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化工過程的優(yōu)化與節(jié)能減排技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用

一、成果概要
　  本項技術(shù)創(chuàng)新性地建立了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能的規(guī)則、數(shù)學(xué)模型、求解方法，開發(fā)出實(shí)用有效的節(jié)能技術(shù)和相關(guān)軟件與設(shè)計技術(shù)平臺。
　  開發(fā)出“化工節(jié)能專家系統(tǒng)”，可智能化地選擇精餾、蒸發(fā)、干燥、熱電聯(lián)產(chǎn)等單元操作的最佳流程、完成設(shè)備選型并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。
　  建立了31種節(jié)能型精餾流程的優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型、求解方法和模擬分析系統(tǒng)，創(chuàng)建了“節(jié)能型精餾流程優(yōu)化選擇及設(shè)計的專家系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了最佳精餾流程的自動選擇和優(yōu)化設(shè)計。
　  利用所開發(fā)的節(jié)能理論、方法和技術(shù)，對46套化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)開發(fā)，建成了12套工業(yè)化示范裝置，為化工過程優(yōu)化與節(jié)能減排技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了堅實(shí)基礎(chǔ),提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
　  采用上述成果，開發(fā)出“高效單塔復(fù)合式尿素廢液深度水解解吸新技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)氨和尿素的全部回收利用與廢水的回用，建成了工業(yè)化示范裝置，全面超越了目前最具代表性的孟山都技術(shù),達(dá)到國際先進(jìn)水平；應(yīng)用“換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)”對國內(nèi)31套常減壓換熱流程進(jìn)行了優(yōu)化節(jié)能研究，建設(shè)了三套工業(yè)化示范裝置，取得5.0183億元的節(jié)能效益。把上述成果用于芳烴、氣分、有機(jī)硅、嗎啉等化工裝置，開創(chuàng)了節(jié)能新工藝和新技術(shù)，與國內(nèi)常用工藝相比，使精苯分離能耗下降74%、丙烯和丙烷分離能耗下降90%、有機(jī)硅混合單體分離能耗下降30%、嗎啉裝置能耗下降25%,能耗達(dá)到國際先進(jìn)水平，累計節(jié)能效益5億多元。成果應(yīng)用已累計節(jié)能12.7647MMkJ，折合30.5萬噸標(biāo)油、減排108.7萬噸二氧化碳，累計創(chuàng)效10億多元。由于具有智能化、節(jié)能減排效果明顯并建有工業(yè)化示范裝置等特點(diǎn)，成果可廣泛應(yīng)用于化工領(lǐng)域，每年會獲得上百億元的節(jié)能減排效益。
　  二、前言和實(shí)施背景
　  吉林化工學(xué)院化工分離技術(shù)開發(fā)中心成立于1998年10月，以生產(chǎn)高效、化工分離技術(shù)開發(fā)為主，集生產(chǎn)、技術(shù)服務(wù)、開發(fā)轉(zhuǎn)讓為一體的綜合性企業(yè)。
　  節(jié)能減排是我國可持續(xù)發(fā)展的國策，化工行業(yè)是耗能大戶，能耗約占全國總能耗的15％，化工行業(yè)的平均能耗比世界先進(jìn)水平高出30％多，節(jié)能潛力巨大，節(jié)能減排任務(wù)繁重。要想大幅度、從根本上降低化工過程的能耗，完成節(jié)能減排的任務(wù)，必須研究開發(fā)化工節(jié)能先進(jìn)技術(shù)和工藝，并在化工裝置上推廣應(yīng)用，才能取得實(shí)效。在此背景下，項目組負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)全體項目組成員從1984年開始進(jìn)行深入細(xì)致地研究，本項目先后得到國家發(fā)改委、國家自然科學(xué)基金和吉林省科技發(fā)展計劃項目的支持，以吉林石化公司、長山化肥集團(tuán)等實(shí)際化工裝置為研究對象，對化工過程的優(yōu)化與節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究和應(yīng)用，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
　  三、成果內(nèi)涵和具體做法
　  通過系統(tǒng)深入的研究，建立了《換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)》、《化工節(jié)能專家系統(tǒng)》、《節(jié)能型精餾流程優(yōu)化選擇及設(shè)計的專家系統(tǒng)》等技術(shù)平臺，在理論、方法和技術(shù)上為化工過程的優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，提供了強(qiáng)有力工具。利用所開發(fā)的節(jié)能理論、方法和技術(shù)，對46套化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用研究，開創(chuàng)了先進(jìn)技術(shù)，建立了新工藝，并與化工企業(yè)聯(lián)合，建成了12套工業(yè)化示范裝置，累計創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益10億多元，為化工過程優(yōu)化與節(jié)能減排技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了堅實(shí)基礎(chǔ)。詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容包括：
　  3.1 換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)與設(shè)計平臺
　  換熱網(wǎng)絡(luò)是化工過程能量回收利用的一個重要子系統(tǒng)，項目對換熱網(wǎng)絡(luò)合成、分析、換熱器優(yōu)化設(shè)計、換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模擬、靈敏度分析、彈性分析、控制變量的優(yōu)化選擇及多變量控制環(huán)路的識別和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改進(jìn)及最優(yōu)控制等技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，創(chuàng)新性地建立了換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能的理論、規(guī)則、數(shù)學(xué)模型、求解方法，開發(fā)出了實(shí)用有效的優(yōu)化節(jié)能技術(shù)和相關(guān)軟件與設(shè)計技術(shù)平臺,并應(yīng)用于31套常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)和其它化工裝置的優(yōu)化節(jié)能研究中，提出了節(jié)能新工藝，每年可節(jié)能526.84MkJ，折合10.083萬噸標(biāo)油/年，按照目前燃料油3000元/噸計算，每年節(jié)能效益可達(dá)3.0249億元。在吉化和齊魯石化煉油廠建設(shè)了三套工業(yè)化示范裝置，累計節(jié)省燃料油23.17萬噸，取得5.0183億元的節(jié)能效益。
　  3.2 化工節(jié)能專家系統(tǒng)
　  創(chuàng)建了“化工節(jié)能專家系統(tǒng)”，針對精餾過程節(jié)能子系統(tǒng)含的20多種節(jié)能方案，以年費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；干燥過程子系統(tǒng)，可根據(jù)處理的物料特性自動地選擇干燥方案，具有專家級的決策水平，根據(jù)干燥方案進(jìn)行具體過程的優(yōu)化設(shè)計；蒸發(fā)過程節(jié)能子系統(tǒng)可根據(jù)物性等選擇最佳蒸發(fā)設(shè)備、最佳蒸發(fā)效數(shù)、最佳操作壓力和最小蒸汽用量等，有多種流程可供選擇，如熱泵蒸發(fā)、多效順流、多效逆流等；化工保溫過程可根據(jù)不同的保溫要求、限制條件等采用不同的計算方法和求解手段，計算出最佳的保溫層經(jīng)濟(jì)厚度；熱電聯(lián)產(chǎn)過程有4種功能可供選擇，完成熱電聯(lián)產(chǎn)過程中的最優(yōu)化設(shè)計計算，為化工過程優(yōu)化與節(jié)能研究提供了實(shí)用有效的方法和軟件技術(shù)設(shè)計平臺。
　  3.3 節(jié)能型精餾流程優(yōu)化選擇及設(shè)計的專家系統(tǒng)
　  精餾是化工過程中最常用的分離方法，其能耗占整個化工裝置總能耗的60%左右，所以降低化工裝置的能耗關(guān)鍵是要做好精餾過程的節(jié)能。項目對31種高效節(jié)能型精餾流程進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，建立了21種多效精餾、6種熱泵精餾、4種熱偶精餾共計31種節(jié)能型精餾流程的優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型、求解方法和模擬分析系統(tǒng),與普通精餾進(jìn)行了比較，選用最佳的多效精餾、熱泵精餾、熱偶精餾流程，節(jié)能率可分別達(dá)到40%、80%、30%以上；研究了這些流程的特性和應(yīng)用條件，建立了“知識庫”、“推理機(jī)”，用Prolog和.net語言開發(fā)出“節(jié)能型精餾流程優(yōu)化選擇及設(shè)計的專家系統(tǒng)”，用戶只要具備基本的精餾知識就可以利用本專家系統(tǒng)選擇出最佳的節(jié)能型精餾流程，并可以利用已有的相似案例在系統(tǒng)界面下進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)新流程的節(jié)能技術(shù)開發(fā)，極大地方便了用戶。應(yīng)用該技術(shù)，對15套化工裝置進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)開發(fā)，建立了9套工業(yè)化示范裝置，累計取得經(jīng)濟(jì)效益5億多元。
　  3.4 典型化工裝置成套節(jié)能技術(shù)
　  利用所開發(fā)的節(jié)能理論、方法和技術(shù)，對46套化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行了節(jié)能技術(shù)開發(fā)，開創(chuàng)了先進(jìn)技術(shù)，建立了新工藝，并與企業(yè)聯(lián)合，建成了12套工業(yè)化示范裝置，累計創(chuàng)造效益10億多元，為化工過程優(yōu)化與節(jié)能減排技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了堅實(shí)基礎(chǔ), 提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，下面介紹六種典型化工裝置的成套節(jié)能技術(shù)。
　  3.4.1 高效單塔復(fù)合式尿素廢液深度水解解吸新技術(shù)
　  把熱偶精餾、反應(yīng)精餾和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于尿素廢液深度水解解吸技術(shù)的開發(fā)研究中，開發(fā)出了“高效單塔復(fù)合式尿素廢液深度水解解吸新技術(shù)”，集解吸－水解－氣提多重功能于一體，采用塔體及內(nèi)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有效地解決了尿素分解所需停留時間、分解溫度和分離效率之間的關(guān)鍵技術(shù)問題，大大提高了塔的分離效率和尿素的分解速度和深度，實(shí)現(xiàn)氨和尿素的完全回收利用與廢水回用，在30萬噸尿素裝置上建成了工業(yè)化示范裝置，并全面超越了目前最具代表性的孟山都技術(shù)，打破了發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壟斷及技術(shù)引進(jìn)所需高額轉(zhuǎn)讓費(fèi)和設(shè)備費(fèi)的被動局面，其能耗比國外先進(jìn)技術(shù)低28%，完全替代了國外進(jìn)口技術(shù)。該工藝具有結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低、自控水平高、投資少的特點(diǎn)。
　  我國尿素生產(chǎn)企業(yè)有180余家，生產(chǎn)能力6000多萬噸，許多裝置尿素廢液處理不達(dá)標(biāo)，按照生產(chǎn)能力的30%推廣應(yīng)用該技術(shù)，每年將取得17億多元的節(jié)能減排效益，同時大量減少含氮廢水的排放量，減少環(huán)境污染，社會效益更大。
　  3.4.2 有機(jī)硅混合單體的新型分離技術(shù)
　  應(yīng)用所開發(fā)的精餾節(jié)能技術(shù)和換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)，對有機(jī)硅混合單體的分離序列進(jìn)行綜合，確定了最佳工藝流程，通過流程優(yōu)化、操作參數(shù)優(yōu)化、塔體結(jié)構(gòu)優(yōu)化和塔內(nèi)高效填料的研制使用，使工藝流程、操作參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及操作控制達(dá)到最佳。
　  該成果提出具有理論依據(jù)的8塔最佳分離流程替代原有的11塔流程，分離出純產(chǎn)品的數(shù)量由3種變?yōu)?種，主產(chǎn)品純度由99.9%提高到99.99%；研制了針對萬噸級有機(jī)硅混合單體分離的高效填料，降低了塔高和塔徑，大大減少了設(shè)備投資，與原流程相比，設(shè)備及建設(shè)投資節(jié)省近30％，合計金額2000萬元以上，同時大大減少了控制儀表的投資，整個分離流程的縮短也為生產(chǎn)操作和控制帶來了方便；通過回流比優(yōu)化、使用高效填料、采用加熱蒸汽冷凝水閃蒸回用和熱集成技術(shù)，使精餾塔再沸器熱負(fù)荷下降，精餾能耗下降30%多，年節(jié)省加熱蒸汽7.32萬噸，節(jié)能效益732萬元/年。精餾塔冷凝器每年節(jié)水324萬噸，節(jié)水效益為162萬元/年，精餾系統(tǒng)節(jié)能總效益達(dá)到894萬元/年。2003年10月中油吉林石化公司應(yīng)用該技術(shù)建成了年加工5噸有機(jī)硅混合單體的分離裝置，調(diào)試后裝置運(yùn)行平穩(wěn)，各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。
　  3.4.3 芳烴裝置的多效精餾-熱集成節(jié)能新工藝
　  針對中油吉林石化分公司30萬噸/年芳烴裝置，產(chǎn)苯16.5萬噸/年，利用多效精餾和精餾塔熱集成技術(shù)，首創(chuàng)了芳烴裝置苯分離的多效精餾和苯塔與甲苯塔熱集成節(jié)能新工藝，使苯塔分離能耗下降74%，節(jié)能效果顯著。苯塔節(jié)能17.97 kg標(biāo)油/t苯,節(jié)能率達(dá)到74%，節(jié)省加熱蒸汽6.16萬噸/年(相當(dāng)2965噸標(biāo)油/年),節(jié)省冷卻水232萬噸/年，每年節(jié)能效益達(dá)到915萬元。2010年苯的生產(chǎn)能力將達(dá)到925萬噸，把該技術(shù)在全國推廣應(yīng)用，每年節(jié)能將達(dá)到16.62萬噸標(biāo)油，將取得5億多元的節(jié)能效益。。
　  3.4 .4 嗎啉、N-甲基嗎啉-嗎啉聯(lián)產(chǎn)裝置及嗎啉其它系列產(chǎn)品進(jìn)優(yōu)化節(jié)能新工藝
　  利用換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)和精餾節(jié)能技術(shù)，對嗎啉、N-甲基嗎啉和嗎啉聯(lián)產(chǎn)裝置和嗎啉其它系列產(chǎn)品進(jìn)行了研究開發(fā)，建立了優(yōu)化節(jié)能新工藝，使熱量得到了最大的回收利用，大大地降低了生產(chǎn)裝置的能耗；研制出高效催化劑，取得４項發(fā)明專利，使催化劑的使用壽命由3個月提高到30個月，提高了10倍，二甘醇的單耗降低了14％，提高了裝置的產(chǎn)能，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，使整套裝置的生產(chǎn)技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。
　  對嗎啉生產(chǎn)裝置、N-甲基嗎啉和嗎啉聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化及節(jié)能研究，使反應(yīng)進(jìn)料和反應(yīng)氣進(jìn)行了有效的換熱，對精餾系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化節(jié)能研究及設(shè)計，通過優(yōu)化節(jié)能挖潛，使能耗大大下降，并采用自主研發(fā)的高效催化劑，大大提高了產(chǎn)品的選擇性和收率，降低了消耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)用于吉林省北方氣體有限公司年產(chǎn)3000噸嗎啉裝置優(yōu)化擴(kuò)產(chǎn)及節(jié)能改造中，年節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)降耗增效650萬元，應(yīng)用于吉化錦江化工廠3000t/a N-甲基嗎啉和嗎啉聯(lián)產(chǎn)裝置中，年節(jié)能效益179多萬元，同時在吉化遼源化工廠得到應(yīng)用，也取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
　  3.4.5 氣分裝置熱泵精餾技術(shù)
　  針對中油吉化公司煉油廠氣分裝置，應(yīng)用熱集成技術(shù)，結(jié)合自行研制開發(fā)的高效填料、塔內(nèi)件等節(jié)能設(shè)備對氣分裝置進(jìn)行優(yōu)化擴(kuò)產(chǎn)和節(jié)能研究，提出了最佳能量回收利用方案和熱泵精餾工藝流程，使丙烯和丙烷的分離能耗下降90%，節(jié)能效益顯著。改造后的氣分裝置能耗每年節(jié)省4萬噸蒸汽，節(jié)省55萬噸冷卻水，優(yōu)化改造后，氣分裝置的生產(chǎn)能力由12萬噸/年擴(kuò)產(chǎn)到15萬噸/年，節(jié)能和擴(kuò)產(chǎn)總效益達(dá)到2320萬元/年；優(yōu)化設(shè)計的脫丙烷塔及采用自行研制生產(chǎn)的高效刺孔JHCB-500板波紋規(guī)整填料，首次用于高壓（2.0mPa）脫丙烷塔，在國內(nèi)外屬于首創(chuàng)，該塔具有塔徑小、生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓降低、操作彈性大、回流比小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)；采用熱集成優(yōu)化節(jié)能技術(shù)所確定的新的氣分工藝流程具有能耗低，便于操作等優(yōu)點(diǎn)，使該裝置能耗由改造前的2.884MkJ/t下降到2.174MkJ/t，下降了24.6%，處于國內(nèi)同類規(guī)模裝置的領(lǐng)先水平。本項研究成果于1999年8月在吉化煉油廠氣分裝置上實(shí)施成功。
　  2007年進(jìn)一步對氣分裝置進(jìn)行研究，開發(fā)出年加工50萬噸氣分裝置的最佳熱泵精餾技術(shù)，使氣分裝置丙烯和丙烷分離的能耗下降90%，節(jié)省14.76 kg標(biāo)油/t原料，7380 噸標(biāo)油/年，每年節(jié)能效益可達(dá)到2536萬元。2010年煉廠氣分加工能力將達(dá)到2000萬噸，如果該技術(shù)在國內(nèi)能全面推廣應(yīng)用，每年節(jié)能可達(dá)到29.52萬噸標(biāo)油，節(jié)能效益將達(dá)到10億多元/年。
　  四、成果實(shí)施后所產(chǎn)生的效果
　  開發(fā)出的《化工節(jié)能專家系統(tǒng)》、《換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能軟件系統(tǒng)》，作為研發(fā)工具在青島科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等單位的研究設(shè)計部門的研究開發(fā)中得到應(yīng)用。應(yīng)用本項目開發(fā)出的各種化工節(jié)能理論、方法、技術(shù)、軟件、流程等成果，針對46套化工裝置開展了應(yīng)用研究，提供了新技術(shù)和新工藝，其中有12套化工裝置的優(yōu)化與節(jié)能減排新技術(shù)和新工藝在中油吉林石化公司、中化吉林長山化工有限公司、山東齊魯石化公司、遼寧大連凱飛化學(xué)公司等企業(yè)的裝置上得到應(yīng)用，建立了工業(yè)化示范裝置，累計創(chuàng)效達(dá)到10億多元。
　  通過分析預(yù)測，就常減壓換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)能技術(shù)、尿素廢液深度水解解吸技術(shù)、芳烴裝置苯分離雙效精餾及熱集成優(yōu)化節(jié)能技術(shù)、氣分裝置丙烯-丙烷熱泵分離技術(shù)在國內(nèi)同類裝置上推廣應(yīng)用，每年節(jié)能減排效益可達(dá)到35億多元。如果能把精餾高效節(jié)能新技術(shù)在全國化工裝置上推廣應(yīng)用，可使我國使用普通精餾化工裝置的精餾能耗平均降低30％以上，每年由此可取得上百億元的節(jié)能效益，同時大大降低熱污染和水的消耗，緩解環(huán)境保護(hù)壓力，具有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
　  通過系統(tǒng)地研究和應(yīng)用，在理論和技術(shù)上都有顯著創(chuàng)新，在工程中的成功應(yīng)用證明我國在化工領(lǐng)域能夠創(chuàng)造出自己的獨(dú)有技術(shù)，不用什么都靠引進(jìn)，極大地鼓舞了我國科技人員從事科技創(chuàng)新的信心和積極性。采用化工節(jié)能新技術(shù)和新工藝，可以大大降低化工過程的能耗，降低熱污染，減少二氧化碳的排放，對建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會、提高人民生活質(zhì)量、維護(hù)中華民族長遠(yuǎn)利益，具有重要而深遠(yuǎn)的意義，也是我國對國際社會應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任。
　  五、持續(xù)改進(jìn)措施
　  本項目的各項理論基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)均通過吉林省科技廳組織的專家鑒定,取得的成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，成果曾獲吉林省科技進(jìn)步一等獎2項，二等獎2項。項目前期工作基礎(chǔ)扎實(shí)，工業(yè)化項目所依托的企業(yè)都是國家有名的大型企業(yè)，技術(shù)實(shí)力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚，項目組成員在化工過程優(yōu)化節(jié)能，尤其在化工分離研究領(lǐng)域具有很強(qiáng)的實(shí)力和豐富的工程化經(jīng)驗，與企業(yè)合作開發(fā)并工業(yè)化的項目有20多項，所以項目承擔(dān)單位和參加單位具有足夠的實(shí)力來完成本項目,本項目前期已經(jīng)做了大量的研究及工業(yè)化實(shí)驗工作,并取得了較好的效果,通過進(jìn)一步的研究和完善,該項目的技術(shù)和開發(fā)的配套設(shè)備必定會更加成熟。 
　  項目組將建立產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟或成立高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)加工配套設(shè)備，以目前已工業(yè)化的裝置作為面向全國推廣的樣板工程，將技術(shù)在全國化工裝置推廣應(yīng)用，力爭取得更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。