化工生產(chǎn)裝置節(jié)能的層次分析及應(yīng)用

周禹君（中國石油遼陽石化尼龍廠）

化工生產(chǎn)裝置節(jié)能的層次分析及應(yīng)用

周禹君（中國石油遼陽石化尼龍廠）

化工生產(chǎn)裝置有“質(zhì)量要求”、“環(huán)保要求”。在化工生產(chǎn)中，不能片面強調(diào)節(jié)能而降低其他方面的要求。介紹一種化工生產(chǎn)節(jié)能的分析方法，將化工生產(chǎn)裝置分為反應(yīng)系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、換熱網(wǎng)絡(luò)、公用工程4個層次，每個層次都包含質(zhì)量、環(huán)保等要求，節(jié)能調(diào)整要由內(nèi)到外逐層進行，實現(xiàn)各個要求，最終達到用能的優(yōu)化；同時，將這種方法應(yīng)用于遼陽石化己二酸裝置后，產(chǎn)品的硝酸含量由1.5 mg/kg降至1.2 mg/kg，污水COD由140 kg/h降至87 kg/h，蒸汽消耗減少3 t/h，循環(huán)水消耗減少500 t/h，取得了較好的節(jié)能效果。

層次分析；節(jié)能降耗；己二酸

世界能源委員會于1979年提出了節(jié)能的定義：節(jié)能就是采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理、環(huán)境和社會可接受的一切措施，來提高能源資源的利用效率[1]。為了推動全社會節(jié)約能源，提高能源利用效率，保護和改善環(huán)境，促進經(jīng)濟社會全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，我國于2007年10月頒布《中華人民共和國節(jié)約能源法》，并于2016年7月進一步修訂。節(jié)能已經(jīng)成為我國可持續(xù)發(fā)展的一項長遠發(fā)展戰(zhàn)略和基本國策。

石油化工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，但同時也是高能耗和容易產(chǎn)生污染的產(chǎn)業(yè)[2]，目前全行業(yè)的節(jié)能正面臨著嚴峻挑戰(zhàn)：石油和化工業(yè)能源年消費量大，占我國年消費總量的15%左右，且該行業(yè)一般產(chǎn)品的能源費用為20%～30%，高耗能產(chǎn)品能源費用甚至高達60%～70%[3]。節(jié)能對于石化企業(yè)生存和發(fā)展具有重要的意義。

1 全系統(tǒng)節(jié)能的層次分析方法

Linnhoff等曾提出如圖1所示的“洋蔥模型”來強調(diào)過程設(shè)計的層次特性，該模型將整個系統(tǒng)從內(nèi)到外分為：反應(yīng)器、分離與循環(huán)、換熱網(wǎng)絡(luò)、公用工程4個層次[4]，核心的反應(yīng)器設(shè)計完成后，確定了分離系統(tǒng)設(shè)計的條件，并以此設(shè)計分離系統(tǒng)；反應(yīng)系統(tǒng)與分離系統(tǒng)設(shè)計共同定義了過程加熱、冷卻負荷，并以此來設(shè)計換熱網(wǎng)絡(luò)；不能由熱回收提供的加熱冷卻負荷則決定了公用工程的需要量[5]。

圖1 工藝流程設(shè)計中的“洋蔥模型”

化工生產(chǎn)裝置同樣可以參照“洋蔥模型”，將整個裝置分為反應(yīng)系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、換熱網(wǎng)絡(luò)、公用工程4個層次，將“質(zhì)量目標”、“環(huán)保目標”等要求貫穿其中，節(jié)能目標由這4個層面從內(nèi)到外依次進行，在實現(xiàn)反應(yīng)穩(wěn)定、分離可靠的基礎(chǔ)上，再對換熱網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，最后確定公用工程用量，全系統(tǒng)節(jié)能的層次分析方法在實際應(yīng)用時，最重要是要避免單以節(jié)能為目的進行工藝調(diào)整，要兼顧質(zhì)量、環(huán)保等指標，由內(nèi)到外，明確各層面的技術(shù)要求，再進行相應(yīng)的調(diào)整，最終確定公用工程最優(yōu)用量。

2 層次分析方法的應(yīng)用

將全系統(tǒng)節(jié)能的層次分析方法應(yīng)用在遼陽石化尼龍廠己二酸裝置的生產(chǎn)管理中，對裝置從內(nèi)層到外層進行調(diào)整后，裝置的用能情況得到改善。

2.1 己二酸裝置

2.1.1 己二酸裝置流程

己二酸裝置主要工藝流程：以銅和釩作催化劑，用硝酸氧化醇酮反應(yīng)生成己二酸，然后經(jīng)過一次結(jié)晶、一次增濃離心得到粗己二酸，粗己二酸經(jīng)溶解、活性炭脫色、二次結(jié)晶、二次增濃離心、干燥后得到精己二酸。輔助流程包括：氧化氮氣體回收、硝酸濃縮、催化劑回收及二元酸脫除[6]。己二酸裝置流程如圖2所示。

圖2 己二酸裝置工藝流程

2.1.2 己二酸裝置用能狀況

己二酸裝置日產(chǎn)能為230 t，裝置的公用工程能耗量及成本情況如表1所示，其中，低壓蒸汽成本接近公用工程總成本的一半。裝置中主要用能單元為母液酸濃縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將硝酸含量相對較低的母液濃縮成濃度較高硝酸循環(huán)利用，濃縮過程每小時約需消耗蒸汽24 t，循環(huán)水2000 t。

表1 己二酸裝置公用工程能耗量

2.2 己二酸裝置綜合調(diào)整

2.2.1 反應(yīng)系統(tǒng)和分離系統(tǒng)的調(diào)整

從質(zhì)量要求和環(huán)保要求的角度出發(fā)，針對副反應(yīng)情況和母液處理情況調(diào)整反應(yīng)系統(tǒng)和分離系統(tǒng)。重點關(guān)注以下幾個方面：

1）為保證反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定，優(yōu)先調(diào)整催化劑回收系統(tǒng)的穩(wěn)定，對樹脂反應(yīng)器程序中吸附、水洗、洗提各個步驟的運行時間和物料流量進行調(diào)整，確定最佳時序和流量，明確催化劑回收系統(tǒng)的公用工程用量。

2）為保證己二酸結(jié)晶顆粒與母液的分離效果，對離心機洗滌水用量進行調(diào)整。水量過小，會因洗滌不充分影響產(chǎn)品質(zhì)量；水量過大，會增加系統(tǒng)的母液量，使后續(xù)的濃縮系統(tǒng)的蒸汽用量加大。以達到質(zhì)量要求為前提，盡可能減少洗滌水用量，這也同時減少了母液水的產(chǎn)生量，避免母液水溢流影響環(huán)保情況。

3）保證濃縮系統(tǒng)穩(wěn)定，避免出料濃度過低和過高。以目標濃度為基準，確定蒸餾塔塔底和塔頂溫度，進一步確定蒸汽和冷卻水用量。

2.2.2 換熱網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整

分析冷熱流股的熱負荷，合理匹配冷熱流股，充分利用裝置自身現(xiàn)有的資源，節(jié)約能量消耗。裝置的蒸汽冷凝水（LC）富余，且溫度較高，可以用來預(yù)熱部分物料，節(jié)約低壓蒸汽（LS）使用用量。例如：在原母液水系統(tǒng)中，冷母液水（20℃）進入熱母液水罐，先利用加熱盤管加熱，再利用換熱器加熱，使熱母液水達到90℃，2次加熱均使用低壓蒸汽（LS）。若將換熱器改為冷母液水預(yù)熱器，利用過剩的蒸汽冷凝水（LC）預(yù)熱，使冷母液溫度達到60℃，后續(xù)再使用蒸汽加熱，可大大節(jié)約蒸汽用量，如圖3、圖4所示。

圖3 改造前母液水系統(tǒng)流程

圖4 改造后母液水系統(tǒng)流程

2.2.3 公用工程調(diào)整

在裝置運行參數(shù)穩(wěn)定基礎(chǔ)上，對各個用能設(shè)備進行核算和調(diào)整，以滿足工藝要求為目標，合理配置公用工程用量，避免過冷或過熱。

2.3 己二酸裝置取得的效果

按照全系統(tǒng)節(jié)能的層次分析方法調(diào)整后，己二酸裝置整體上取得了良好的效果：產(chǎn)品質(zhì)量提升，排污情況好轉(zhuǎn)，裝置能耗下降（表2）。調(diào)整后，裝置蒸汽消耗減少3 t/h，循環(huán)水消耗減少500 t/h，每年可節(jié)約成本約400余萬元。

表2 己二酸裝置調(diào)整前后對比

4 結(jié)論

化工生產(chǎn)節(jié)能管理中，調(diào)整能源用量時，經(jīng)常會造成其他方面，諸如質(zhì)量、環(huán)保等指標的降低，其原因在于調(diào)整單以節(jié)能為目的，忽視了其他方面的要求。以全系統(tǒng)節(jié)能的層次分析方法作指導(dǎo)，可以保證裝置能耗與其他指標共同達標。遼陽石化尼龍廠己二酸裝置按照這種方法進行調(diào)整，取得了良好的效果：產(chǎn)品的硝酸含量由1.5 mg/kg降至1.2 mg/kg，污水COD由140 kg/h降至87 kg/h，蒸汽消耗減少3 t/h，循環(huán)水消耗減少500 t/h。

[1]王慶一.能源效率及相關(guān)政策和技術(shù)[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2002（6）：1-10.

[2]王紫薇.我國石化產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]公克.低碳背景下石油化工產(chǎn)業(yè)資源與環(huán)保措施[J].化工管理，2013（22）：211.

[4]王保國，王春艷，李會泉，等.化工過程設(shè)計[M].第一版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002：4-5.

[5]陳清林，尹清華，王松平，等.過程系統(tǒng)能量流結(jié)構(gòu)模型及其應(yīng)用[J].化工進展，2003，22（3）：239-243.

[6]徐天祝.己二酸裝置硝酸蒸餾系統(tǒng)技術(shù)改造[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.05.009

2017-03-11

（編輯 王古月）

周禹君，工程師，2006年畢業(yè)于大連理工大學(xué)（化學(xué)工程與工藝專業(yè)），從事化工生產(chǎn)管理工作，E-mail：zhouyujun1@petrochina. com.cn，地址：遼寧省遼陽市宏偉區(qū)石化路3號，111003。