摘要：當(dāng)前，節(jié)能減排已成為確保我國國民經(jīng)濟(jì)“又好又快”發(fā)展的重要政策，我國《節(jié)約能源法》規(guī)定：“國家對重點(diǎn)用能單位要加強(qiáng)節(jié)能管理”。文章對化工企業(yè)設(shè)備的升級改造與節(jié)能進(jìn)行了探討，以期化工企業(yè)努力提高節(jié)能管理水平。
關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；化工行業(yè)；化工設(shè)備；升級改造
關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；化工行業(yè)；化工設(shè)備；升級改造
與發(fā)達(dá)國家比較，我國化學(xué)工業(yè)的產(chǎn)值能耗與產(chǎn)品能耗都高于工業(yè)發(fā)達(dá)國家，化工節(jié)能潛力較大。過去的十年，化工生產(chǎn)技術(shù)的主流是不斷提高與升級設(shè)備的生產(chǎn)能力。本文針對化工生產(chǎn)節(jié)能的問題，介紹一些的化工設(shè)備升級改造工藝新技術(shù)。
一、化工節(jié)能存在的問題
目前化學(xué)工業(yè)每年消耗各種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤1.5～1.9億噸，占全國耗能總量的17%，年耗電量占全國工業(yè)用電量的15%左右。2003年化學(xué)工業(yè)能源消費(fèi)量突破1.5億噸大關(guān)以來，近5年能源消費(fèi)量以年均4.8%的速度增長。同時(shí)在在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，燃煤化工鍋爐仍將是我國化工鍋爐的主導(dǎo)產(chǎn)品，且以中大容量（單臺蒸發(fā)量≥1Ot/h）居多。隨著能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化，環(huán)保要求的不斷提高，小型燃煤化工鍋爐將退出歷史。目前，在眾多鍋爐企業(yè)中具有自行設(shè)計(jì)能力的企業(yè)并不多，一些企業(yè)沒有基本的技術(shù)開發(fā)能力，節(jié)能功效更無從談起。許多中小企業(yè)步履維艱，有些企業(yè)存在諸多問題，轉(zhuǎn)產(chǎn)或倒閉現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，即使一些專門生產(chǎn)節(jié)能鍋爐的企業(yè)也面臨著節(jié)能認(rèn)證困難，市場推廣乏力等難題。在國內(nèi)鍋爐企業(yè)普遍面臨技術(shù)落后，同行競爭激烈的同時(shí)，國外資金的進(jìn)入，無疑加重了鍋爐生產(chǎn)企業(yè)的困境。
二、加強(qiáng)化工設(shè)備升級改造，提高化工產(chǎn)業(yè)節(jié)能的措施
（一）創(chuàng)新原料路線的選擇
化工生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程，要涉及到原料、流程、設(shè)備及其工藝條件等這么幾個(gè)方面。首先從原料上來說，當(dāng)某一個(gè)化工產(chǎn)品有多種以上的原料路線時(shí)，只有確定了原料路線，才能研究流程。不同的原料路線，會有不同的反應(yīng)過程和不同的工藝流程，也會涉及到不同的反應(yīng)裝置、分離過程及其裝置、原材料消耗水平等等，因此，研究原料路線可以說是節(jié)能的第一道關(guān)口。比如，生產(chǎn)聚氯乙烯的單體氯乙烯有兩種不同的方法，一種是乙炔和氯化氫合成，另一種則是乙烯氧氯化法合成。乙炔法使用電石為原料，而電石的生產(chǎn)是典型的能耗大戶，因而使合成聚氯乙烯的整條流程的能耗和成本就很高；相反，乙烯氧氯化法使用乙烯為原料，這種原料來源廣泛，成本低，所以這種流程的能耗和成本就比較低。所以原料路線的選擇，可以說是節(jié)能減排的起點(diǎn)。
（二）創(chuàng)新設(shè)備的節(jié)能技術(shù)
近年來，我國大型化工設(shè)備采用國際和國內(nèi)的先進(jìn)工藝、設(shè)備和控制技術(shù)，進(jìn)行了大量技術(shù)改造，經(jīng)實(shí)踐證明以下技術(shù)是先進(jìn)、成熟、可靠的，可供企業(yè)改造時(shí)選擇使用。比如在合成氨設(shè)備中：（1）變換采用低水碳比高活性的催化劑，提高CO變換率，降低蒸汽消耗。降低變換阻力，如將高低變換爐由軸向床改為軸徑向床。（2）脫碳采用低能耗的脫碳工藝。如低熱耗苯菲爾工藝、雙塔再生工藝、MDEA工藝等。采用低熱苯菲爾工藝和更換高效階梯環(huán)演料等配套改造，使脫碳能力提高30%以上，再生熱耗降低30%。（3）氨合成及合成回路采用新型合成塔內(nèi)件配以小顆粒、高活性催化劑，使合成塔及合成回路阻力下降，氨凈值提高，合成反應(yīng)熱綜合利用好。目前大型氨廠采用的塔型有卡薩軸徑向冷激或?qū)娱g換熱型、托普索S-200徑向?qū)娱g換熱型、臥式合成塔等，均取得較好效果。（4）弛放氣回收?？刹捎蒙罾浞蛛x或膜分離技術(shù)，現(xiàn)多采用后者，效果很好。（5）機(jī)泵采用“三元流”設(shè)計(jì)的新型高效節(jié)能型轉(zhuǎn)子；采用先進(jìn)的防喘振控制系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)；采用大機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)；一些效率較低的小型汽輪機(jī)改用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有利于提高機(jī)組效率和裝置運(yùn)行可靠性。
（三）積極開發(fā)化工新設(shè)備
過去的十年，化工生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)的主流趨是不斷提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。這種趨勢自然與追求規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)密切相關(guān)，這樣可使大型設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)成本比小型設(shè)備低。因此在能獲得低成本天然氣的地方，對建造大型化工設(shè)備特別感興趣。一般說來小型工藝設(shè)備的總成本較高，但大型化工設(shè)備又受到其他工藝設(shè)備規(guī)模的限制。為了增大裝置規(guī)模，用相對較小的工藝設(shè)備處理大流量的合成氣就變得愈加重要。比如托普索國際公司論證了如何通過將包含“甲醇合成和冷凝結(jié)合”（CMSC）技術(shù)的甲醇合成工藝和基于在很低水碳比條件下運(yùn)行的自熱轉(zhuǎn)化爐合成相結(jié)合的技術(shù)。我們都知道，最常規(guī)的甲醇合成設(shè)備是由循環(huán)回路構(gòu)成的。其理由就是為了維持高反應(yīng)率，甲醇反應(yīng)塔通常在比較高的溫度下運(yùn)行。但是溫度高對甲醇的平衡濃度有不利影響，即只有將未轉(zhuǎn)化的氣體進(jìn)行循環(huán)，才能實(shí)現(xiàn)高的碳效率。使用CMSC技術(shù)的合成反應(yīng)塔和不包含循環(huán)的設(shè)計(jì)就能夠解決上述問題。在這個(gè)設(shè)備中，當(dāng)反應(yīng)溫度降低時(shí)，碳效率迅速提高。當(dāng)溫度達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，開始冷凝，這時(shí)碳效率的提高更快。同時(shí)相關(guān)論證也顯示送入CMSC工藝過程的合成氣應(yīng)該具有高的CO/CO2比，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)上最有效的設(shè)計(jì)。但是現(xiàn)在開發(fā)的自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)正好能生產(chǎn)出CMSC工藝所需的最好合成氣。同時(shí)將自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)和CMSC技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)出的粗甲醇含水量僅為0.5%。因此將自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)和CMSC技術(shù)結(jié)合后在許多情況下，可以完全取消蒸餾設(shè)備。還有勝利油田勝利集體資產(chǎn)管理中心發(fā)明了一種新型二甲醚或甲醇合成工藝及設(shè)備。它通過設(shè)置對精脫硫處理后的合成氣進(jìn)行固定床脫氯、脫羰基鐵和羰基鎳預(yù)處理過程以及反應(yīng)器和管線采用特殊材質(zhì)，達(dá)到了大幅度提高合成二甲醚或甲醇的收率和催化劑壽命的目的。
（四）積極改造升級設(shè)備
隨著煤化工行業(yè)的迅速發(fā)展，作為化工基礎(chǔ)原料的甲醇生產(chǎn)也在迅速地發(fā)展。除了一部分氮肥廠還在繼續(xù)聯(lián)醇生產(chǎn)外，目前年產(chǎn)60萬噸左右的甲醇裝置接連開始建設(shè)，特別是在煤產(chǎn)量較多的山西、內(nèi)蒙和天然氣較多的四川、重慶等地的一些企業(yè)，使用焦?fàn)t氣和水煤氣、天然氣大規(guī)模地生產(chǎn)甲醇已成趨勢。因此對于精餾塔裝置的改造升級也在節(jié)能所需要。比如哈爾濱氣化廠甲醇分廠是年產(chǎn)4萬噸甲醇生產(chǎn)大產(chǎn)，但是其精餾塔裝置為前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)，采用的是篩板式塔板。為提高甲醇產(chǎn)量，楊帆對其進(jìn)行了改造，精餾塔是主要改造項(xiàng)目，經(jīng)過計(jì)算，我們得出一個(gè)結(jié)論，塔體不用動(dòng)，只對塔板和相應(yīng)管線進(jìn)行改造，這樣就節(jié)省了大量資金。由于進(jìn)料量和采出量相對增大，他們對進(jìn)料管線和采出管線進(jìn)行了更換，進(jìn)料管由DN50改成了DN65，采出管線由原先DN65改成了DN80，我們也相應(yīng)更換了回流泵，這是因?yàn)榛亓髁肯鄳?yīng)增大的緣故。精餾塔的改造，主要是對塔板的改造，新改的精餾塔塔板還是75層，塔板全部更換，材質(zhì)改為0Crl8NigTi，采用北京澤華化工有限公司設(shè)計(jì)的ADV高效微分浮閥塔盤。浮閥裝在開有圣Φ39的孔上，可以上下浮動(dòng)，使氣液兩相充分接觸，保證較高分離效率，每層塔板由三塊組成，并由M10*50不銹鋼單頭螺栓和不銹鋼壓板連接為一體，分三塊是為了便于安裝和檢修，每塊板可以從人孔進(jìn)出，75層塔板浮閥尺寸一致，只是數(shù)量分布不同：1～5層每層塔板上均布219個(gè)浮閥，6層、15層每層塔板上均布249個(gè)浮閥，16～75層每層塔板上均布319個(gè)浮閥。精餾塔經(jīng)過改造，達(dá)到了年產(chǎn)6萬噸的要求，年增經(jīng)濟(jì)效益1260萬元。
節(jié)能工作，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。化工生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了這個(gè)行業(yè)必然要消耗較多的原料和較多的能量，并排放出大量的廢物，但通過節(jié)能減排措施的不斷開發(fā)和研究，通過對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的不斷升級改造，我們應(yīng)該可以做到以最小的投入產(chǎn)生最大的效益。
一、化工節(jié)能存在的問題
目前化學(xué)工業(yè)每年消耗各種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤1.5～1.9億噸，占全國耗能總量的17%，年耗電量占全國工業(yè)用電量的15%左右。2003年化學(xué)工業(yè)能源消費(fèi)量突破1.5億噸大關(guān)以來，近5年能源消費(fèi)量以年均4.8%的速度增長。同時(shí)在在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，燃煤化工鍋爐仍將是我國化工鍋爐的主導(dǎo)產(chǎn)品，且以中大容量（單臺蒸發(fā)量≥1Ot/h）居多。隨著能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化，環(huán)保要求的不斷提高，小型燃煤化工鍋爐將退出歷史。目前，在眾多鍋爐企業(yè)中具有自行設(shè)計(jì)能力的企業(yè)并不多，一些企業(yè)沒有基本的技術(shù)開發(fā)能力，節(jié)能功效更無從談起。許多中小企業(yè)步履維艱，有些企業(yè)存在諸多問題，轉(zhuǎn)產(chǎn)或倒閉現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，即使一些專門生產(chǎn)節(jié)能鍋爐的企業(yè)也面臨著節(jié)能認(rèn)證困難，市場推廣乏力等難題。在國內(nèi)鍋爐企業(yè)普遍面臨技術(shù)落后，同行競爭激烈的同時(shí)，國外資金的進(jìn)入，無疑加重了鍋爐生產(chǎn)企業(yè)的困境。
二、加強(qiáng)化工設(shè)備升級改造，提高化工產(chǎn)業(yè)節(jié)能的措施
（一）創(chuàng)新原料路線的選擇
化工生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程，要涉及到原料、流程、設(shè)備及其工藝條件等這么幾個(gè)方面。首先從原料上來說，當(dāng)某一個(gè)化工產(chǎn)品有多種以上的原料路線時(shí)，只有確定了原料路線，才能研究流程。不同的原料路線，會有不同的反應(yīng)過程和不同的工藝流程，也會涉及到不同的反應(yīng)裝置、分離過程及其裝置、原材料消耗水平等等，因此，研究原料路線可以說是節(jié)能的第一道關(guān)口。比如，生產(chǎn)聚氯乙烯的單體氯乙烯有兩種不同的方法，一種是乙炔和氯化氫合成，另一種則是乙烯氧氯化法合成。乙炔法使用電石為原料，而電石的生產(chǎn)是典型的能耗大戶，因而使合成聚氯乙烯的整條流程的能耗和成本就很高；相反，乙烯氧氯化法使用乙烯為原料，這種原料來源廣泛，成本低，所以這種流程的能耗和成本就比較低。所以原料路線的選擇，可以說是節(jié)能減排的起點(diǎn)。
（二）創(chuàng)新設(shè)備的節(jié)能技術(shù)
近年來，我國大型化工設(shè)備采用國際和國內(nèi)的先進(jìn)工藝、設(shè)備和控制技術(shù)，進(jìn)行了大量技術(shù)改造，經(jīng)實(shí)踐證明以下技術(shù)是先進(jìn)、成熟、可靠的，可供企業(yè)改造時(shí)選擇使用。比如在合成氨設(shè)備中：（1）變換采用低水碳比高活性的催化劑，提高CO變換率，降低蒸汽消耗。降低變換阻力，如將高低變換爐由軸向床改為軸徑向床。（2）脫碳采用低能耗的脫碳工藝。如低熱耗苯菲爾工藝、雙塔再生工藝、MDEA工藝等。采用低熱苯菲爾工藝和更換高效階梯環(huán)演料等配套改造，使脫碳能力提高30%以上，再生熱耗降低30%。（3）氨合成及合成回路采用新型合成塔內(nèi)件配以小顆粒、高活性催化劑，使合成塔及合成回路阻力下降，氨凈值提高，合成反應(yīng)熱綜合利用好。目前大型氨廠采用的塔型有卡薩軸徑向冷激或?qū)娱g換熱型、托普索S-200徑向?qū)娱g換熱型、臥式合成塔等，均取得較好效果。（4）弛放氣回收?？刹捎蒙罾浞蛛x或膜分離技術(shù)，現(xiàn)多采用后者，效果很好。（5）機(jī)泵采用“三元流”設(shè)計(jì)的新型高效節(jié)能型轉(zhuǎn)子；采用先進(jìn)的防喘振控制系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)；采用大機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)；一些效率較低的小型汽輪機(jī)改用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有利于提高機(jī)組效率和裝置運(yùn)行可靠性。
（三）積極開發(fā)化工新設(shè)備
過去的十年，化工生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)的主流趨是不斷提高設(shè)備的生產(chǎn)能力。這種趨勢自然與追求規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)密切相關(guān)，這樣可使大型設(shè)備生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)成本比小型設(shè)備低。因此在能獲得低成本天然氣的地方，對建造大型化工設(shè)備特別感興趣。一般說來小型工藝設(shè)備的總成本較高，但大型化工設(shè)備又受到其他工藝設(shè)備規(guī)模的限制。為了增大裝置規(guī)模，用相對較小的工藝設(shè)備處理大流量的合成氣就變得愈加重要。比如托普索國際公司論證了如何通過將包含“甲醇合成和冷凝結(jié)合”（CMSC）技術(shù)的甲醇合成工藝和基于在很低水碳比條件下運(yùn)行的自熱轉(zhuǎn)化爐合成相結(jié)合的技術(shù)。我們都知道，最常規(guī)的甲醇合成設(shè)備是由循環(huán)回路構(gòu)成的。其理由就是為了維持高反應(yīng)率，甲醇反應(yīng)塔通常在比較高的溫度下運(yùn)行。但是溫度高對甲醇的平衡濃度有不利影響，即只有將未轉(zhuǎn)化的氣體進(jìn)行循環(huán)，才能實(shí)現(xiàn)高的碳效率。使用CMSC技術(shù)的合成反應(yīng)塔和不包含循環(huán)的設(shè)計(jì)就能夠解決上述問題。在這個(gè)設(shè)備中，當(dāng)反應(yīng)溫度降低時(shí)，碳效率迅速提高。當(dāng)溫度達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，開始冷凝，這時(shí)碳效率的提高更快。同時(shí)相關(guān)論證也顯示送入CMSC工藝過程的合成氣應(yīng)該具有高的CO/CO2比，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)上最有效的設(shè)計(jì)。但是現(xiàn)在開發(fā)的自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)正好能生產(chǎn)出CMSC工藝所需的最好合成氣。同時(shí)將自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)和CMSC技術(shù)結(jié)合，生產(chǎn)出的粗甲醇含水量僅為0.5%。因此將自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)和CMSC技術(shù)結(jié)合后在許多情況下，可以完全取消蒸餾設(shè)備。還有勝利油田勝利集體資產(chǎn)管理中心發(fā)明了一種新型二甲醚或甲醇合成工藝及設(shè)備。它通過設(shè)置對精脫硫處理后的合成氣進(jìn)行固定床脫氯、脫羰基鐵和羰基鎳預(yù)處理過程以及反應(yīng)器和管線采用特殊材質(zhì)，達(dá)到了大幅度提高合成二甲醚或甲醇的收率和催化劑壽命的目的。
（四）積極改造升級設(shè)備
隨著煤化工行業(yè)的迅速發(fā)展，作為化工基礎(chǔ)原料的甲醇生產(chǎn)也在迅速地發(fā)展。除了一部分氮肥廠還在繼續(xù)聯(lián)醇生產(chǎn)外，目前年產(chǎn)60萬噸左右的甲醇裝置接連開始建設(shè)，特別是在煤產(chǎn)量較多的山西、內(nèi)蒙和天然氣較多的四川、重慶等地的一些企業(yè)，使用焦?fàn)t氣和水煤氣、天然氣大規(guī)模地生產(chǎn)甲醇已成趨勢。因此對于精餾塔裝置的改造升級也在節(jié)能所需要。比如哈爾濱氣化廠甲醇分廠是年產(chǎn)4萬噸甲醇生產(chǎn)大產(chǎn)，但是其精餾塔裝置為前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)，采用的是篩板式塔板。為提高甲醇產(chǎn)量，楊帆對其進(jìn)行了改造，精餾塔是主要改造項(xiàng)目，經(jīng)過計(jì)算，我們得出一個(gè)結(jié)論，塔體不用動(dòng)，只對塔板和相應(yīng)管線進(jìn)行改造，這樣就節(jié)省了大量資金。由于進(jìn)料量和采出量相對增大，他們對進(jìn)料管線和采出管線進(jìn)行了更換，進(jìn)料管由DN50改成了DN65，采出管線由原先DN65改成了DN80，我們也相應(yīng)更換了回流泵，這是因?yàn)榛亓髁肯鄳?yīng)增大的緣故。精餾塔的改造，主要是對塔板的改造，新改的精餾塔塔板還是75層，塔板全部更換，材質(zhì)改為0Crl8NigTi，采用北京澤華化工有限公司設(shè)計(jì)的ADV高效微分浮閥塔盤。浮閥裝在開有圣Φ39的孔上，可以上下浮動(dòng)，使氣液兩相充分接觸，保證較高分離效率，每層塔板由三塊組成，并由M10*50不銹鋼單頭螺栓和不銹鋼壓板連接為一體，分三塊是為了便于安裝和檢修，每塊板可以從人孔進(jìn)出，75層塔板浮閥尺寸一致，只是數(shù)量分布不同：1～5層每層塔板上均布219個(gè)浮閥，6層、15層每層塔板上均布249個(gè)浮閥，16～75層每層塔板上均布319個(gè)浮閥。精餾塔經(jīng)過改造，達(dá)到了年產(chǎn)6萬噸的要求，年增經(jīng)濟(jì)效益1260萬元。
節(jié)能工作，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。化工生產(chǎn)的特點(diǎn)決定了這個(gè)行業(yè)必然要消耗較多的原料和較多的能量，并排放出大量的廢物，但通過節(jié)能減排措施的不斷開發(fā)和研究，通過對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的不斷升級改造，我們應(yīng)該可以做到以最小的投入產(chǎn)生最大的效益。
參考文獻(xiàn)
[1]韓冬冰．化工工藝學(xué)[M]．中國石化出版社，2004.
[2]崔思選．化學(xué)工藝學(xué)[M]．高等教育出版社，1990.
[3]沈維道，蔣智敏，童均耕．工程熱力學(xué)(第三版)[M]．北京:高等教育出版社，2004.
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作者簡介：文獻(xiàn)娜 （1976- ），女 ，金沂蒙集團(tuán)有限公司工程師。
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