化学工业中创新性能源系统的机遇 - 专家讲坛

化学工业中创新性能源系统的机遇
□中国化工信息中心教授级高级工程师  朱曾惠
    化学工业是能源密集型产业，一方面，主要产品原料来自油、气、煤等一次能源；另一方面，生产、存贮、
处理等过程能耗巨大。在当前能源紧张之际，化学工业面临严峻的考验，如果说前者面临的挑战是如何开发可
替代能源，而后者则是如何提高能源利用效率。美国能源部根据《化学工业2020年设想》的要求，进行了“创
新性能源系统挑战——促进创新的竞争”的专题研究，并在《美国化学工业中创新性能源系统的机遇》报告中
分析了美国化学工业高能耗、低能效、损耗大的现状，这也为化学工业中创新能源系统的发展提供了机遇，如
果通过创新可以解决这些问题，化学工业的节能将取得实质性进展。
                                   美国化学工业中的能源流失
　　根据《化学工业2020年设想》，化学工业相关生产、科研单位应加强合作，促进节能新技术的研究开发，
推动化工产业走向可持续性的道路。为此，制定“创新性能源系统的挑战”专题研究以提高整个化学工业的生
产效率及能源使用效率，降低生产成本。由于化工生产装置的能源效率低以及生产界区外能源在其生产、传输、
转换和分配等环节发生的损失，每年约超过2.7×1015 BUT（1BTU=252卡=1054.6焦耳）的能源“流失”。
　　根据美国能源部1998年统计，向化学工业输入一次能源5.07×1015 BTU，其中1.35×1015 BTU损失于生
产界区外电站和燃料分配系统，而生产过程中能量产生、分配和转换过程损失亦超过1×1015 BTU（见图1）。
两个过程共损失2.708×1015 BTU，约为能源供应总量的53.3%。根据《化学工业2020年设想》，到2020年创
新性能源系统将使化学工业、生产全过程能源损失减少30%，每年节约能源0.7×1015 BTU，亦即每年可节约20
亿～30亿美元。
                               化学装置工艺过程和能源供应系统的节能机遇
    每年美国化工厂要直接外购热能和电能307×1015 BTU，生产过程中约75%（2.8×1015 BTU）的能量用于
加热和冷却，向生产界区外输送电能约2.5×1013 BTU。泵、排风机、压缩机、传输带、混合器、电化学工艺以
及生产界区内运输、照明等耗能0.93×1015 BTU。
　　电力、蒸汽、天然气、液化石油气、煤和石油产品由生产界区外公用设施向化工厂输送，进入生产界区内
后，被分流进入中央能源生产/公用工程系统或分配系统作为生产过程的燃料。生产过程中所用能量转换设备一
般都集成在各个工艺过程之中，如精馏塔的加热炉、乙烯蒸汽裂解炉等，经转换的能量送入工艺过程和操作单
元，使反应器内的化学物质发生化学反应，分离目标产品与副产品，制取最终产品。有些化学反应是放热的，
可产生热量，一般以蒸汽形式存在，有时是废热、尾气或副产物，这些多余的能量被回收或送入循环系统进行
再利用。
　　能量损失发生在能源供应和分配系统。与生产有关的发电和蒸汽系统都有能量损失，这是由于设备效率不
高以及机械性能的限制，分配和输送系统的能量损失将发生在进入厂区之前和厂区之后。生产过程中的能量损
失是由于没有进行废热回收，或是对具有燃料价值的副产物未能再利用，热量回收和副产物再利用的价值不容
忽视。1998年美国化学工业通过对轻质尾气、副产重质油品和焦油的回收和利用节约了0.748×1015 BTU的能
量，相当于化学工业应用的热能和电能的20%。目前，世界化学工业每年的废热释放总量约20×1015 BTU，亦
即从公用工程到生产过程的整个流程中所需能源的40%被损失，其中一半损失发生在生产过程中，这为改进生产
技术从而大幅降低能耗、减少能源损失提供了前所未有的机遇。
　　一般能源系统的废热释放和机械效率低下导致很大的能量损失，这类损失可以通过技术进步以及能源管理
的改进来减少。例如，单循环燃气透平机发电效率低，约25%～35%，但通过新型共同发电系统就可极大地提高
其热效率，应用高新材料可以使透平机在较高温度下运作，以取得较高的发电效率。在工厂中安装高级透平机
或共同发电系统后随着电力外购而减少能量传输损失，可提供生产过程需要的热量和电能，废热以及副产物再
利用或优化热源等也都有很大的效果。这些创新性能源系统是实现节能、降低生产成本的关键。
                                     化学工业优先考虑的节能技术
　　美国化学工业生产过程每年产生大量的能量损失，从而为节能技术的发展提供了广阔空间，要实现未来的
节能计划需要改进能源管理系统，此外一些关键性技术有待突破（见表1）。如果每年减少10%的能量损失就可
节能0.23×1015 BTU。下图表明在综合能源系统中的研究开发工作，这些工作都可以取得显著的节能效果。

                  表1  综合能源系统中的节能技术
   能源系统                           机    遇
电力和蒸汽产生
　●电力/共同产生          1.251×1015 BTU界区外电力损失
　●可再生能源系统         0.328×1015 BTU界区内热量损失
　●燃料灵活性系统        54 BTU界区内电力损失

热量集成和能源管理
　●界区内热量产生
　●工具和控制             0.985×1015 BTU热量损失
　●能量传输和分配        20×1015 BTU废热
　●能量贮存

热量传输和能源回收
　●能源升级系统
　●热能传输系统        20×1015 BTU废热
　●腐蚀性蒸汽处理        （百万磅化学物质排放）
　●废热和副产物

　  1. 电力和蒸汽的产生
　　锅炉、透平机和输助设备以及相关的能源供应分配系统（传输线路、蒸汽管道）中有些是与生产工艺过程
结合在一起的，有些则是中央电站的组成部分（见表2）。新型能源系统的开发包括提高发电效率，降低发电和
蒸汽锅炉的能量损失，开发替代性动能系统，应用可再生资源或其他燃料资源并提高燃料的灵活性。

                  表2  发电和蒸汽生产过程中节能技术
技术领域                   待    选    项    目                 能源方面的机遇
改进界区内发电  ●模式系统，低成本微型化能源系统，微型    ●电能的净需求量：0.733×1015 BTU
和联产蒸汽        透平机，小型联产系统（能效和可靠性与      当前界区内联产和通用透平电能460亿kW·h
                  大型系统相当）              ●外购电力每年损失1.251×1015 BTU
        ●热电可以分离的高效能源系统          ●界区内锅炉：1.271×1015 BTU; 整体蒸汽
        ●驱动发动机和压缩空气系统                系统损失0.748×1015 BTU
        ●化学能直接转换为电能               ●由于发电设备能效低造成的损失达5.4×
        ●化学品和电力联产（在工艺过程中某一       1013 BTU（热能和机械能）
          种化学反应中用燃料电池产生电）      ●当前发电系统中，化工工艺用可再生资源
        ●热量、电能和冷量三联产            仅占0.1%
                              ●锅炉用天然气1.299×1015BTU
低成本太阳能/    ●太阳能转换为电能                      ●工艺过程加热用天然气1.04×1015 BTU
可再生能源    ●风力透平机
        ●生物质气化
        ●锅炉中生物质和矿物燃料同燃烧

燃料灵活的能源  ●提高燃料灵活性和多样化的新技术（如
系统          多种燃料燃烧器）

　　小型高能效的发电系统提高了电力供应的灵活性，而联产或三联产的方法也为降低能耗和燃料需求提供了
有效的途径。可再生能源可以提供多样性能源从而减少对环境的影响，但是可再生技术的投资巨大。燃料的灵
活性对降低成本、适应燃料价格的浮动和提高效率等方面起着关键性作用。当前锅炉和各种过程加热器主要以
天然气为燃料，由于气价变化幅度大，因此需要改用LNG和油为燃料，要求新系统对环境影响小，而且不能增
加废气等的排放。
　　2. 热量集成和能源管理
　　生产过程中热源集成的管理和最佳能量实际应用（保温、控制、管理维护）以及能源贮存系统的合理利用
需解决的技术见表3。需要配置专门热源，优先考虑改善对系统性能的控制以及改进热量的集成和降低损失。在
能源管理方面，能源贮存要引起关注，如间歇式工艺过程常常在不运输情况下浪费了所产生的能量，有效的能
量贮存可解决此问题，也可以贮存产能峰值期的能量。

                   表3   热量集成和能源管理的实践
技术领域               待    选    项    目                     能源方面的机遇
就地产生热能    ●能源产生地与耗热处相近        ●全厂用能（热和电）3.4×1015 BTU

用于优化热量    ●新型和改进热源优化工具包括驻点分析    ●界区内输送和分配系统能量损失：
和能量流动的    ●提高和优化热量和能量流动的控制系统      0.323×1015 BTU
控制和手段

能效高的环境    ●应用于锅炉系统的NOx控制
控制

界区内能量输    ●低成本的保温材料
送和分配系统    ●良好的分配系统控制和传感器

热能、化学能    ●连续运转设备产生的能量和热贮存
和机械能的贮    ●电解工艺
存系统        ●放热的间歇工艺
        ●产生过量的流体能量的工艺
        ●将光转换为电能工艺

　　3. 热量传输和能量回收
　　热的传输系统以及生产过程中产生的废热和副产物的有效利用和工艺过程能源集成系统，为改进热传输和
能源回收所需要的技术见表4。据统计，每年从化工厂以废热形式排出的能量约2×1015 BTU，这些废热的回收
在热力学上受到限制。例如，130℃的废热蒸汽所含能量可以用于某些工艺过程中，但当热蒸汽冷凝时对设备产
生腐蚀。

                         表4  热的传输和能量回收技术
技术领域                待    选    项    目             能源方面的机遇
能量运输和热量    ●可用技术(如工业热泵)可以使废热经济    ●化工厂放出废热2×1015 BTU
升级          地升级达到可用的工艺热量        ●每年释放出可再利用的化学品能量超过
        ●新型强化技术经济可行地升级和传输      2×1013 BTU

无热量降低的热    ●新系统用于提高热传输设备的效率
传输

处理不净或腐蚀    ●改进热传输设备的工艺和材料，减少积垢
性工艺蒸汽    ●提高在积垢环境下设备热交换

更好地利用有作    ●捕集废燃料气和烟雾以及跑漏点排放的
燃料和原料价值    新技术
的废物和废气    ●废热冷却器，吸收热泵作为能量和产品
          回收
        ●新型、有效的废热回收系统
        ●废气驱动的燃料电池
        ●通过集成回收直接利用多家公司的副产物

低于130℃的废    ●凉水塔排放的废热，吸收热泵作能量回收
热回收        ●新技术回收热量，减少潜在的腐蚀问题
        ●初级废热发电

　　热交换器积垢是另一个严重的问题，不仅增加了能量消耗，而且需要开发新技术进行设备维护，以减少由
此引发的停机，同时还要预测和阻止积垢的产生。有时对废物的利用回收经济性不尽人意，通常采用掩埋方法。
烟雾和跑冒点泄漏有时释放出有价值的化学产品和副产物。1990年一份研究报告指出，化学工艺过程中释放的
甲苯每年达到1000万磅，氨1亿磅；1991年一份市场报告表明，在乙烯、尿素、BTX、氯碱、磷肥/磷酸、合成
橡胶和胶粘剂7种化学工艺中可节能2×1013 BTU。
　　综上所述，化学工业节能是大有所为的。从本篇报告可以得到以下启示：
　　1.化学工业制造过程（包括界区内和界区外）节能有很大的发展空间，它与化学工业原料转换是不同的。
由于日益紧张的油气资源是许多化工产品的原料，因此开发替代原料和新工艺对生产企业来说尤为紧迫。有些
替代原料不仅达不到节能的目的，还会增加能耗（如用煤替代油气），因此我们研究分析化工耗能问题应将二者
分开，不宜混淆。
　　2.统计工作十分重要，只有通过监测和统计才能发现问题，找出差距，提出改进的途径。在我们分析研究
化学工业节能问题时，只统计耗能总量，只计算万元产值耗能当量是难以制定出确切的节能战略和措施方案的，
至少在各行业统计中应将原料用能和工艺过程用能加以分列，不然很容易将节能停留在概念上和口号上。