)絡(luò)。注意調(diào)整分流的各支路水量以使合流點(diǎn)處各支路的水溫盡量一致，同時(shí)必須避免偏離ΔTopt太大的匹配。

步驟五：按照同樣的方法，合成熱媒水-熱阱換熱網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，可能需要調(diào)整前面已擬訂的塔系熱集成方案，使之相互協(xié)同，選擇最好的方案。根據(jù)雙方的協(xié)議確定工作分工。步驟四也可由提供熱媒水的企業(yè)自己完成。

步驟六：根據(jù)柔性（對(duì)季節(jié)等變化條件的適應(yīng)性）、可操作性、可靠性，以及安全、設(shè)備限制、開停工、事故處理等各項(xiàng)要求，對(duì)兩個(gè)初始換熱網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)熱媒水參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，形成滿足實(shí)際工程要求的系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱媒水循環(huán)泵、緩沖罐，以及控制來水和回水溫度的兩個(gè)控制回路（見圖6）。

圖6 通過熱媒水的大系統(tǒng)低溫?zé)崂昧鞒蹋?］Fig.6 Flow sheet of low-grade heat utilization system with cycling hot water［8］.

4.4 兩個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)及其間的集成模擬和協(xié)調(diào)優(yōu)化

兩個(gè)換熱網(wǎng)絡(luò)及其間的集成模擬和協(xié)調(diào)優(yōu)化是設(shè)計(jì)和操作調(diào)節(jié)熱聯(lián)合的關(guān)鍵。如上所述，一個(gè)低溫?zé)崂么笙到y(tǒng)的構(gòu)建包含熱源和熱阱兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的合成，以及熱媒水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在盡可能安排逆流換熱下，一般熱媒水由50 ℃被加熱到120～140 ℃。作為企業(yè)間熱聯(lián)合的系統(tǒng)，由于熱輸出的大企業(yè)熱源多、單位供熱成本較低、輸送距離較遠(yuǎn)，因此提高熱媒水的初溫和供、回水的溫差，一般會(huì)更經(jīng)濟(jì)。有加熱爐煙氣余熱可利用時(shí)，熱媒水的溫度可高達(dá)170～200 ℃。熱媒水的溫度越高，所能供給的低溫?zé)嶷宓臏匚辉礁?，?jié)約的能量就越多。

整個(gè)低溫?zé)崂镁W(wǎng)絡(luò)的控制調(diào)節(jié)手段主要包括：蒸汽補(bǔ)加熱器、回水用循環(huán)水冷卻器、流量調(diào)節(jié)控制和冷熱水溫度控制。蒸汽補(bǔ)加熱器和回水用循環(huán)水冷卻器主要是保證熱媒水的來水溫度和回水溫度的恒定，有利于熱源裝置和熱阱裝置的吸、放熱物流相關(guān)設(shè)備的操作控制，不受彼此操作波動(dòng)的影響。當(dāng)然，它們也可在不同季節(jié)補(bǔ)充加熱和輔助加熱，但不能過于依賴它們。流量調(diào)節(jié)控制有利于在實(shí)際情況下通過調(diào)節(jié)循環(huán)水量來控制循環(huán)熱媒水的溫度參數(shù)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。如在冬季控制一個(gè)最適宜的較低回水溫度，盡可能多地利用工藝余熱。采用計(jì)算機(jī)輔助可視化操作模擬優(yōu)化系統(tǒng)可評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的柔性，也可針對(duì)各種變化工況進(jìn)行應(yīng)對(duì)策略演練和調(diào)優(yōu)。

5 結(jié)語

世界一次能源向低碳轉(zhuǎn)型和有機(jī)化工原料趨向多元化，催生出越來越多的低分子燃料/化學(xué)品化工生產(chǎn)裝置，存在著巨大的節(jié)能潛力。工藝過程用能是用其在某一個(gè)溫位段的，用能前后能的總量沒有改變。在采取降低工藝總用能和減少過程損耗兩類措施的基礎(chǔ)上，運(yùn)用熱回收網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化匹配技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)能量系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵。低分子燃料/化學(xué)品化工生產(chǎn)裝置自身的特點(diǎn)，使得降低工藝總用能和減少過程損耗以及分餾塔系熱集成等典型的能量系統(tǒng)優(yōu)化措施可以得到最充分的應(yīng)用，大幅降低能耗。作為以耗中、低溫?zé)釣橹鞯难b置，與鄰近的有過剩中、低溫?zé)崃康拇笮蜔捇髽I(yè)熱聯(lián)合，是低分子燃料/化學(xué)品化工生產(chǎn)裝置進(jìn)一步降低能耗的重要途徑。以熱媒水為介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)能量梯級(jí)利用的有效方式。

［1］ 華賁. 低碳時(shí)代石油化工產(chǎn)業(yè)資源與能源走勢(shì)［J］. 化工學(xué)報(bào)，2013（1）：77 - 83.

［2］ 華賁，葉劍云. 低碳時(shí)代中國石化工業(yè)的節(jié)能減排（Ⅰ）［J］.石油石化節(jié)能與減排，2011，1（7/8）：4 - 9.

［3］ 華賁，葉劍云. 低碳時(shí)代中國石化工業(yè)的節(jié)能減排（Ⅱ）［J］.石油石化節(jié)能與減排，2011，1（10）：1 - 7.

［4］ 華賁. 工藝過程用能分析及綜合［M］. 北京：中國石化出版社，1995：98 - 102.

［5］ 華賁，仵浩，劉二恒. 基于經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的換熱器最優(yōu)傳熱溫差［J］. 化工進(jìn)展，2009，28（7）：1142 - 1146.

［6］ 華賁. 煉油廠能量系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究與應(yīng)用［M］. 北京：中國石化出版社，2009：1.

［7］ 華賁. 中國煉油企業(yè)節(jié)能降耗——從裝置到全局能量系統(tǒng)優(yōu)化［J］. 石油學(xué)報(bào)：石油加工，2009，25（4）：463 - 471.

［8］ 華賁，仵浩. 煉油企業(yè)低溫?zé)岽笙到y(tǒng)優(yōu)化利用技術(shù)［J］. 煉油技術(shù)與工程，2007，37（12）：33 - 38.

（編輯 李明輝）

·技術(shù)動(dòng)態(tài)·

DSM公司開發(fā)出PA6樹脂制汽車用油盤

石油化學(xué)新報(bào)（日），2013（4740）：15

DSM公司采用DSM日本工程塑料公司生產(chǎn)的PA6樹脂“Akulon Ultraflow K-FHG7”生產(chǎn)開發(fā)出PA6樹脂制汽車用油盤。該制品具有工程部件所必須具備的高耐熱性、抗沖性及耐油性，與以往金屬制油盤相比，質(zhì)量輕60%；且由于具有優(yōu)異的流動(dòng)性，可高頻率和短周期地進(jìn)行產(chǎn)品成型加工。與一般PA6制產(chǎn)品相比，新產(chǎn)品除了可降低生產(chǎn)成本外，隨著車輛的輕量化，燃油費(fèi)和CO2的排放量都可以減少，是一種環(huán)保型產(chǎn)品。該產(chǎn)品已在法國標(biāo)致的最新車型“標(biāo)致-508”上實(shí)際安裝使用。

DIC公司活性自由基聚合技術(shù)工業(yè)化

石油化學(xué)新報(bào)（日），2013（4729）：16

DIC公司成功工業(yè)化采用活性自由基聚合技術(shù)生產(chǎn)最尖端領(lǐng)域用高附加值材料，利用該技術(shù)生產(chǎn)了氟系高功能添加劑產(chǎn)品?；钚宰杂苫酆鲜侵冈诰酆戏磻?yīng)過程中，無論在反應(yīng)初始還是鏈增長(zhǎng)階段，均不會(huì)發(fā)生使聚合物末端失活的副反應(yīng)，是一種高精度的合成反應(yīng)。通過活性自由基聚合可得到各種不同長(zhǎng)度分子的聚合物，通過在聚合物中添加新單體，進(jìn)行再聚合，就可合成均勻且構(gòu)造堅(jiān)固的嵌段聚合物。以往工業(yè)上采用的自由基聚合，聚合物分子的長(zhǎng)度不能控制。而活性自由基聚合可做到聚合物相對(duì)分子質(zhì)量均勻化和官能團(tuán)排列可控。加入少量采用活性自由基聚合開發(fā)的氟系高功能添加劑，即可形成高度平坦且均勻的涂層，可用于智能手機(jī)、電視、手提電腦等顯示裝置及半導(dǎo)體等。

北京斯伯樂丙烯酸精制阻聚劑獲發(fā)明專利

北京斯伯樂科技發(fā)展有限公司自主研發(fā)的一種用于丙烯酸精制過程的超強(qiáng)多功能阻聚劑的制備技術(shù)獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。該公司自主合成了烷基胺化合物核心關(guān)鍵阻聚組分，同時(shí)在產(chǎn)品體系中引入金屬鈍化和清凈分散成分。該技術(shù)徹底克服了傳統(tǒng)的丙烯酸精制阻聚劑（對(duì)苯二酚、銅鹽、吩噻嗪等）用量大、性質(zhì)單一的缺陷，能有效延長(zhǎng)丙烯酸精制裝置的運(yùn)行周期，并提高丙烯酸的產(chǎn)量和質(zhì)量，使丙烯酸生產(chǎn)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。

中國石油錦州石化公司異丙醇熱集成改造節(jié)約蒸汽35%

中國石油錦州石化公司一套100 kt/a異丙醇裝置節(jié)能改造后正常運(yùn)行，標(biāo)志著該公司異丙醇熱集成項(xiàng)目改造取得成功。該公司為使自主研發(fā)的特色產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)，制定了熱集成改造項(xiàng)目方案，在裝置大修中擇機(jī)實(shí)施。熱集成項(xiàng)目成功應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)了異丙醇裝置工藝流程優(yōu)化和熱量合理應(yīng)用，蒸汽消耗比改造前同比下降35%以上，提高了特色產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

Energy System Optimization for Processing Low-Molecular Fuel/Chemicals

Hua Ben
（Natural Gas Utilizing Research Center of South China University of Technology，Guangdong Guangzhou 510640，China）

The new feedstock prospect of organic chemical industry in the incoming low carbon era was reviewed. For continuingly emerged innovative processes from coal，biomass or light hydrocarbon to low molecule fuel/chemicals，with the features of low temperature reactors and fractionators，this paper presented and explained a systematic energy optimization method，which including reducing total energy consumption in the processes，lowering total exergy dissipation，heat integration among multi-fractionators，as well as utilizing low grade heat from nearby petrochemical plants by circulating hot water media. Using this method of“Use Energy Scientif cally”could result in a great deal of energy conservation.

low molecule fuel/chemicals；system optimization；utilization of low grade heat；energy conservation

1000 - 8144（2014）01 - 0001 - 08

TQ 025

A

2013 - 05 - 03；［修改稿日期］ 2013 - 09 - 11。

華賁（1937—），男，遼寧省沈陽市人，大學(xué)，教授，電話 020 - 87113744，電郵 cehuaben@scut.edu.cn。