酮苯脫蠟裝置節能減排一體化

沈人杰，陳 慧，劉曉飛

（西安交通大學化工系，陜西 西安 710049）

過程工業（包括石化、化工、食品、造紙、冶金、建材等）是我國國民經濟的重要組成部分，而這些工業又是用能和用水的大戶[1]，對這些傳統企業進行優化改造，不僅是提高我國過程工業企業競爭力的重要途徑，也是可持續發展的要求。

夾點技術是一種綜合熱力學原理和系統工程的方法。目前，夾點技術在企業能量系統優化中應用較廣[2-5]。通過能量系統優化可以減少蒸汽和冷卻水用量，這是因為水常用作能量載體，如加熱用的加熱蒸汽、冷卻用的冷卻水。如果能量系統不合理，將導致加熱蒸汽和冷卻水用量的增加。此時若不改造能量系統，僅從節水的角度考慮問題，那么這部分水是無法節省的。因此對系統進行節能優化的同時，往往可以取得明顯的節水的效果。此外對用能系統優化后，也可減少CO2的排放。

本文作者運用夾點技術對酮苯脫蠟裝置進行節能優化，給出了換熱網絡的優化方案，計算了此方案所達到的節水和CO2減排效果。

1 酮苯脫蠟裝置物流數據

1.1 酮苯脫蠟裝置簡介

以某42萬噸/年的酮苯脫蠟裝置為研究對象，其工藝流程簡圖如圖1所示，主要包含冷凍、結晶、真空過濾、回收 4道工序。其中，冷凍工序用來提供系統中的冷量，作為冷卻公用工程考慮，未出現在圖1中。

1.2 酮苯脫蠟裝置的物流數據

某酮苯脫蠟裝置共提取出30股熱流和19股冷流，如表1和表2所示。

2 酮苯脫蠟裝置的優化分析

2.1 酮苯脫蠟裝置的夾點分析

針對某石化企業酮苯脫蠟裝置，綜合考慮熱回收能量、換熱面積、換熱網絡改造費用和工況穩定操作等因素，取最小傳熱溫差為 10 ℃[7]對現行換熱網絡進行分析。

將各物流數據輸入PINCH 2.0軟件計算得到如下結果：整個換熱網絡的夾點平均溫度為 95 ℃，即夾點處熱物流溫度為 100 ℃，冷物流溫度為 90℃。系統所需要的最小加熱公用工程量為 8445.11 kW，所需最小冷卻公用工程量為6946.81 kW。而現行換熱網絡實際加熱公用工程用量為 12673.59 kW，實際冷卻公用工程用量為11175.09 kW。由此可算得該裝置的節能潛力為4228.3 kW，約占現行加熱公用工程量的33.4%，占現行冷卻公用工程量的37.8%。

2.2 酮苯脫蠟裝置的熱集成優化

考慮裝置的用能實際情況，如換熱器之間距離的限制、物流之間是否能匹配等因素，對部分物流進行重新匹配，提出優化方案。酮苯脫蠟裝置改造前換熱網絡的匹配如圖2所示，改造后的換熱網絡如圖3所示（僅列出了需要變動的物流）。換熱網絡優化后，可以節約加熱公用工程1456.4 kW，占加熱公用工程用量的11.49%；冷卻公用工程524.2 kW，占冷卻公用工程用量4.69%。具體優化方案如下。

表1 酮苯脫蠟裝置的熱物流數據

表2 酮苯脫蠟裝置的冷物流數據

（1）換30是熱流H11與冷流C8跨越夾點的傳熱。現調整換熱器 30的換熱面積，使得熱物流H11的溫度從135 ℃到74 ℃，冷物流C8的溫度從60.8 ℃到75.1 ℃，熱負荷為913.6 kW；夾點之上新增換熱器E1，在H11與C10之間換熱，使得熱物流H11的溫度從170 ℃到135 ℃，冷物流C10的溫度從125 ℃到148 ℃，其熱負荷為524.2 kW；去掉換36，減小換37的熱負荷，使得冷物流C10的溫度從148 ℃到170 ℃，熱負荷為1645.6 kW；夾點之下新增換熱器E2，在H14和C8之間換熱，使得熱物流H14的溫度從105 ℃到95.3 ℃，冷物流C8的溫度從36 ℃到60.8 ℃，其熱負荷為524.2 kW；減小冷26的熱負荷，使得熱物流H14的溫度從95.3 ℃到35 ℃，熱負荷為3268.5 kW。

（2）換12是熱流H18與冷流C3跨越夾點的傳熱。現新增換熱器E3，在H18和C12之間換熱，使得熱物流H18的溫度從175 ℃到99.3 ℃，冷物流C12的溫度從90 ℃到99.6 ℃，其熱負荷為932.2 kW；減小換16的熱負荷，使得熱物流H21的溫度從171.2 ℃到128.9 ℃，使得冷物流C12從99.6 ℃到122 ℃，熱負荷為4457.7 kW；新增換熱器E4，在H21和C13之間換熱，使得熱物流H21的溫度從180 ℃到171.2 ℃，冷物流C13從122 ℃到142.2℃，熱負荷為932.2 kW；減小換18的熱負荷，使得冷物流C13的溫度從147.7 ℃到180 ℃，熱負荷為5228.4 kW；夾點之下調整換12的換熱面積，在H22和C3之間換熱，使得熱物流H22的溫度從84℃到78.9 ℃，冷物流C3的溫度從63.2 ℃到75.1℃，熱負荷為932.2 kW；去掉換15，冷10、冷11負荷不變，冷11出口溫度變為53.9 ℃。

2.3 酮苯脫蠟裝置優化后經濟性分析

該方案可以節約加熱公用工程1456.4 kW，蒸汽的熱值取2797 kJ/kg，計算得可節約的蒸汽量約為1.87 t/h，運行時間按每年8000 h計算，由此可知節省的蒸汽為 14996.18 t/a，蒸汽的費用取 183元/噸，則可節約蒸汽投資274.4萬元/年。改造后可以節約冷卻公用工程 524.2 kW，全部為空冷器節約，空冷器的電機效率取 0.97，工業用電按 0.35元/千瓦時計算，那么可以節約的空冷量費用為 4.1萬元/年，總計節約能量費用278.5萬元/年。

投資費用為180.6萬元，投資回收期為0.65年，約為8個月。該方案充分考慮了現有裝置的限制，對原流程改動較小，投資也較少，回收期比較短，具有非常好的可行性。

2.4 酮苯脫蠟裝置的節水和CO2減排效果

通過換熱網絡的優化可以減少蒸汽的用量。采用此方案，將節約蒸汽14996.18 t/a，折算相應的節水量約為1.8萬噸/年（按1.2 t水可產生1 t蒸汽計）。

由于節約蒸汽量使得制水和鍋爐的排污將減少0.30 萬噸/年（1.2 t水產1 t蒸汽，其中的0.2 t按排污量計算）。

根據節約的蒸汽的量可計算CO2減排量。

CO2減排量由式（1）計算[8]。

式中，Q為 CO2減排量，kg；αi為能源i的CO2排放系數的碳當量折算為二氧化碳當量系數；ΔEi為能源i的節約量，kW。

其中，ΔE＝ce×Ep，Ep為終端能源節約量，ce為能源轉化效率。

假設所用電力為燃煤火力發電，CO2排放系數取0.25 kg/(kW·h)，能源轉化率取0.85。對于所提出的優化方案，按照實際節約的蒸汽量來計算換熱網絡優化后的二氧化碳減排量，見式（2）。

全年按8000 h計算，合計全年可以減排為二氧化碳減排9078.2 t。

3 結 論

基于夾點分析的能量集成技術，不僅可以優化能量的利用結構，提高能量的利用效率，節能的同時也可以節水以及減少CO2的排放。根據某石化企業酮苯裝置能量集成項目的工程實例，可以看出由夾點技術改造所能取得的顯著節能節水效果以及所形成的CO2減排量。因此采用夾點技術進行能量集成，節約能源、減少CO2排放對企業和國家意義重大。

[1]張雷.中國能源供應戰略的調整[J].中國建設動態陽光能源，2002，24（12）：7-9.

[2]于文輝，李瑋.夾點技術在重芳烴分離裝置節能改造中的應用[J].化學工程，2010，38（7）：96-99.

[3]高海見，邢濤.甲基叔丁基醚裂解制高純異丁烷換熱網絡優化[J].化學工程，2010，38（1）：82-85.

[4]全玲玲.夾點技術及其在小型分布式能源系統中的應用[J].發電設備，2011，25（1）：28-32.

[5]于干紅，葉鑫，等.甲醇合成及精餾單元的熱集成[J].化工進展，2009，28（s1）：341-345.

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[7]Yoon Sunggeun，Lee Jeongseok，Park Sunwon.Heat integration analysis for an industrial ethylbenzene plant using pinch analysis[J].Applied Thermal Engineering，2007，27：886-893.

[8]汪剛，馮霄.基于能量集成的 CO2減排量的確定[J].化工進展，2006，25（12）：1467-1470.