化工过程能耗分析与节能技术路径研究

栗明宏 河北省工程咨询研究院  050051

摘要：化工行业高耗能状况制约了绿色转型，本文对化工过程能耗分析理论基础进行梳理，从催化强化、换热系统重构、低温余热协同利用三个方面提出工程化的节能策略，为化工装置能耗诊断以及节能改造提供具有实际操作意义的参考，让㶲分析夹点技术的化工节能实践案例得到丰富，对于化工企业降低成本、减少消耗以及推进绿色生产具有现实的借鉴价值。

关键词：化工过程；能耗分析；夹点技术；㶲分析；节能改造

化工生产工序复杂，能耗来源多元，行业节能降碳的压力持续地加大，现有的改造常常因为理论和现场出现脱节的情况，从而导致成效不足。本文依托于热力学、夹点技术以及生命周期评价理论，对关键能耗短板进行识别并且匹配技术策略，为化工装置节能优化提供思路。

一、化工过程能耗分析的理论基础

1.1热力学第一定律与第二定律分析方法

能量衡算以热力学基本定律作为基础，第一定律对单元能量输入输出进行量化，对加热冷却环节损耗规模进行统计，然而无法对能量品质进行区分；第二定律以㶲分析作为核心，将关注点聚焦在不可逆损耗上，对物料混合温差传热的隐性能耗进行挖掘。两者协同起来从数量以及品质维度对节能靶点进行定位。

1.2夹点技术与过程系统集成理论

换热网络优化借助夹点技术对冷热物流温度区间进行划分，对夹点位置进行求解，确定公用工程消耗下限，避免跨夹点换热能耗。过程系统集成对反应分离换热多单元物料与能量耦合进行统筹，打通工序能量回用通道，改变局部设备改造思路，为全系统用能重构提供路径。

1.3生命周期评价与全流程能耗核算方法

全周期能耗管控依靠生命周期评价工具，覆盖从原料开采预处理一直到产物储运废弃处置的全流程，完整地捕捉全生命周期能源输入。结合实测数据与工艺仿真对工况偏差进行修正，弥补仅核算生产工段的统计缺陷，客观地评判工艺升级真实节能收益，提供完整的评价依据。

二、化工过程能耗主要问题分析

2.1反应与分离单元热效率偏低且蒸汽消耗过高

核心工序在使用能源方面存在的短板，集中体现于反应分离环节，大多数化工装置依靠外部热源来维持反应所需的条件，反应器内部在热量回收机制的设计上存在不足，反应所释放出的热能难以回流到前置工序之中。分离单元普遍依靠蒸汽来完成精馏萃取等相关操作，塔器在传热传质的匹配程度上存在不足，大量高温蒸汽在未有效做功的情况下便直接排出了系统。现有的装置改造大多聚焦于硬件的更换方面，较少从工艺参数耦合的层面去优化操作的窗口，导致蒸汽供给量长期超出实际的需求。偏高的蒸汽负荷使得整体能源成本被拉高，造成在生产工况之下热能出现无效散失的情况，从而制约了装置能耗控制的水平。^[1]

2.2换热网络热回收不足与公用工程输配损失严重

换热系统存在的缺陷放大了工厂能源的损耗，现有的换热网络布局受到早期建厂条件的限制，冷热物流的匹配方案存在可以优化的空间，高品位余热未能充分对接低温需热的工序，需要依赖外部公用工程来补足热量的缺口。管道输配环节的保温构件普遍出现老化破损的情况，高温介质在长距离输送的过程中持续散热。公用工程系统的调度较为粗放，蒸汽冷却水按照最大生产负荷来设定供给量，并未随着装置实际处理量进行动态调整。输配链路的损耗因为未被纳入工艺直接消耗的核算之中，长期被忽略，这进一步压缩了节能的空间。

2.3过程余热余压利用不充分且间歇操作能量波动大

工业副产能量在转化利用方面存在明显的短板，在连续生产工况之下持续产出高温物料与带压介质，现阶段多数工厂仅仅回收高等级的余热，中低温余热资源被直接排放，余压势能未能转化为动力资源。部分生产流程具有间歇切换的特征，生产的启停与负荷的切换导致能量出现剧烈波动，余热产出规模随着工序阶段而发生变化。常规回收装备按照稳态工况进行选型，难以适配动态波动的能源供给，在波动时段副产能量无法稳定地储存再利用。这种工况特性降低了回收设备的运行效率，大量可利用的能量资源被白白损耗，增加了系统能耗管控的难度。

三、化工过程节能技术对应策略

3.1反应催化强化与精馏热泵替代蒸汽加热策略

㶲分析能够对反应分离单元能耗的根源予以定位，凭借着热力学第二定律来对工艺内部的不可逆损耗加以识别，通过开展催化改性的方式来降低反应的热负荷，搭配使用精馏热泵来回收塔顶气相的热能，从而削减外部的蒸汽消耗。这样的改造跳出了设备进行更换的局限范围，从能量品质的层面来对用能进行优化。^[2]

省内开展的石化工艺评估项目进行了验证，针对精馏工序蒸汽消耗高这样的现状，结合现场进行测算来筛选适配的催化剂，降低反应操作的温度，同时增设机械热泵系统，经过前期工况数据来校准运行的参数。在连续运行之后，精馏蒸汽消耗降低了35%，反应㶲损耗明显减少，单元综合用能得到了实质性的改善，为同类工艺的改造提供了参照的路径。

3.2换热网络综合优化与公用工程梯级利用策略

以夹点理论来支撑换热系统的调整，依据过程系统集成的思想来重新梳理全厂冷热物流的匹配情况，避免出现跨夹点换热的无效能耗。公用工程按照能量品位进行分级供给到工位，处理输配过程中的散热损耗，解决余热回收不足的矛盾问题。区域化工园区系统诊断项目落实优化的方案，结合物流温流数据来重新排列换热网络，划定夹点边界以约束公用工程的规模，全面排查并更换蒸汽管线的保温构件，建立热源分级调度的模式。改造之后系统热回收效率得到提升，公用工程输配损耗有所收窄，园区综合能耗稳步下降，印证了夹点技术的工程效用。^[3]

3.3低温余热回收与批次调度协同策略

全流程能耗核算来支撑间歇工况余热的开发，结合生命周期评价的逻辑，采用有机朗肯循环与吸收式热泵组合的装置来挖掘中低温余热，联动生产批次调度来平抑余热的波动，改善间歇生产能量利用不足的现状。精细化工产业节能评估项目推进协同改造，厂区多套装置进行间歇轮换生产，余热随着工序波动较大。依托全流程能耗数据来配置低温余热回收的装备，调整生产启停的时序来平衡余热的波峰波谷，使废热能够稳定供给到低温用热的点位。项目落地之后间歇工况余热利用率显著提升，原本直接排放的低温热能实现了就地消纳，化解了间歇操作能耗管控的难题。

结语

本文完成了针对化工领域能耗方面理论的梳理工作，对生产环节之中主要存在的能耗方面的问题进行剖析，并且结合了工程实践的情况提出了具备多维度特点的节能技术相关方案。相关研究证实了通过催化改良以及换热网络重构还有余热调度协同方式能够有效减少化工系统所产生的无效能耗，然而受到现场工况条件的约束限制，在后续阶段可以进一步开展针对多工况结合情况之下的节能方案迭代方面的研究工作。

参考文献

[1]高建,廖传华,黄振仁.化工生产过程中的能耗分析与节能[J].节能,2003(1):3.

[2]杜秋安,张锦浩,马寅生.化工工艺中节能降耗技术应用研究[J].魅力中国,2016,000(050):176.

[3]张文里,赵玲,施勇,等.面向节能减排的化工过程开发技术研究[J].2010.

作者简介：栗明宏，出生年:1991年，毕业：河北科技大学，性别:男，籍贯:河北省灵寿县，学历学位:硕士研究生，职称:中级工程师，研究方向:化学工程

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