3.3化工单元节能减排

绿色化工技术 授课教师：牛亚杰 模块三 化工节能减排 §3.1 节能减排基本概念 §3.2 化工节能基础 §3.3 化工单元节能减排 2 3 单元三 化工单元节能减排 知识目标：化工单元操作过程、工业燃煤锅炉、热能利用过程、风机、泵使用过程节能技术的一般原理和方法、相关化工单元的节能新工艺新技术；相关化工单元的节能减排意义。 能力目标：化工单元操作过程、工业燃煤锅炉、热能利用过程、风机、泵使用过程的节能技术分析；根据生产实际，选择较优的节能技术方案或提出合理化建议。 素质目标：具备较强的化工单元节能减排意识，增加化工节能减排的社会责任感和历史使命感。 4 单元三 化工单元节能减排 化工单元操作过程的节能减排 5 （1）离心泵和容积式的泵的结构 （2）离心泵和容积式的泵工作原理 （3）离心泵和容积式的泵开停车步骤 6 （1）离心泵和容积式的泵的结构 （2）离心泵和容积式的泵工作原理 （3）离心泵和容积式的泵开停车步骤 驱动机通过泵轴带动叶轮旋转产生离心力,在离心力作用下,液体沿叶片流道被甩向叶轮出口,液体经蜗壳收集送入排出管。液体从叶轮获得能量,使压力能和速度能均增加,并依靠此能量将液体输送到工作地点。 在液体被甩向叶轮出口的同时,叶轮入口中心处形成了低压区,在吸液罐和叶轮中心处的液体之间就产生了压差,吸液罐中的液体在这个压差作用下,不断地经吸入管路及泵的吸入室进入叶轮中。 离心泵启动步骤 检查准备：确保机泵、电动机检查完毕，地脚螺栓牢固，润滑油充足，无异常声响。 排气与压力表：打开泵体排气阀，打开泵的进口阀，出口阀关闭，待排气阀出水后关闭排气阀，同时打开压力表阀门。 启动电机：联系总控准备启泵，按下启动按钮，使泵启动，同时注意倾听有无杂音。 调节出口阀：待达到额定转速、出口压力稳定后，慢慢打开泵出口阀，调节出口流量调节阀的开度，使压力、电流值在工艺指标范围内。 停车步骤 关闭出口阀：联系总控做好停运准备工作，关闭泵的出口阀，将电机开关按钮旋至“O”位置。 减速停运：观察泵均匀减速，停运。泵停运后，根据需要进行如下操作： 若停运后作为备用泵，进口阀应全开，冷却水保持循环，关闭密封液阀。 若泵长时间不用，关闭泵的入口阀、压力表阀，待轴承温度下降至正常后，切断冷却水、密封液。 若泵体需要检修，应关闭进口阀，打开泵体排放阀及其自密封排放阀，将液态排尽，然后关闭冷却水，并通知电气切断电源，泵体进行清洗置换。 （1）离心泵和容积式的泵的结构 （2）离心泵和容积式的泵工作原理 （3）离心泵和容积式的泵开停车步骤 容积式泵的结构主要包括以下几个关键组件： 泵缸：这是泵的主体部分，通常是一个封闭的空间，用于容纳工作元件（如活塞或转子）进行往复或回转运动。 活塞：在容积式泵中，活塞负责在泵缸内移动，通过其往复运动来改变泵缸内部的体积，从而实现液体的吸入和排出。 阀门：泵内部有多个阀门，包括吸入阀和排出阀。这些阀门在活塞移动时控制液体的流入和流出，确保泵的正常工作。 （1）离心泵和容积式的泵的结构 （2）离心泵和容积式的泵工作原理 （3）离心泵和容积式的泵开停车步骤 容积式泵依靠活塞、柱塞、隔膜、齿轮或叶片等工作件在泵体内作往复运动或回转运动，使泵体内若干个工作腔的容积周期性地变化，而交替地吸入和排出液体。 10 任务一 化工单元操作过程的节能减排 知识目标：了解流体输送、传热、蒸发、精馏、干燥、制冷、空气压缩等典型化工单元操作过程中能耗损失原因；理解典型化工单元操作过程中常见节能减排工艺的节能原理；掌握化工单元操作过程节能减排措施。 技能目标：能运用流体输送、传热、蒸发、精馏、干燥、制冷、空气压缩等典型单元操作过程中的节能理念和方法，分析化工单元操作中的能耗现状；能提出初步的节能减排解决方案及合理化建议，具备较强的单元操作过程的节能减排意识。 11 任务一 化工单元操作过程的节能减排 一、流体输送过程的节能减排技术 流体输送管路由管子、管件、阀门、输送机械（泵与风机）、流量计等部分组成。 1、流体在直管内流动时的有效能损失 （1）直管有效能损失与流体的绝对温度成反比，因而当高温输送时要注意保温；尤其在低温（低于环境温度）输送时，更应注意保冷。 （2）直管有效能损失与压降成正比，所以要尽可能减少管路上各种管件和阀门的数量；或适当降低流速以减小直管阻力。 （3）直管有效能损失与流速的平方成正比。降低流速则有效能损失随之下降。但在输送流量一定的条件下，降低流速必须增大管径，这将使投资增加。因此要解决好阻力减小使能耗下降和投资增大之间的矛盾，应选择适宜的流速，寻求最经济的管径。 12 任务一 化工单元操作过程的节能减排 2、节流过程的有效能损失 化工生产过程中到处可见管路中的缩扩变化，各种调节阀门，限流孔扳和高压流体的泄压或排放等节流装置，应分析它们有效能损失的合理性，尽可能消除不必要的节流。 节流损失是指流体在通过节流元件（如节流阀或膨胀阀）时，由于元件对流体的阻力导致的压力下降现象。这种损失会导致流体的动能转换为压力能，但总体上系统的做功能力下降。在制冷系统中，节流损失特别重要，因为它会影响系统的效率和性能。 节流过程中，流体的焓值保持不变，但熵值增大，这是一个不可逆过程。这种损失是不可逆功的一部分，无法转化为有用功，因此会降低整体效率。在实际应用中，如在制冷或空气压缩系统中，节流损失可能会导致能量的浪费和温度控制效率的降低。 13 任务一 化工单元操作过程的节能减排 2、节流过程的有效能损失 化工生产过程中到处可见管路中的缩扩变化，各种调节阀门，限流孔扳和高压流体的泄压或排放等节流装置，应分析它们有效能损失的合理性，尽可能消除不必要的节流。 （1）节流有效能损失随压力的变化率正比于流体的流量，故气体和蒸汽的节流有效能损失比液体大得多。 （2）温度越低有效能损失越大，在各种冷冻及深冷过程尤甚。 （3）液体的节流有效能损失正比于压差，而理想气体的节流有效能损失正比于压力比。因此须注意低压下气体流动有效能的回收。 流体在管路和设备中流动时因摩擦阻力造成的压降和有效能损失也可按照上述等焓节流过程来考虑和计算。 3、使用减阻剂降低有效能损失 为减少流体流动过程的不可逆能量损耗，可采用添加某些高分子量聚合物作为减阻剂的办法，使流体在管道中流动的压降大为减小。应用减阻剂减阻有两个突出的优点：一是减阻剂添加量极少；二是减阻效果显著（＞50%）。因此，应用减阻剂具有很大的节能潜力。 （1）减阻剂的特性 ①良好的溶解性；②很大的分子量；③具有柔性的线形分子结构；④良好的抗机械降解性；⑤使用无不良影响。 常见的高效减阻剂有适用于水相流体的聚丙烯酰胺、聚氧乙烯、胍胶等； 适用于油相流体的聚异丁烯、聚辛烯-1、氢化聚异戊二烯、长链α-烯烃共聚物等。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 14 （2）减阻剂的使用方法 减阻剂在强剪切力作用下会发生不可逆的降解破坏，因此用于管路系统时，减阻剂通常都在流体输送泵后再注入管道与流体混合。最常用的方法是先把减阻剂配成浓溶液（10%左右），再用计量泵按所需比例注入管道。如果用于搅拌系统，则可直接加入容器中。 图3-1 系统减阻剂使用流程图 任务一 化工单元操作过程的节能减排 15 （3）减阻剂的应用场合 减阻剂应用十分广泛，与化工过程有关的主要有： ①油品的输送 原油从油田或码头到炼油厂的输送，以及成品油从炼油厂到用户的输送是减阻技术的重要应用领域。最早使用减阻剂的是美国阿拉斯加输油管线。该管线每天加入约44kg减阻剂，节省一台393kW输送泵，节电9400kW·h/d，即减排9372kgCO2/d。 ②工业用水的输送； ③污水输送； ④生化反应器的搅拌； ⑤液体喷嘴； ⑥固体物料的水力输送。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 16 绿色低碳发展实践案例：循环水泵节能改造 1、循环水泵节能改造方案的选择通过专业节能公司检测系统实际工况的运行参数进行分析、研究，结合该系统管路流体力学特性，设计节能技改方案——通过提高水泵自身性能，整体系统存在不利因素，并按照系统最佳工况运行参数，制定高效节能水泵及高效稳流装置，替换目前低效率、偏工况运行的水泵，提升水泵运行效率，减少无效耗能，节电率在25.8%以上。 主要措施 2、循环水泵节能改造方案的原理利用目前先进的流体输送高效节能技术从新设计替换低效泵或更换高效节能的三元流叶轮泵，针对目前循环水系统普遍存在“大流量、低效率、高能耗”的工况、流体输送高效节能技术，检测系统当前运行工况参数和相关的设备参数，分析系统存在高能耗的原因，准确找到流体输送相匹配的最佳工况点，并提出最佳方案，整改系统存在的不利因素，采用高效节能泵替换低效泵或更换高效节能的三元流叶泵，从而消除因系统配置不合理引起的高能耗，提高流体输送效率，达到系统、彻底和最佳的节能效果。 实施效果 二、传热过程的节能减排技术 1、改进工艺装置，提高燃料的热利用率 （1）合理利用热源，采用热-电联产系统 蒸汽、电力是化工过程中的两项主要能耗。而国外化工领域中热-电联产综合利用系统作为有效的工业节能举措正得到迅速发展和推广，能量做到综合利用。在大型合成氨生产中，采用热-电综合系统，合成氨生产电耗可由2000kW·h/tNH3降到75kW·h/tNH3，即减排1919kgCO2/tNH3。 （2）改进工艺，提高热能利用率 蒸发和蒸馏都是耗能较大的化工过程，为了减少蒸发与蒸馏过程的热能消耗，应尽可能采用多效蒸发与多效蒸馏，以充分利用热量。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 21 2、热量的充分回收利用 （1）最有效地利用工厂中大量低位热能 化工企业中所消耗的总热能80%左右最终以低品位热能形式向环境排放，造成能量严重流失。有效地利用低位热能是提高能源利用率的重要途径。低位余热利用途径有： ①充分利用热物流余热来预热物料。 ②作为干燥过程的热源。 ③采用蒸汽再压缩技术，提高蒸汽品位作热源。 ④作为溴化锂制冷的热源。 ⑤利用低沸点介质发电。 （2）化学反应热的充分利用 在化工生产中，经常会遇到放热反应。若采用余热回收，就能节能减排。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 22 3、减少热量传输过程中的热损失 （1）减少设备及管道的热损失 （2）降低换热器的传热温差，以减少有效能损失 4、减少换热器的压降损失，以降低动力消耗 减少换热器的压降损失可以降低系统的动力消耗，换热器的压降损失除与它的结构型式有关外，主要决定于流体在换热器内的流速。流速增加，阻力很快上升，但过低的流速会使流体中的杂物沉积，导致管道堵塞，严重的污垢也会影响传热效果，使传热系数下降。因此需要选择适宜的流速。 5、采用新型高效换热元件和换热设备 采用结构紧凑、新型的高效换热器，促进换热设备的更新换代，改善热能利用状况。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 23 6、提高换热器传热速率 （1）提高传热平均温差 逆流换热较并流换热平均温差大，尽可能采用逆流操作。 （2）传热面积 增加传热面积可使传热量增大，间壁两侧对流传热系数相差很大时，应设法增加对流传热系数小的那一侧的传热面积，改进传热面结构，尽量提高单位容积内设备的传热面积。但在既定的换热器上想增加传热面积是不现实的。 （3）总传热系数 ①增加湍动程度，以减小层流厚度。 ②尽量采用有相变和热导率较大的载热体，可得到大的对流传热系数。 ③采取防止或减缓结垢措施，及时清除传热面上垢层。 Q = KStm 任务一 化工单元操作过程的节能减排 24 7、加强企业管理，杜绝跑、冒、滴、漏 加强对能源的管理，可节能7%～20%。 （1）对能源实行定额管理与综合调配制度，严格控制消耗，做到层层计量，层层回收，不浪费点滴能源。 （2）对能量进行分级综合利用，提高热利用率。 （3）加强岗位责任制，健全操作管理与设备管理制度，改善设备运行状况，杜绝跑、冒、滴、漏现象发生。 （4）加强对设备及管道的保温管理。 （5）建立设备维修制度。 （6）加强对疏水器的维修与管理。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 25 三、蒸发过程的节能减排技术 蒸发操作热源通常为水蒸气，蒸发的物料多为水溶液，蒸发时产生的蒸气也是水蒸汽。较低温位的二次蒸汽的利用率在很大程度上决定了蒸发操作的经济性。温度较高的冷凝液和完成液的余热，也应设法利用。 1、多效蒸发 第二个蒸发器的加热室便是第一个蒸发器的冷凝器，此即为多效蒸发的原理。将多个蒸发器连接起来一同操作，即一个多效蒸发系统。 多效蒸发提高了加热蒸汽的利用率，即经济性。工业生产中使用多效蒸发装置一般都是2～3效。 效 数 单效 双效 三效 四效 五效 D/W /㎏汽/㎏水 理论值 1.0 0.50 0.33 0.25 0.20 实际值 1.1 0.57 0.40 0.30 0.27 任务一 化工单元操作过程的节能减排 26 2、额外蒸汽的引出 在多效蒸发操作中，有时可将二次蒸汽引出一部分作为其它加热设备的热源，这部分蒸汽称为额外蒸汽。 引出额外蒸汽的蒸发流程 任务一 化工单元操作过程的节能减排 27 3、冷凝水显热的利用 ①冷凝水的热能（显热）回收； ②减压闪蒸回收潜热； ③工艺利用。 冷凝水的闪蒸 任务一 化工单元操作过程的节能减排 28 4、热泵蒸发 所谓热泵蒸发，即二次蒸汽的再压缩。单效蒸发时，可将二次蒸汽绝热压缩以提高其温度（超过溶液的沸点），然后送回加热室作为加热蒸汽重新利用。这种方法称为热泵蒸发。采用热泵蒸发只需在蒸发器开车阶段供应加热蒸汽，当操作达到稳定后，就不再需要加热蒸汽，只需提供使二次蒸汽升压所需压缩机动力，因而可节省大量的加热蒸汽。通常单效蒸发时，二次蒸汽的潜热全部由冷凝器内的冷却水带走，而在热泵蒸发操作中，二次蒸汽的潜热被循环利用，而且不消耗冷却水，这便是热泵蒸发节能的原因所在。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 29 机械压缩（a） 蒸汽动力压缩（b） 设计合理的蒸汽再压缩蒸发器的能量利用率相当于3～5效的多效蒸发装置。压缩机的投资费用大，并且需要经常进行维修和保养。热泵蒸发在生产中应用有一定程度的限制。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 30 5、多级多效闪蒸 多级闪蒸可以利用低压蒸汽作为热源，设备简单紧凑，不需要高大的厂房，其最大优点是蒸发过程在闪蒸室中进行，解决了物料在加热管管壁结垢的问题，其经济性也较高，因而近年来应用渐广。它的主要缺点是动力消耗较大，需要较大的传热面积，也不适用于沸点上升较大物料的蒸发。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 31 6、渗透蒸发膜分离技术 所谓渗透蒸发法膜分离过程，是指膜的一侧是混合液体，经过选择性渗透进入透过侧发生汽化，由于真空泵减压不断把蒸汽抽出，经过冷凝从而达到了分离的目的。因为一般膜分离没有相的变化，它是利用物质透过膜的速度差而实现的，因而是一种省能的分离技术。渗透蒸发分离技术由于过程单纯，选择性高，省能量，而且设备价格低廉，越来越受到重视。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 32 四、精馏过程的节能减排技术 由于精馏的工艺和操作都比较复杂，影响因素多，在一般精馏塔的操作中，通常为获得合格的产品，大多数都是以牺牲过多的能量进行“过分离”操作，换取在一个较宽的操作范围内获得合格产品，这就使精馏塔消耗能量过大。 1、预热进料 精馏塔的馏出液、侧线馏分和塔釜液在其相应组成的沸点下由塔内采出，利用这些液体所放出的热量对进料或其它工艺流股进行预热，是最简单的节能方法之一。 2、塔釜液余热的利用 塔釜液的余热除了可以直接利用其显热预热进料外，还可将塔釜液的显热变为潜热来利用。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 33 3、塔顶蒸气的余热回收利用 塔顶蒸气的冷凝热从量上讲是比较大的，通常用以下几种方法回收。 （1）直接热利用 在高温精馏、加压精馏中，用蒸气发生器代替冷凝器把塔顶蒸气冷凝，可以得到低压蒸汽，作为其它热源。 （2）余热制冷 采用吸收式制冷装置产生冷量，通常能产生高于0℃的冷量。 （3）余热发电 用塔顶余热产生低压蒸汽驱动透平发电。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 34 4、热泵精馏 热泵精馏类似于热泵蒸发，就是将塔顶蒸气加压升温，再作为塔底再沸器的热源，回收其冷凝潜热。因消耗机械能，未能得到广泛采用。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 35 5、增设中间冷凝器和中间再沸器 6、多效精馏 多效精馏与多效蒸发十分相似，只要精馏塔的塔底和塔顶温度之差比实际采用的加热剂和冷却剂的温差小得多，就可以考虑采用多效精馏。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 36 7、热偶精馏 在多元组分的分离中，精馏塔的塔数等于组分数减1。常规分离流程中，每塔需分别配置再沸器与冷凝器，为保证传热过程的实现，再沸器与冷凝器中的冷热流体都必须有足够的温差，因此有效能损失较大，热力学效率也就较低。 热偶精馏的流程：第一塔与第二塔直接换热来实现，这样做不仅减少了设备投资，且又节约了蒸汽与冷凝水的消耗量，实现了节能的效果。一般热偶精馏可节能20%。 热偶精馏流程 任务一 化工单元操作过程的节能减排 37 8、反应精馏 在化工生产中一般反应和分离两个单元操作分别在两个单独的设备中进行。反应精馏过程是将反应及蒸馏两种操作放在同一设备内完成的过程，由于它可以提高产品的回收率，降低设备的投资和能耗，因此在工业上已得到广泛的应用。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 38 五、干燥过程的节能减排技术 理论上，在标准条件(即干燥在绝热条件下进行，固体物料和水蒸气不被加热，也不存在其他热量交换)下蒸发lkg水分所需要的能量为2200～2700kJ/kg。实际干燥过程的单位能耗比理论值要高得多，据统计，一般的间歇式干燥其单位能耗为2700～6500kJ/kg。须设法提高干燥设备的能量利用率，以节能。 工业上常采取改变干燥设备的操作条件、选择热效率高的干燥装置、回收排出的废气中部分热量等措施来节约能源和降低生产成本。 1、减少干燥过程的热损失 因此要做好干燥系统的保温工作，但也不是保温层愈厚愈好，应当求取一个最佳保温层厚度。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 39 2、降低干燥器的蒸发负荷 物料进入干燥器前，通过过滤、离心分离或蒸发等预脱水方法，增加物料中固体含量，降低干燥器蒸发负荷，这是干燥器节能的最有效方法之一。 3、提高干燥器入口空气温度、降低出口废气温度 提高干燥器入口热空气温度，有利于提高干燥热效率。但是，入口温度受产品允许温度限制。 降低干燥器出口废气温度比提高进口热空气温度更经济，既以提高其热效率又可增加生产能力。但出口废气温度受两个因素限制：一是要保证产品湿含量（出口废气温度过低，产品湿度增加，达不到要求的产品含水量）；二是废气进入旋风分离器或布袋过滤器时，要保证其温度高于露点20～60℃（？）。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 40 4、部分废气循环 利用部分废气余热使热效率提高，但随着废气循环量的增加而使热空气湿含量增加，干燥速率将随之降低，使湿物料干燥时间增加而带来装置设备费用增加。循环量为20%～30%。 5、从干燥器出口废气中回收热量 6、从固体产品中回收显热 7、采用两级干燥法 采用两级干燥主要是为了提高产品质量和节能，尤其是对热敏性物料最为适宜。牛奶干燥系统，它是由喷雾干燥和振动流化床两级干燥组成，其单位能耗由单一喷雾干燥的5550kJ/kg降低为4300kJ/kg，同时又使奶粉的速溶性提高。 8、利用内换热器 9、过热蒸汽干燥 如何有效利用干燥器排出废蒸汽，是此技术成功的关键。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 41 六、制冷过程的节能减排技术 1、制冷装置设计中的节能措施 （1）确定被冷却对象的温度及冷却方式 （2）选配适宜的制冷压缩机和换热器 （3）做好管路保温 （4）充分利用低位热能 2、运行调整与节能 制冷装置运行过程中精心操作与调整，制冷装置的节能效果可达40%。 任务一 化工单元操作过程的节能减排 42 （1）蒸发温度和蒸发压力的运行调整与节能 蒸发温度是指制冷剂在蒸发器内沸腾时的温度，与蒸发压力相对应。 （2）冷凝温度和冷凝压力的运行调整与节能 冷凝温度是指制冷剂在冷凝器中由气态冷凝成饱和液态时的温度，与冷凝压力相对应。 ①适当提高冷凝压力，降低冷凝温度； ②合理调节水泵、冷却塔的开启台数； ③降低冷却介质传热及流动阻力。 （3）夜间运行及多级分段运行充分利用 任务一 化工单元操作过程的节能减排 43 七、空气压缩过程的节能减排技术 1、空气压缩机的选择 空压机选择要从经济性、可靠性与安全性等三大方面考虑。 （1）应考虑排气压力的高低和排气量大小 （2）选择适当的空压机压缩段数 （3）选择适宜的电机大小 （4）要考虑用气场合和条件 （5）要考虑压缩空气质量 （6）要考虑压缩空气运行的安全性 任务一 化工单元操作过程的节能减排 44 2、节能措施 （1）空压机的搭配选择及变频技术的适当应用 （2）调节好冷却水系统 冷却水的温度每增减5℃会影响空压机的功率大约1.5%。 （3）管路的规划及管径的正确选择 （4）应用中央控制系统 （5）减少系统泄漏 （6）压缩空气干燥工艺改进 （7）能源回收/余热利用 （8）重视操作与保养对能源消耗的影响 任务一 化工单元操作过程的节能减排 45 46 化工企业节能减排 典型化工生产装置节能减排项目 1、熟悉生产过程 2、画出现场生产工艺流程图 3、确定现场测试项目 4、确定测试位置及相关准备工作 5、节能项目计算 6、节能减排潜力分析 7、提出现场整改意见 8、写出项目节能减排正式报告 $$