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化工生产中的节能技术与装备国内研发动态
发布时间：2013-05-01 12:10 来源：未知
1、前言
随着我国经济建设规模的不断扩大，能源消费快速增长，能源供应已成为制约我国经济和社会发展的一个主要瓶颈。根据有关资料统计，目前我国石油及化工行业能耗约占全国总能耗的17%t18%，是国民经济四个高能耗行业之一。另根据测算，我国石油化工行业单位产品的平均能耗是国际平均水平的2倍多，能源利用率只有33%左右，远低于先进工业国家的水平。因此从我国目前的能源形势和建立集约型社会的客观要求出发，石油化工行业深入开展节能技术与装备的研究势在必行。
2、化工生产节能技术与装备研发的主要方向
2.1采用近代过程集成技术，以节能为中心，优化工艺流程。
目前国内大部分化工生产工艺流程的设计仍只考虑化学工艺的要求，能量的综合有效利用与回收只作为辅助内容考虑。国外先进工业国家已经做到把工艺过程、能量供给的公用工程系统及能量回收系统整合起来，作为一个有机结合的整体来处理。这样能实现把一个化工厂或某个大型化工流程设计得总体能耗最小，运行成本最低。
采用过程集成分析方法中较实用的夹点分析法( Pinch analysis)进行工艺流程优化设计，对新厂新工艺而言，一般比传统方法节能30%~40%，投资节省10%～15%，对老工艺、老厂的技术改造也能达到20%—25%的节能效果。
化工工艺技术本身是否先进直接决定节能的效果。工艺落后本质上能耗一定落后，工艺革新可大幅度降低能耗。开展新工艺研发，努力实现大幅度节能。如采用新的高效催化剂和助剂，以膜分离中的超滤技术代替蒸发浓缩，以传导型干燥设备取代气流干燥装置等。
2.2开发高效单元操作设备并推广使用
石油及化工生产设备的主体是单元操作设备，如裂解炉、反应器、换热器、蒸发器、吸收塔、蒸馏塔、萃取塔和干燥器等，可以说绝大部分化工工艺的能耗大小决定于单元操作设备的能耗。选择典型单元操作设备进行重点开发研究，强化设备的处理能力和效率，实现能量的合理利用，达到高效、节能的目的，并将开发成功的新型设备在化工生产中大面积推广使用。
2.3利用社会废弃物经化工加工形成新的能源产品
随着我国经济发展和人们生活水平的提高，各类工业和生活废弃物日渐增多。许多废弃物可作为二次资源进行再利用，如报废轮胎、报废塑料制品等经特种化工工艺处理，可获得柴油等能源产品。以废弃物为原料生产能源产品和其他工业产品的工艺技术和特种设备开发，将成为我国节能技术研究中一个重要的研究方向。
3、近年来国内化工生产节能技术与装备研发典型实例分析报告
3.1热法磷酸生产工艺流程的改进及具有余热回收功效的新型燃磷塔的成功开发
磷的燃烧是一个剧烈放热反应，释放的热量可使五氧化二磷混合烟气的温度达l 800℃左右。在这样高温环境下，磷蒸气及其聚合物对燃烧塔等生产设备具有极强的腐蚀性，且这种腐蚀性随温度升高而加剧。因此工业上为防止腐蚀破坏，通常都使用以夹套结构燃磷塔为核心装备的二步法工艺流程，具体工艺设备参见图1、图2。其中夹套中循环冷却水的出口温度一般在50℃左右，这样低温的余热茌工业上难以进一步利用。同时为保证黄磷的流动及雾化燃烧，必须使其处于液相状态，因此需配置专用燃煤锅炉来供给蒸汽融化固态黄磷。此外为冷却循环水或磷酸，还必须配备风机、泵、换热器等一系列装置。这种一方面要求外部供热，另一方面又浪费自身燃烧热的现象是目前热法磷酸生产中普遍存在的问题。因此从节能和环保的角度考虑，有必要对现有工艺进行改进，改进的关键在于能否设计出具有余热回收功能的新型燃磷塔。有关这方面的研究国外起步较早，日本、美国和德国都针对热法磷酸生产的余热回收进行了研究和开发，并取得一些成果。但由于技术保密的缘故，根本无法得到这些专利的完整数据资料。因此，对于我们这样一个磷酸生产和需求的大国来说，开发具有独立知识产权的、符合我国热法磷酸生产实际的余热改造技术，意义重大。这既是热法磷酸生产企业降低成本、提高竞争力的需要，也是我国建设节约型社会的客观需要。
在热法磷酸的生产过程中，如果能回收磷的燃烧热用于固态黄磷的熔化，实现能源的优化利用，将具有很现实的工程意义。因此在考虑现有工艺布局的前提下，提出了一种更合理的热法磷酸生产工艺，流程如图3所示。改进工艺中，新型燃磷塔采用了燃烧室和余热回收装置合二为一的整体结构设计，如图4、图5所示，其燃烧室周壁布置有相应数量的抗磷酸腐蚀的不锈钢管，这些管束与连于各管之间的强化换热翅片围成一个具有中空腔的环形膜式水冷壁。水冷壁两端分别布有上下集箱和封头，周壁外侧则设有保温层，共同构成封闭壳体，完成磷的燃烧与热量回收。同常规燃磷塔比较，新型燃磷塔具有以下几个特点：①新塔的燃烧室与老塔形状相同，体积相近；燃磷塔结构及燃烧器与燃烧室的相对安装位置不变。因此新塔能保证完成磷的燃烧，并产生足量的P2 05烟气。②将水冷夹套换成膜式水冷壁后，实现了对热法磷酸生产过程的余热回收，有效热利用率大大提高。③整个燃磷塔重量可由裙座支撑或用钢架悬吊。工作时炉体的热膨胀可向上或向下自由伸展；集汽管两端与汽包及上集箱的连接，下降管两端与汽包及下集箱的连接都设计有弯头，可作为热补偿器，自动补偿各部件热膨胀量不一致的差别。图6给出了550kg/h新型燃磷塔的工程设计简图。
工作过程中，液态单质磷与助燃空气在压缩空气的作用下，经喷磷枪接口管自动进入燃磷塔燃烧，在生成五氧化二磷的同时释放出大量热能。这些热能以辐射换热方式被设置于膜式水冷壁的循环水吸收。上升管内的水因吸收热量而汽化，形成汽水混合的两相流体，它的密度要比位于同一水平面的下降管内的水密度小，这种密度差形成了水在汽包一下降管一下集箱一上升管一上集箱一导汽管一汽包之间自然循环的驱动力。燃磷塔回收余热生产的蒸汽最后在汽包内经汽水分离后排出。
改造后的热法磷酸新工艺系统，不仅能保证磷酸的原有生产能力和品质，而且能副产高温高压蒸汽，除满足自身生产所需，还可为其他化工生产提供过剩蒸汽。由于采用新型燃磷塔的新工艺省掉了专用燃煤锅炉，一方面降低了设备投资，另一方面每燃烧It混合磷可节省标准煤560kg和冷却水400t，相当于每生产1t浓度为85qt的磷酸可降低生产成本97. 37元，经济效益明显。目前通过小试、中试研究和数值模拟分析，已形成完整的工程设计方法。一台5000t/a和两台15000t/a的新型燃磷塔已经投入运行，50000t/a、75000t/a的大型装置正在设计之中。
3.2废轮胎热裂解回收发黑和燃料油的工艺开发与裂解塔的设计成功
随着汽车工业的飞速发展，废旧轮胎数量越来越多，它们露天堆放，一方面占用耕地，另一方面也对环境造成污染，此问题亟待解决。热裂解技术以其较低的污染排放和较高的能源利用率而被认为是21世纪最具潜力的废旧轮胎资源化处理方式，其典型流程如图7所示。除去钢丝的废旧轮胎，经清洗、烘干、切碎，再通过螺旋输送机进入裂解塔内进行裂解，气态产物经冷凝器冷凝后得裂解油和不凝气体。裂解油可直接作为燃料或经进一步的蒸馏、分离等得到质量更高的油品；不凝气体则通人缓冲罐，作为燃料气提供裂解反应所需的高温烟道气。固态产物炭黑在炉内冷却到常温，从下方排出，经球磨机中细磨和旋风分离，可得到质量较高的商品炭黑。烟道气从裂解塔排出后一部分通人热风炉与燃烧气混合，一部分用于烘干湿轮胎，剩余部分排放至大气中。
裂解设备是实现最终裂解反应的场所，它的设计成功是整个工艺的关键所在。在以前的许多试验研究中都能得到质量不错的裂解产物，但至今一直未能实现工业化的最主要原因就在于设计出能满足工艺要求的裂解设备存在很大困难，具体体现在：①进料的复杂性。废轮胎种类众多，且随着橡胶工业的发展轮胎性能也在不断地改进，因此对裂解设备来说进料是很不确定的；相应地要求设备的工艺参数在一定范围内应可灵活调节。②密封性要求。由于裂解气中富含甲烷等易燃易爆的烃类气体，所以对裂解设备的泄漏应有较为严格的控制措施。③高温的反应条件。裂解塔内最高温度高达700℃，因此在炉体的密封与结构设计时，炉内各结构的热膨胀量是必须考虑的关键因素。④保温要求。若裂解塔保温不当，气态产物极易在塔内低温部位部分冷凝液化，最终流人塔底炭黑中，不但影响炭黑的质量，甚至有可能形成黏糊状的大块物体堵塞炭黑排出口。
在国内外开发的热裂解装置中，流化床、移动床、回转窑等结构形式多种多样。在加拿大c.Roy等人开发的以熔融盐为传热介质的设备中，采用了双层加热盘片结构，如图8所示。其优点是采用卧式结构安装较方便，且对密封要求低、较易实现真空操作。但该结构对操作要求很高，在操作过程中若发生断电等事故，一旦融熔盐发生冷却、凝固，将导致整套裂解装备的报废。
温州化工研究院采用了回转筒的结构，如图9所示。裂解本体以一定的速度回转，为提高传热效果，本体外壁设置螺旋带，内壁设有翅片。该结构存在着大直径回转筒的动密封问题。因此不易采用分段加热方式，而若仅采用图中所示的单段加热方式，则裂解反应集中区为烟道气的低温区，因此要确保橡胶小块达到一定的裂解温度，就要求有较高的进口烟气温度。在处理量加大，裂解炉本体长度加长时，问题更加突出。
最近一种如图10所示结构的立式裂解设备开发成功。塔上部布置的多层空心加热圆盘是该裂解塔的主要部件，由间隔排列的大小空心圆盘组成，其内部通人700℃高温烟气（由裂解产生的可燃气体燃烧调温后送人），使加热盘面温度保持在400—600℃水平。橡胶小块从塔顶进料口进入裂解塔内并落在第一层大加热盘上，然后在耙叶的推动下，从大盘外缘向内缘作螺旋线移动，最终从大盘内孔落入下层小盘，小盘上的料块在耙叶推动下从小盘内缘向外缘沿螺旋线移动，最终从小盘与塔壁间的环隙中落人下一层大盘上。如此内外交替，在加热盘上不断吸热升温完成热裂解过程．橡胶小块的径向移动路线如图中粗线所示。耙叶、耙杆在转轴、主电机及减速传动系统带动下沿盘表面旋转。由于裂解反应生成的炭黑产物温度高达400℃，直接排出至空气易燃烧，故炭黑需进行冷却才可排出裂解塔。因此在该裂解塔下部布置了数层冷却圆盘，同样由间隔排列的大小空心圆盘组成，盘内通人冷却水。具体出料系统如图11所示，炭黑在出料刮板的旋转推动下排出。另外，对裂解设备要求较严格的密封问题，在本设备中得到了较好的解决。在该设备中，需密封部位主要在塔底与塔顶的轴密封以及烟道气管道与简体的密封，在以后的试验中发现尤以后者最关键。在烟道气进口管道内烟气温度高达750℃，在该处的热膨胀量最大，此处的密封也最容易出问题。因此在本设备中，除了与筒体联接处的可移动密封装置外，还在简体外部加了一带膨胀节的密封罩分别与简体和烟道气管道相焊接，以保证该处的密封安全。
从上述结构分析可知，多层空心盘式裂解塔具有以下几个优点：①传热效率高。该设备以传导方式为主进行传热。橡胶块在盘面上沿螺旋线移动使橡胶块与盘面的接触加热路线延长了几倍。同时由于耙叶对橡胶块的不断翻动与搅拌作用也使盘面的热传导效率大大提高。②结构简单。该裂解塔中不存在难以加工的复杂结构，其制造方便、经济，操作简单、安全。③反应条件调节灵活。耙叶、耙杆三维可调，可灵活调节橡胶小块在盘表面的径向移动速度，从而实现对裂解时间的调节；主电机采用调速电机，可宏观控制橡胶小块停留时间，保证裂解反应的完成；可通过预设控温点的温度来调节炉内温度并保持稳定；炉内压力可由风机加以调节。③自动化程度较高。在中试过程中，所有辅助设备的开关控制以及所有测试点的压力、温度的显示与控制都集中在一块面板上，在实际操作中仅需1~2名操作工。
立式多层圆盘结构裂解塔作为一种新型特种反应器，近期已完成内部传质、传热过程的建模分析。为了使轮胎料块在塔内的运动与装置特性定量化，在料环假设（图12）、松散介质假设以及物性假设的基础上，建立了加热盘面上轮胎料块的传质模型，得到了塔内料环高度、盘面积料量、停留时间以及临界处理量等参数的计算公式。同时在两阶段假设、扩散模型假设、物性假设的基础上，应用颗粒传热扩散理论‘IoJ及橡胶裂解动力学方程，建立了多层盘式裂解塔加热盘面与轮胎料块间的传热模型，得到了裂解塔内每道料环出料温度及橡胶残余率的迭伐计算公式，并从理论上给出了裂解塔的最大处理量。目前一套3000Ua废轮胎处理量的盘式裂解塔已开车成功。
3.3采用传导型干燥设备取代直接气流干燥的节能技术与装备开发
干燥设备按热量传递方式可分为直接传热式和间接传热式两种。其中直接传热式干燥设备，物料和干燥介质直接接触，通过对流方式传热，具有结构简单、制造成本低廉等优点，但热效率低，能耗高，同时对环境造成的污染也大。间接传热式设备由于其优异的节能环保特性，在工农业生产中应用日益广泛，兰州天华化工机械研究院等单位在该领域已取得重大成就。这里介绍用于玉米酒精糟生产高蛋白饲料的旋转圆盘干燥机和用于无机盐行业的旋转列管式干燥机烘干机。
旋转圆盘式和旋转列管式干燥机的结构主要由四部分组成：①转子系统。为干燥机的核心部件，不同种类的干燥机有不同的转子结构。旋转圆盘式干燥机的转子由中空轴和焊接在轴上的数十只圆盘组成；旋转列管式干燥机的转子由两端中空轴、封头及数百根以一定方式排列的管子共同构成。它们的结构如图13、图14所示。运转时转子靠两端轴承支撑：一端为固定轴承，另一端可以自由游动，协调转子的轴向热膨胀。转子四周有翻动物料的抄板。②传动系统。由主电机、减速装置组成。③管路系统。由进汽管、排水管、调节阀门、金属软管和旋转接头等组成。④排风除尘系统。一般借助引风机排风，同时回收粉尘。
在密闭干燥室内，由圆盘或管束组成的转子缓慢旋转，通过转子的人口和出口中空轴导人导出热介质。热介质通过金属壁将热量传导给待干燥的物料，物料吸热增焓蒸发湿分。转子周缘安装有特殊的抄板，一方面不断将物料翻起使之与金属换热表面接触，另一方面抄板有一定的轴向倾角，将物料从人口端推向出口端。对不同的物料，改变干燥室长度、转子转速及抄板轴向倾角，使物料从人口到出口刚好完成干燥过程。蒸发的湿分则由顶部风机抽出。
旋转圆盘式和旋转列管式干燥机都具有较高的热效率。但相对而言，后者由于物料在光滑管间的轴向运动无任何约束，物料与加热管的整体接触率要小于旋转圆盘式干燥机。一般加热面积相同时，后者的整机传热系数要比前者大60%~70%。但旋转圆盘式干燥机结构复杂，制造难度大，成本也高。
传导型干燥机的设计过程中，真实传热系数的分析计算以及转子的强度校核是关键。从工作原理看，其传热系数的计算可归结为平板或者管束在搅动的颗粒床上的热传导，根据Schlunder提出的“颗粒热传递模型”知，移动加热面与待干燥颗粒床间的热传递现象主要受三个机制控制，即热阻主要由以下三部分组成：①加热壁与颗粒间的热传递；②填料床内的热传导；③基体中由于颗粒运动引起的热对流。将各部分热阻叠加起来，就可以计算出总的传热系数。干燥机转子系统中需进行强度设计的部件因干燥机类型的差异而有所不同。对旋转列管式干燥机来说，其危险部位及校核内容主要为：①位于轴承支撑处的主轴应力；②转子的刚度分析及最大挠度计算；③管子与管板联接处考虑扭转应力后的强度保证；④封头在复杂载荷作用下的实际承载水平计算。由于该设备为非标准设备，在进行强度与刚度分析时，要首先进行合理的、趋于安全的力学模型简化，然后针对力学模型进行分析计算。对于旋转圆盘式干燥机，转子强度的分析设计主要包括两个部分：①承受内压大直径工作圆盘的强度分析；②承受内压和弯曲扭转载荷的中空轴的强度分析，实际计算中要通过简化力学模型，计算主轴的挠度和最大应力。
3.4夹套反应嚣的节能技术
夹套反应器是化工生产中应用最广泛的基本设备之一，该设备的节能技术改造意义十分重大。目前进行的节能更新改造主要包括三个方向：①通过夹套形式改进提高换热效果，以达到节能目的。整体夹套一带导流板的整体夹套一半圆管夹套一米粒点式蜂窝结构板式夹套一激光焊接蜂窝点夹套等一系列的改进，旨在改变介质流动状态，提高总体传热系数副。②采用液氨在冷却夹套内直接蒸发的夹套反应器，要比传统的低温盐水、低温乙醇水溶液冷却节能20%以上。③采用先进的搅拌器。改进搅拌混合技术是节能的一个重要突破口。
4、结论
节能与环保是21世纪科技发展的目标之一。化工生产作为我国耗能大户具有很大的节能潜力，针对典型化工产品开发新工艺、采用过程集成技术优化工艺流程、开发高效单元操作设备、利用社会废弃物经化工加工形成新的能源产品等都是国内外化工生产节能的主要研究方向。这既可缓解我国优质能源匮乏和人均能源占有率低下的现状，也是建立“节约型社会”的客观要求。
