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化工過(guò)程中節能降耗工藝設計
發(fā)布時(shí)間:
2023-11-15 13:35
前言
節能既是一個(gè)老話(huà)題,又是新時(shí)期的一個(gè)重大戰略課題。由于經(jīng)濟快速發(fā)展,能源約束矛盾日益突出,已經(jīng)成為經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展的一個(gè)重要制約因素。解決能源約束問(wèn)題,一方面要開(kāi)源。另一方面,就是必須堅持節約優(yōu)先?;瘜W(xué)工業(yè)由于能源消耗特別大,而且占國民經(jīng)濟的比重比較大,化工節能受到了各國化工從業(yè)人員的普遍的重視?;す澞茉O計也就成為一項新型的業(yè)務(wù)而得到迅速發(fā)展
1化工節能降耗的意義
1.1加強節能是化工企業(yè)可持續發(fā)展的需要
隨著(zhù)國民經(jīng)濟和人民生產(chǎn)水平的不斷提高,對能源的需求越來(lái)越大。到2020年,我國經(jīng)濟要實(shí)現翻兩翻的目標,必須提供充足的能源作為保證?;瘜W(xué)工業(yè)要實(shí)現可持續穩定的發(fā)展,同樣需要穩定的能源供應。我國的能源有限,國內能源的供應將面臨潛在的總量短缺,尤其是石油、天然氣供應將面臨結構性短缺,我國長(cháng)期能源供應面臨嚴峻的挑戰石油供應的緊張,對化工工業(yè)的危害程度遠遠高出其他工業(yè)部門(mén)。因此,節約能源,減少能源的消耗對化學(xué)工業(yè)來(lái)說(shuō)具有特別重要的意義,是化學(xué)工業(yè)可持續發(fā)展的必要前提。
1.2加強節能是化工企提高經(jīng)濟效益的需要
化工產(chǎn)品,尤其是高耗能產(chǎn)品的能源消耗占據產(chǎn)品成本的很大比例,最高可達 80%左右。節約能源降低能源費用,就是降低產(chǎn)品成本,從而可以增加產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力,為企業(yè)創(chuàng )造更多經(jīng)濟效益。
1.3加強節能有利于環(huán)境保護
節能就意味著(zhù)減少了能源的開(kāi)采與消耗,從而減少了煙、塵、二氧化硫污染物的排放。據報道,直接燃燒 lt 煤炭,可向大氣排放的污染物有粉塵9~1lkg,SOzx約16kg,NOx約3~9kg,還有大量CO2x。這些污染物是酸雨、溫室效應、光化學(xué)煙霧大氣粉塵增加的主要原因。因此,節能降耗可大大有利于環(huán)境保護。
2化工過(guò)程能耗分析
能量的合理利用是指在用能過(guò)程中盡可能地減少過(guò)程的能量損失?;み^(guò)程的能耗由兩部分組成。第一部分是理想功,即完成過(guò)程必須的最小功。它是理論上必須消耗的功,不存在節能潛力;第二部分則是屬于能量損耗。其中又可分為不可避免的能量損耗與可避免的能量損耗兩類(lèi)。第一類(lèi)是為了保證過(guò)程以必要的速度進(jìn)行所需要的推動(dòng)力及由于各種目前尚無(wú)法消除的能量耗散效應造成的。如果沒(méi)有這部分能量消耗,過(guò)程只能以無(wú)限慢的速度進(jìn)行顯然,這種速度無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需要。這部分能量損耗雖然在目前條件下視為不可避免的,但隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步有可能適當的降低,卻無(wú)法消除。第二類(lèi)則是由于實(shí)際過(guò)程存在的各種不合理的不可逆因素造成的能量損失,例如過(guò)大的過(guò)程推動(dòng)力,過(guò)大的流體阻力和散熱損失等這部分損失屬于可以避免的能量損失,即可以通過(guò)對過(guò)程分析和改造得以減少甚至消除。節能工作的任務(wù)就是設法通過(guò)各種措施來(lái)減少這部分能量的消耗。
3化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的節能裝置
3.1熱管換熱器
熱管是利用密閉管內工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝來(lái)進(jìn)行傳熱。利用熱管導熱能力強、傳熱量大的特點(diǎn),以多根熱管作為中間傳熱元件,實(shí)現冷熱流體之間換熱的設備叫熱管換熱器。熱管換熱器屬于冷熱流量互不接觸的表面式換熱器。一般情況下,熱管換熱器有一個(gè)矩形的外殼,在矩形外殼中布滿(mǎn)了帶助片的熱管。在矩形殼體內部的中央有一塊隔板把殼體分為兩個(gè)部分,一部分與熱流體通道相連,為熱管的蒸發(fā)段:另一部分與冷流體通道相連,為熱管的冷凝段。冷熱流體均在熱管外部橫向流過(guò),通過(guò)熱管軸向傳輸熱量,將熱量從熱流體傳給冷流體。
3.2熱泵
熱泵是一種能使熱量從低溫物體轉移到高溫物體的能量利用裝置。適當應用熱泵,可以把不能直接利用的低溫熱能轉變?yōu)橛杏玫臒崮?,從而提高能量利用率,節省燃料?/span>
根據熱力學(xué)第二定律,熱量不會(huì )自發(fā)地從低溫物體轉移到高溫物體。因此,熱泵要完成自己的工作,就必須從外界輸入一部分有用能量,以實(shí)現這種能量的傳遞。
3.3蓄熱器
蓄熱器實(shí)際上是鍋爐與蒸汽用戶(hù)兩者之間儲存熱量的“熱庫”,在用汽量較低時(shí)把過(guò)剩的蒸汽儲存起來(lái),到用汽量大而蒸汽不足的時(shí)候再取出來(lái)使用,從而起到調節用熱峰谷的作用。在用氣量以預期的規律變化時(shí),蓄熱器可以使負荷持續平衡的時(shí)間達數小時(shí)甚至數天之久。根據壓力變化情況,蒂熱器可分為變壓式蓄熱器和定壓式蒂熱器。變壓式蓄熱器是由蓄熱器本體和控制蒸汽進(jìn)出的自動(dòng)調節閥倆個(gè)主要組成。蓄熱器本體是鋼制的圓筒,在簡(jiǎn)體外側有良好的保溫,在筒體內,裝有蒸汽分配管蒸汽噴嘴和水流循環(huán)筒。
容積一定的蒸汽蓄熱器,其蓄熱量或蒸汽發(fā)生量取決于充熱壓力與放熱壓力之間的壓力差的大小,以及放熱壓力絕對值的高低。充熱壓力越高,則充熱完成后得到的飽和壓力和溫度越高;放熱時(shí)壓力越低,則能蒸發(fā)的蒸汽量就越多,充熱壓力和放熱壓力的差別越大,蓄熱量就越大。放熱本身的大小也影響蓄熱量的多少
3.4變壓吸附
變壓吸附是利用特定吸附劑對各種氣體吸附能力的差異進(jìn)行氣體分離的一項技術(shù)。吸附分離的基本原理是當流動(dòng)的氣體與多孔的固體顆粒相接觸時(shí),由于該固體顆粒能有選擇地積累和凝聚氣體中一定組分在其內外表面上,使該組分在固體表面上的濃度顯著(zhù)增大從而達到分離的目的,這種現象稱(chēng)為吸附。當外界條件發(fā)生變化 (如溫度、壓力的變化)時(shí),固體表面上被吸附的組分會(huì )重新返回氣體中,這一過(guò)程稱(chēng)為解吸或脫附。
它可在常溫和較寬的壓力范圍內操作,具有使用氣源廣、產(chǎn)品純度高、工藝簡(jiǎn)單、節能效果顯等特點(diǎn)。目前,變壓吸附技術(shù)已廣泛用于制富氧空氣、氫氣,從合成氨弛放氣和焦爐煤氣中回收氫氣從含一氧化碳混合氣中制純一氧化碳,合成氨變換氣脫碳,天然氣凈化提純甲烷等領(lǐng)域
3.5膜技術(shù)
膜分離是借助膜的選擇滲透作用以及膜兩則的能量差(如壓差、濃度差。電位差等等) 對混合物中溶質(zhì)和熔劑進(jìn)行分離、提純的過(guò)程。膜分離技術(shù)不耗化學(xué)劑和添加劑,不會(huì )污染產(chǎn)品。滲透原理:在恒溫容器中,用半透膜《只允許熔劑分子通過(guò)而不允許溶質(zhì)分子通過(guò)的一種膜)將容器隔成兩個(gè)部分,一邊為純溶劑(如水),另一邊為含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液《如鹽水溶液)。由于純溶劑的化學(xué)位高于溶液中熔劑的化學(xué)位,熔劑分子將透過(guò)半透膜從純溶劑側向落液側滲透,使溶液側的壓力和溶液中熔劑的化學(xué)位隨之增加。當溶液中熔劑的化學(xué)位與純溶劑的化學(xué)位相等時(shí),滲透達到平衡狀態(tài)。
4常見(jiàn)的化工工藝節能措施
史密斯和林罹夫的“洋蔥頭”模型,十會(huì )直觀(guān)地表明反應系統是開(kāi)發(fā)和設計的核心,它強調了過(guò)程開(kāi)發(fā)和設計的有序和分層性質(zhì)。據此,提出主要的化工工藝節能措施如下:
4.1改變反應工藝條件,降低工藝能耗
(1)降低反應壓力。從而可以降低輸送反應物的機泵能耗,尤其是明顯降低氣態(tài)反應物的壓縮功
(2)降低吸熱反應溫度,從而降低供熱溫位
(3)提高反應轉化率,抑制副反應。從而減少反應能耗和產(chǎn)品分離能耗。
4.2 選取適宜的設備,優(yōu)化作條件,降低分離過(guò)能耗
產(chǎn)品分離提純是化工裝置能量消耗的主要單元,選擇適宜的操作條件,如改變精餾塔的操作壓力,降低塔的回流比、回收蒸餾過(guò)程的顯熱和潛熱以及采用熱泵蒸館、增設中間換熱器、熱偶蒸館均可大大降低分離過(guò)程的能耗。
4.3加強余熱的回收
在化工過(guò)程中總會(huì )有余熱的排放。余熱在科學(xué)上也稱(chēng)二次能源,它是一次能源在轉化中的產(chǎn)物,它又是化工生產(chǎn)能被直接利用的能量。如將高溫反應余熱回收用于產(chǎn)生蒸汽供工藝使用,或將低溫位的余熱用于預熱工藝物料。熱管熱泵技術(shù)的應用更可大大提高對低溫位余熱利用的程度。低溫余熱的回收利用,已成為當今和將來(lái)余熱回收的重點(diǎn)
4.4選用高效設備和材料,提高設備效率
能量的利用是通過(guò)用能設備來(lái)轉化的,選用高效設備和材料,提高設備的效率是國外節能工作中的主要措施。比如,采用高效填料及高效傳熱設備改善傳傳熱性能,提高傳熱效率,選用新型絕熱材料和選擇合適的絕熱層厚度,可有效減少熱損失。推廣高效用能設備,除直接降低生產(chǎn)耗能外,還間接地使整個(gè)化工生產(chǎn)建立新的生產(chǎn)方式。
4.5提高催化劑的活性
催化劑是化工生產(chǎn)工業(yè)節能的關(guān)鍵物質(zhì),這是因為,一種新的催化劑可以形成一種新的更有效的工藝過(guò)程,使反應轉化率大幅度提高,溫度壓力條件下降,單位產(chǎn)品能耗顯著(zhù)下降;另外,通過(guò)提高催化劑的選擇性,減少了副產(chǎn)物,即節約原料消耗,又降低了分離過(guò)程的負荷和能耗。例如,ICI公司用低壓(5MP),低溫《270C)操作的基催化劑代替高壓(35MP),高溫(3755C)的鋅鉻化劑合成甲醇,不僅使合成壓縮機的動(dòng)力消耗減少 60%整個(gè)工藝的總動(dòng)力消耗減少 30%而且在較低溫度下副產(chǎn)物大大減少,節約了原料消耗和甲醇精餾的消耗結果使每噸甲醇的消耗從4190萬(wàn)KJ 降低到3600萬(wàn) kJ。
4.6開(kāi)發(fā)新新產(chǎn)方法
以節能為中心,開(kāi)發(fā)新工藝,新的生產(chǎn)方法。以便最合理地使用能源來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)。同時(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中,使副產(chǎn)物和廢棄物得到綜合利用,并實(shí)現最佳操作條件和自動(dòng)化控制,使生產(chǎn)和化學(xué)反應在最優(yōu)化的條件下進(jìn)行,提高反應速率、轉化率和產(chǎn)率,節約化工生產(chǎn)的能源。
5化工節能成果
改進(jìn)工藝,采用循環(huán)硫化床鍋爐。江蘇某化工有限公司在采取節能降耗工藝以前是一家瀕臨倒閉的國有小氮肥企業(yè),該公司采用循環(huán)硫化床鍋爐,全面停用了煙煤,只用少量的煤屑配上 70%的造氣爐渣做燃料,噸氨煤耗降低 210 千克,年節約燃煤25000 噸,增效 1300 多萬(wàn)元,較好地實(shí)現了資源綜合循環(huán)利用。新建 中2800 造氣爐,配套了循環(huán)硫化床鍋爐,增加了造氣發(fā)氣量,多用型煤、少用塊煤,合成氨日產(chǎn)量提高20 噸,尿素日產(chǎn)量提高 4 噸以上,全年可提高尿素生產(chǎn)能力 14000 噸以上。另一方面,該公司采用國內先進(jìn)的“三氣”回收裝置,實(shí)現了對合成氨生產(chǎn)過(guò)程中“三氣”(再生氣、放空氣、馳放氣)的全部有效回收。每天回收的“三氣”增產(chǎn)碳 30 噸以上,單位能耗下降4.5%年節約原煤5000 余噸投入 130 萬(wàn)元新上3 臺()蒸發(fā)式凝器,杜絕了夏季冷凍崗位因高溫、超壓而放空、增開(kāi)冰機的情況,全年可節約用電 160多萬(wàn)千瓦時(shí)節約自用氮 90 余噸,避免企業(yè)主要污染物氨氣排放對大氣環(huán)境的污染。投入100 多萬(wàn)元,對“兩水”(冷卻水、循環(huán)水)進(jìn)行全面閉路循環(huán),實(shí)現了污水零排放,創(chuàng )造了良好的社會(huì )效益。
6總結
在化學(xué)工業(yè)中,煤、石油和天然氣,既是能源又是寶貴的原料,節省了能源,也就是節省了化工原料,降低了成本?;どa(chǎn)過(guò)程的節能可以通過(guò)加強余熱的回收、提高設備效率、降低過(guò)程能耗和開(kāi)發(fā)新工藝與新生產(chǎn)方法等方式來(lái)實(shí)現。如何在化工設計中充分運用先進(jìn)的節能設備,采取適用的節能指施,為化工企業(yè)節能降耗奠定堅實(shí)的基礎,推動(dòng)精細化工企業(yè)的轉型升級是化工工程技術(shù)人員的一個(gè)重要課題?;す澞芙窈蟮募夹g(shù)方向是通過(guò)對現有生產(chǎn)條件的不斷優(yōu)化改造采用 DCS 控制系統保持反應在最有條件下進(jìn)行,提高催化效率以及其使用壽命,努力實(shí)現以最小的投入產(chǎn)生最大的效益。
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