石油化工节能设备及技术进展

1前言

化石能源作为不可再生资源，其消耗一方面使人类面临能源枯竭的风险，另一方面又使人类现存的生存环境不断恶化。面对日益严峻的能源形势，不断提高能源利用效率、发展低碳经济，已成为全球关注的战略焦点。国家统计局统计资料显示，

2011年全国能源消费量达34.8×108t 标准煤[1]，国际能源署(IEA)及BP 能源榜也显示，我国已超过美国成为全球第一能源消费大国。“十二五”时期，我国工业化、城镇化进程将进一步加快，能源需求将继续快速增长。2011年，我国原油对外依存度达到

55%，石油消费增速超过了GDP 增速，给能源生产和节能减排带来巨大压力。

目前，我国总体能源利用效率为33%左右，比发达国家低约10个百分点。石油和化学工业总产值占全国规模工业总产值的12%[2]，而能源消耗量则占全国能源消耗总量的15%。2012年，我国原油进口量约为2.71×108t ，比上年增长6.8%。在国家发展改革委员会公布的千家重点耗能企业中，石油和化工企业占1/3。国家在《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中明确提出，到“十二五”末，“单位国内生产总值能源消耗降低16%，单位国内生产总值二氧化碳排放降低17%”，国家《能源发展“十二五”规划》指出，到2015年要将我国能源消费

总量控制在40×108t 标准煤，石油对外依存度要控制在61%以内[3]。既要实现国民经济增长目标，又要实现节能目标，无疑是一个十分复杂的系统工程，需要全社会共同努力。本文就化工行业节能设备及技术的发展现状和趋势进行评述。

2落实节能标准，实施节能设计2.1现行节能标准

制订标准成为国际普遍采用的节能降耗管理手段之一。通过标准，能够限定能源消耗的指标，能够将节能减排的技术成果固化并推广，能够规范节能减排的措施和方法。据不完全统计，截至目前，已有近50个国家和地区成功实施了能效标准制度[4]。标准化、尤其是强制性节能标准是石油化工行业节能的重要支撑。

当前，我国石油化工行业节能相关国家标准包括强制性和推荐性两大类。国家强制性标准由设计类、节能管理类和能耗/能效限额类标准构成，推荐性标准可大致分为设计类、管理评价类和基础类。石油化工行业节能相关国家强制性标准共计21个，其中16个涉及能耗/能效限额，3个属于节能管

石油化工节能设备及技术进展

何奎

(中国石油四川石化公司，四川彭州611900)

摘要

“十二五”时期，我国工业化、城镇化进程将进一步加快，能源需求将继续快速增长。目前，我国总体能源利用效率为

33%左右，比发达国家低约10个百分点。石油和化学工业总产值占全国规模工业总产值的12%，而能源消耗量则占全国能源消耗总量的15%，是节能减排的重点对象。2012年，我国原油进口量约为2.71×108t ，比上年增长6.8%。在国家发改委公布的千家重点耗能企业中，石油和化工企业占1/3。做好石油化工行业的节能减排工作，一是要在新装置设计时，认真落实国家相关标准，实施节能设计，从工艺和设备上实现源头节能；二是要对现有装置，通过技术改造，实施设备更新和工艺优化，使老装置达到节能标准；三是要不断开发新技术、新工艺、新材料和新设备，不断更新节能标准，尤其是强制性标准，在新的高度上实现节能减排的良性循环。

关键词

节能节能设备节能技术节能标准化工

作者简介：何奎，工程师，1997年毕业于南京工业大学化工与机械设备专业，目前主要从事化工机械设备的管理工作。

E-mail ：wliang@https://www.360docs.net/doc/3b17692579.html,

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比较内容A 技术B 技术C 技术冷却水/t 130140150蒸汽/t 0.0650.10.205电/(kW ·h)375420420能耗/MJ 602271097778总单体单耗/t 1.015 1.019 1.020总操作成本/元449045394686操作成本/(104元·a -1)

107760

108936

112464

表1几种气相法聚乙烯工艺技术对比

理类标准，2个涉及节能设计，绝大部分标准在“十一五”期间发布实施。

2.2标准改进方向

为加强节能减排工作，国务院发布《“十二五”节能减排综合性工作方案》，在加强节能减排基础工作和能力建设中，提出加快节能环保标准体系建设的要求，包括加快制(修)订重点行业单位产品能耗限额、产品能效和污染物排放等强制性国家标准，提高准入门槛；建立满足氨氮、氮氧化物控制目标要求的排放标准。同时鼓励地方依法制订更加严格的节能环保地方标准。为落实该方案，近期全国能源基础与管理标准化技术委员会协助国家标准化管理委员会提出并落实了“十二五”期间计划完成的90余项强制性节能标准的制修订清单，包括鼓风机等工业设备的能效标准及PVC 、纯碱、醋酸、二甲醚、合成橡胶、甲醇、聚甲醛、磷酸一铵、磷酸二铵、硫酸、硫酸钾、轮胎等，以及氯甲烷、炭黑、烧碱

(修订)、合成氨(修订)等的能耗限额标准研制[5]。

显然，我国石油化工节能减排标准化工作明显落后于国家对节能减排的要求，因此，一是要加快标准化步伐，尤其是加快修订一些已严重落后的标准的步伐；二是要扩大强制性标准的范围；三是要在调查研究的基础上，把那些在节能减排上具有明显效果的新技术、新设备尽快以标准的形式固定下来，推广出去，使新技术、新设备发挥应有的作用。

2.3实施节能设计

王怀荐[6]在聚乙烯装置的设计中，通过比较生产全密度聚乙烯的气相法、浆液法和溶液法等3种工艺路线，认为虽然溶液法产品质量好，但投资高，消耗高；综合分析投资、消耗、产品范围、生产成本等因素，气相法略好于浆液法。在3种气相法技术中，综合考虑装置安全、健康、环保、消费者安全、工艺技术操作费用、能耗和物耗等指标的结果，见表

1。由表1可以看出，A 技术的工艺技术操作费用低，能耗、物耗在同类技术中是最低的。在装置设计过程中，又采用机泵调速技术、节能设备、优质绝热材料和优化的工艺流程等节能设计，使得产品具有更强的竞争力。

3采用新设备和新工艺，实施装置技术改造

工艺与设备是一对孪生兄弟，设备是工艺实施的载体，离开工艺，设备没有用武之地；离开设备，

工艺没有实施场所。因此，任何化工过程的完成，都是工艺与设备完美结合的产物。当然，任何节能目标的完成，同样离不开工艺与设备的结合，优化工艺，是在已有设备上的工艺参数的综合优化；改造设备，一定要满足工艺的要求。

3.1以优化工艺为主的节能改造

中原油田石油化工总厂常压蒸馏装置原油加工能力为50×104～60×104t/a ，催化裂化装置是典型的同轴式催化裂化装置，以常压渣油为原料，加工能力为30×104t/a ，全厂能耗指标为96.05kg 标油/t ，能耗较高一直是制约该厂经济效益的重要因素。经过分析，采用一系列措施对装置进行流程改造和工艺优化[7，8]：从常压渣油泵来的渣油(343℃，1.95MPa)经常压渣油-闪底油换热器E112，与闪底油换热，再经常压渣油-脱后原油换热器E111、常压渣油-脱前原油换热器E103换热至130℃分为两路：一路经E107、过滤器、流量计送至罐区；另一路经过滤器、流量计经油品原料泵(变频调速)进入催化原料罐R202(110℃)。催化裂化装置流程如图1所示。

实施上述改造后，年节约循环水34.4×104t ，节省成本17.2×104元。以年开工时间8000h 计算，年节约能耗1.441×106MJ 。每年利用常压渣油热能达

3.135×107MJ ，折合成标准油为987t ，以1t 标准油价格1100元计算，节约成本108.57×104元。由于罐区催化裂化装置原料泵改为变频调速控制，每年可节约电能1.2×105kW ·h ，即5.426×106MJ ，节约资金

73.1×104元。该厂投资38.9×104元实施技术改造，改造后年节能达3.822×107MJ ，年节约生产成本达

198.87×104元。

胜利油田石油化工总厂延迟焦化装置于1996年建成，设计加工量为40×104t/a ，2002年对该装置进行技术改造时，为节约投资，利用了旧的凝汽式透平，装置设计能耗为39kg 标油/t 原料，与目前国

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3.2以采用节能设备为主的节能改造

采用新型高效节能设备(高效分馏塔、换热器、空冷器、泵、压缩机、加热炉等)具有明显的节能效果[10]。各国对高效节能设备的研究、改进主要集中在以下方面：①传质设备。包括高容量塔盘、构型填料、新型不规则填料及静态混合器；②换热器。全球管壳式换热器的年贸易额有30多亿美元，但该类换热器的制造方法也在不断改进，目的是减少结垢和提高传热效果；③旋转设备(压缩机、泵)。改进的主要方向是提高使用寿命和使用性能，降低成本运行；④反应器。采用先进的模拟方法设计新的反应器，如将反应功能和蒸馏功能耦合在一起的反应蒸馏装置等；⑤锅炉。每年全球锅炉贸易额约为4.0～

4.5亿美元，改进的主要方向集中在提高裂解炉、水蒸气重整和高压锅炉的效率等方面，如通过改进加热炉燃烧器火嘴，提高加热炉燃料的燃烧效率[11]。

绕管式换热器具有占地面积小，换热效率高，换热面积大，制造成本低等特点。文献[12]将绕管式换热器应用于新建的加氢裂化装置上，装置设计能耗为45.39kg 标油/t ，实际标定能耗为36.77kg 标油/t ，为设计值的81%。按照同比例折算，每年节约燃料费用[(设计燃料费用-实际燃料费用)×81%]约为

1569.9×104元。此后，他们根据实际需要，对该装置又实施了一系列节能改造[13]，一是在往复式压缩机上增加了气量无级调节系统(Hydro COM)，往复式压缩机的轴功率随加工负荷的降低而降低，低负荷

运行时，功率消耗明显下降；满负荷运行时，电流下降约30A ，每小时节电约300kW ·h 。二是针对装置夏季高压空冷器冷后温度偏高问题，对高压空冷风机进行改造，即采用升力系数大、升阻比高的新一代HY 高效叶片[美国GA(W)系列翼型]取代铝合金机翼型带扭曲角叶片，将摩擦传动改为同步传动。改造后冷后温度下降3～4℃，循环氢压缩机汽耗下降0.5t/h ，且投资回收期仅为4个月。

张秀存等[14]对中原油田石化总厂常压装置物料低温热量进行核算，通过合理的工艺流程设计，利用热媒水技术，仅增加2台55kW 离心泵、1个缓冲罐、9台换热器，就实现了常压装置低温余热的回收，其结果是取消了常压装置空气冷却器，减少了软化水、循环水用量，冬季蒸汽消耗降低，厂区采暖得到保证，其余时间用于加热原油；锅炉冬季负荷降低，燃料消耗降低，每年节约成本321×104元。

王定平[15]分析了对填料塔和板式塔进行油脂脱臭的工作原理，认为填料式脱臭塔相对于板式塔，由于油在塔内呈膜状蒸馏，而无油位的存在，故需要的汽提蒸汽和抽真空用的动力蒸汽较少，仅为板式塔的约30%。按燃油锅炉计算，每升80号重油产汽按10kg 计，80号重油单价按2.5元/L 计，假定锅炉热效率为75%，对于生产规模为300t/d 的油脂厂，填料塔相对板式塔炼油成本减少量为：(86/10×

2.5)/75%=28.67元/t ，年开机率按80%计，则每年可节省费用300×365×28.67×80%=251.15×104元。

内延迟焦化装置能耗(不含脱硫)30kg 标油/t 原料的水平相比，能耗明显偏高。为此，2005年8月检修期间对装置实施了包括装置采用部分热进料，装置换热流程优化，加热炉增设8根辐射炉管，加热炉

增设辐射墙，焦炭塔和部分高温管线更换新型保温材料等内容的节能改造。改造后，装置最低能耗达到30.526kg 标油/t 原料，较装置改造前能耗40.2kg 标油/t 原料降低了10个单位[9]。

催化原料泵

按常压渣线

自罐区来接蒸汽管网

去罐区

去催化

循环水入口

至重污油线

E107

E103

渣油自E111

循环水出口

图1改造后的催化裂化流程示意图

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第8期

何奎.石油化工节能设备及技术进展

一般说来，富氧的应用非常广泛，凡需空气之处，均可用富氧替代。文献[16]介绍了膜法富氧在石油化工中的应用。膜法富氧用于助燃时，采用“局部增氧”等高新技术，除了具有节能、增产等优点外，还能延长锅炉窑寿命、有利于尾气达标等；已广泛用于造气、催化裂化装置富氧再生、制硫酸、柴油机增氧、医疗保健、氧化反应及膜法-深冷法联合制氧等，具有显著的节能效果。

3.3实施综合节能改造

有文献[17，18]分析了石油化工过程常用的节能措施，邓涛[19]从加强能量的高效转换和传输、先进工艺的开发与应用、能量回收与充分利用等3方面，综合分析了间歇式液相本体法聚丙烯生产过程的节能改造，提出采用新型催化剂、实施智能控制、高效换热设备、传热设备的维护与清洗、U形冷却管替换指形内冷管和有机蒸汽膜回收丙烯等措施，降低间歇式液相本体法聚丙烯生产能耗。改造结果表明，改造后，装置循环水用量由原来的70×104t/月降到约52.4×104t/月；蒸汽单耗由1.35t降至1.21t，降低了0.14t；丙烯回收系统实现年经济效益234.9×104元。一年可收回全部改造投资。

4热量的综合利用

热量的综合利用是降低化工装置综合能耗的关键，因此做好热量的综合平衡，对于降低化工装置能耗具有重要意义。

4.1窄点技术优化热能利用

窄点概念是英国学者林霍夫于20世纪70年代末在前人研究成果基础上提出的，以后窄点技术又逐渐发展成为一整套换热网络窄点设计法，在欧美石化行业中广泛应用。据Linnhoff March公司报道，该公司运用窄点技术对500家企业1000套装置中的换热网络进行设计改造，平均降低公用工程消耗30%以上，改造投资回收期为0.5～1a[20]。

与其他设计方法不同，窄点方法不需要复杂的数学模型及计算程序，只需手算和/或简单的微机程序；在设计中该方法以窄点为起点，分别对吸热和放热两个部分做换热匹配设计；因此，是一种完全有别于传统换热网络设计的方法。窄点位于冷、热综合曲线之间垂直距离最短处[21]，窄点处的温差为网络中的最小温差ΔT min，如图2所示。对于热量回收，在换热系统中存在着某一特定温度，如果热量传递跨过这一温度，不仅造成高温位热能的浪费，同时也将导致冷、热公用工程消耗量的增加，这一特定温度称为窄点温度。

张海燕等[22]用窄点技术对制氢装置换热网络进行优化，发现冷公用工程用量为995kW，比装置目前用量减少10.17MW，其中空冷器热负荷为301kW，水冷器热负荷为694kW，冷却水用量为目前生产用量的6.3%。在高于窄点温度区域内有过剩的热流量852kW，可用于为加热炉预热空气。与装置现运行情况相比，换热网络需增加1台换热器。技术经济分析，预计设备及改造投资回收期10个月。宋小文等[23]、孟继安等[24]分别将窄点技术用于常减压装置的节能改造，同样取得了明显成效。

4.2换热器及其应用

换热器及其效率在石油化工节能过程中扮演着举足轻重的作用。雷明华[25]综述了石油化工行业中换热器研究现状及瓶颈问题，认为虽然各种新型高效节能换热器不断出现，但要达到整个生产体系的合理化和能源上的最大节约，单单依靠提高换热器的效能不可能取得接近完美的效果。除了不断改进换热器的换热效能以外，还要关注换热器在除垢和故障处理方面的问题；不仅要注意不同工艺时选择适宜的换热器类型，还要注意换热器的并联或串联；不仅要关注换热器本身，还要关注与换热器匹配的零部件的搭配选型。在换热器开发上，尤其要关注换热器材质及其表面涂料的开发，将轻便、耐高温高压、耐腐蚀、便宜作为发展方向，关注换热器的结垢、腐蚀等问题。

4.3余热利用设备及应用

通过能量平衡把可以利用的余热尽量利用起来，避免不必要的能位降低(例如工艺流程中的喷

热公用工程目标

ΔT min

冷综合曲线

冷公用工程目标

窄点

热综合曲线

温

度

焓

图2能量系统改进的窄点技术

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中外能源SINO-GLOBAL ENERGY

水减温减压)，把系统中的能量由高压到低压，由高温到低温统统加以利用，这样就可以达到节约燃料的目的。余热利用设备种类很多，但主要有空气预热设备、余热锅炉[26]和热泵[27～30]。

5应用变频器节电

石油化工企业生产过程中，流量、液面、压力等参数随工况的改变而改变，以前只能采用控制阀门或挡板开度的方法来改变，即人为增减阻力来实现，电力损耗非常大[31]。石化企业85%以上的电力消耗在交流电动机上，交流电动机拖动泵类、风机类负载又占大多数，而泵类、风机类负载的节电潜力是非常大的。将变频调速器安装在装置变电所内，由它给原有的交流鼠笼电动机供电，毋需改变原有的机泵管线和基础，安装方便、操作简便，只需转动面板旋钮，就能调频变速，可以直接观察所需频率(转速)，也可遥控、远距离、隔墙操作，并能在线无级调速和显示故障。变频调速器内部有12位或32位中央处理器，能快速检测和保护。变频调速节能原理矢量图如图3所示[32]。

汪学峰

[32]

介绍了变频调速节能技术在渣油进

料泵、加热炉鼓风机和液氨输送泵等防爆电动机节能改造中的应用。实践证明，应用变频调速技术，不仅减少了电动机、风机、泵和阀门等设备的故障率，延长其使用寿命，而且节约电能效果显著，实现了电动机、风机、泵类设备的经济运行，实现了节能降耗、降本增效的目的。

据不完全统计，目前仅九江石化公司已投入运行的变频调速器就高达226台，总装机容量达到

15000kW 。若按每台设备节电率30%计算，则每年至少可节约电能3900×104kW ·h ，每年仅节约电费

一项就达2000多万元，节约设备维修费、材料费

100多万元。除了使用变频技术外，还可采用静电电容器无功补偿和谐波治理装置等手段，降低供电系统的有功电能损耗，实现节能，降低用电成本[33]。

6结语

实现节能降耗、节能减排是人类共同的追求，也是一项长期的没有终点的任务。就石油化工行业而言，笔者以为，应该认真落实节能3部曲，即：①在新装置设计时，认真落实国家相关标准，实施节能设计，从工艺和设备上实现源头节能；②对现有装置，没有达到节能标准的，通过技术改造，实施设备更新和工艺优化，使老装置达到节能标准；③不断开发新技术、新工艺、新材料和新设备，不断更新标准，在新的高度上实现节能减排的良性循环。参考文献：

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图3变频调速节能原理矢量图

110100

90

80

7060

504030

20

10所需动力比例，%

102030405060708090100

流量或风量比例，%

变频控制(自动

节能控制时)

节能效

果空间变频控制(V /f 控制)泵或调节阀使用时的特性举例·99·

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何奎.石油化工节能设备及技术进展

Advances in Energy-saving Equipment and Technology in

Petroleum and Chemical Industry

He Kui

(PetroChina Sichuan Petrochemical Co.，Ltd.，Pengzhou Sichuan 611900)

[Abstract]China ′s industrialization and urbanization will gain speed during the Twelfth Five-Year Plan period and as a result ，the country ′s energy demand will continue to rise rapidly.China ′s current overall energy efficiency is about 33%，about 10percentage points lower than those of developed countries.In China ，the petroleum and chem -ical industry accounts for 12%of the total outout value of all industrial enterprises above designated size and 15%of the country ′s total energy consumption.The petroleum and chemical industry is therefore the main target for the country ′s energy saving and emission reduction initiative.In 2012，China imported about 2.71×108t of crude oil ，up 6.8%from the previous year.Of the about 1000major energy-consuming enterprises on a list published by the National Development and Reform Commission ，one third are petroleum and/or chemical enterprises.To do a good job of energy saving and emission reduction ，the petroleum and chemical industry should firstly strictly comply with relevant national policies when designing new production units and save energy from the very begin -ning of processes (in terms of both technology and equipment)by implementing energy-efficient designs.Secondly ，the industry should upgrade and optimize current equipment and processes through technical improvement to en -able existing units to meet energy efficiency standards.Thirdly ，the industry should continue to develop new tech -nology ，new process ，new materials and new equipment and continuously update energy saving standards ，particu -larly mandatory standards ，to achieve a virtuous cycle of energy saving and emission reduction at a new height.[Keywords]energy saving ；energy-saving equipment ；energy-saving technology ；energy-saving standard ；chemical engineering

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(编辑常雪红)

2013年第18卷

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中外能源

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