化工过程的优化与节能减排技术开发和应用
发布日期：2011-12-20
一、成果概要
本项技术创新性地建立了换热网络优化节能的规则、数学模型、求解方法，开发出实用有效的节能技术和相关软件与设计技术平台。
开发出“化工节能专家系统”，可智能化地选择精馏、蒸发、干燥、热电联产等单元操作的最佳流程、完成设备选型并实现优化设计。
建立了31种节能型精馏流程的优化设计的数学模型、求解方法和模拟分析系统，创建了“节能型精馏流程优化选择及设计的专家系统”，实现了最佳精馏流程的自动选择和优化设计。
利用所开发的节能理论、方法和技术，对46套化工生产装置进行了节能技术开发，建成了12套工业化示范装置，为化工过程优化与节能减排技术的推广应用打下了坚实基础,提供了强有力的技术支撑。
采用上述成果，开发出“高效单塔复合式尿素废液深度水解解吸新技术”，实现氨和尿素的全部回收利用与废水的回用，建成了工业化示范装置，全面超越了目前最具代表性的孟山都技术,达到国际先进水平；应用“换热网络优化节能技术”对国内31套常减压换热流程进行了优化节能研究，建设了三套工业化示范装置，取得5.0183亿元的节能效益。把上述成果用于芳烃、气分、有机硅、吗啉等化工装置，开创了节能新工艺和新技术，与国内常用工艺相比，使精苯分离能耗下降74%、丙烯和丙烷分离能耗下降90%、有机硅混合单体分离能耗下降30%、吗啉装置能耗下降25%,能耗达到国际先进水平，累计节能效益5亿多元。成果应用已累计节能12.7647MMkJ，折合30.5万吨标油、减排108.7万吨二氧化碳，累计创效10亿多元。由于具有智能化、节能减排效果明显并建有工业化示范装置等特点，成果可广泛应用于化工领域，每年会获得上百亿元的节能减排效益。
二、前言和实施背景
吉林化工学院化工分离技术开发中心成立于1998年10月，以生产高效、化工分离技术开发为主，集生产、技术服务、开发转让为一体的综合性企业。
节能减排是我国可持续发展的国策，化工行业是耗能大户，能耗约占全国总能耗的15％，化工行业的平均能耗比世界先进水平高出30％多，节能潜力巨大，节能减排任务繁重。要想大幅度、从根本上降低化工过程的能耗，完成节能减排的任务，必须研究开发化工节能先进技术和工艺，并在化工装置上推广应用，才能取得实效。在此背景下，项目组负责人带领全体项目组成员从1984年开始进行深入细致地研究，本项目先后得到国家发改委、国家自然科学基金和吉林省科技发展计划项目的支持，以吉林石化公司、长山化肥集团等实际化工装置为研究对象，对化工过程的优化与节能减排技术进行了系统深入的研究和应用，取得了显著经济效益和社会效益。
三、成果内涵和具体做法
通过系统深入的研究，建立了《换热网络优化节能技术》、《化工节能专家系统》、《节能型精馏流程优化选择及设计的专家系统》等技术平台，在理论、方法和技术上为化工过程的优化与节能技术的开发奠定了基础，提供了强有力工具。利用所开发的节能理论、方法和技术，对46套化工生产装置进行了节能技术开发和应用研究，开创了先进技术，建立了新工艺，并与化工企业联合，建成了12套工业化示范装置，累计创造经济效益10亿多元，为化工过程优化与节能减排技术的推广应用打下了坚实基础。详细技术内容包括：
3.1 换热网络优化节能技术与设计平台
换热网络是化工过程能量回收利用的一个重要子系统，项目对换热网络合成、分析、换热器优化设计、换热网络优化模拟、灵敏度分析、弹性分析、控制变量的优化选择及多变量控制环路的识别和换热网络优化改进及最优控制等技术进行了系统深入的研究，创新性地建立了换热网络优化节能的理论、规则、数学模型、求解方法，开发出了实用有效的优化节能技术和相关软件与设计技术平台,并应用于31套常减压换热网络和其它化工装置的优化节能研究中，提出了节能新工艺，每年可节能526.84MkJ，折合10.083万吨标油/年，按照目前燃料油3000元/吨计算，每年节能效益可达3.0249亿元。在吉化和齐鲁石化炼油厂建设了三套工业化示范装置，累计节省燃料油23.17万吨，取得5.0183亿元的节能效益。
3.2 化工节能专家系统
创建了“化工节能专家系统”，针对精馏过程节能子系统含的20多种节能方案，以年费用最小为目标函数进行优化设计；干燥过程子系统，可根据处理的物料特性自动地选择干燥方案，具有专家级的决策水平，根据干燥方案进行具体过程的优化设计；蒸发过程节能子系统可根据物性等选择最佳蒸发设备、最佳蒸发效数、最佳操作压力和最小蒸汽用量等，有多种流程可供选择，如热泵蒸发、多效顺流、多效逆流等；化工保温过程可根据不同的保温要求、限制条件等采用不同的计算方法和求解手段，计算出最佳的保温层经济厚度；热电联产过程有4种功能可供选择，完成热电联产过程中的最优化设计计算，为化工过程优化与节能研究提供了实用有效的方法和软件技术设计平台。
3.3 节能型精馏流程优化选择及设计的专家系统
精馏是化工过程中最常用的分离方法，其能耗占整个化工装置总能耗的60%左右，所以降低化工装置的能耗关键是要做好精馏过程的节能。项目对31种高效节能型精馏流程进行了系统深入的研究，建立了21种多效精馏、6种热泵精馏、4种热偶精馏共计31种节能型精馏流程的优化设计的数学模型、求解方法和模拟分析系统,与普通精馏进行了比较，选用最佳的多效精馏、热泵精馏、热偶精馏流程，节能率可分别达到40%、80%、30%以上；研究了这些流程的特性和应用条件，建立了“知识库”、“推理机”，用Prolog和.net语言开发出“节能型精馏流程优化选择及设计的专家系统”，用户只要具备基本的精馏知识就可以利用本专家系统选择出最佳的节能型精馏流程，并可以利用已有的相似案例在系统界面下进行修改，实现新流程的节能技术开发，极大地方便了用户。应用该技术，对15套化工装置进行了节能技术开发，建立了9套工业化示范装置，累计取得经济效益5亿多元。
3.4 典型化工装置成套节能技术
利用所开发的节能理论、方法和技术，对46套化工生产装置进行了节能技术开发，开创了先进技术，建立了新工艺，并与企业联合，建成了12套工业化示范装置，累计创造效益10亿多元，为化工过程优化与节能减排技术的推广应用打下了坚实基础, 提供了强有力的技术支撑，下面介绍六种典型化工装置的成套节能技术。
3.4.1 高效单塔复合式尿素废液深度水解解吸新技术
把热偶精馏、反应精馏和换热网络优化节能技术应用于尿素废液深度水解解吸技术的开发研究中，开发出了“高效单塔复合式尿素废液深度水解解吸新技术”，集解吸－水解－气提多重功能于一体，采用塔体及内件结构优化设计，有效地解决了尿素分解所需停留时间、分解温度和分离效率之间的关键技术问题，大大提高了塔的分离效率和尿素的分解速度和深度，实现氨和尿素的完全回收利用与废水回用，在30万吨尿素装置上建成了工业化示范装置，并全面超越了目前最具代表性的孟山都技术，打破了发达国家的技术垄断及技术引进所需高额转让费和设备费的被动局面，其能耗比国外先进技术低28%，完全替代了国外进口技术。该工艺具有结构紧凑、能耗低、自控水平高、投资少的特点。
我国尿素生产企业有180余家，生产能力6000多万吨，许多装置尿素废液处理不达标，按照生产能力的30%推广应用该技术，每年将取得17亿多元的节能减排效益，同时大量减少含氮废水的排放量，减少环境污染，社会效益更大。
3.4.2 有机硅混合单体的新型分离技术
应用所开发的精馏节能技术和换热网络优化技术，对有机硅混合单体的分离序列进行综合，确定了最佳工艺流程，通过流程优化、操作参数优化、塔体结构优化和塔内高效填料的研制使用，使工艺流程、操作参数、设备结构尺寸及操作控制达到最佳。
该成果提出具有理论依据的8塔最佳分离流程替代原有的11塔流程，分离出纯产品的数量由3种变为5种，主产品纯度由99.9%提高到99.99%；研制了针对万吨级有机硅混合单体分离的高效填料，降低了塔高和塔径，大大减少了设备投资，与原流程相比，设备及建设投资节省近30％，合计金额2000万元以上，同时大大减少了控制仪表的投资，整个分离流程的缩短也为生产操作和控制带来了方便；通过回流比优化、使用高效填料、采用加热蒸汽冷凝水闪蒸回用和热集成技术，使精馏塔再沸器热负荷下降，精馏能耗下降30%多，年节省加热蒸汽7.32万吨，节能效益732万元/年。精馏塔冷凝器每年节水324万吨，节水效益为162万元/年，精馏系统节能总效益达到894万元/年。2003年10月中油吉林石化公司应用该技术建成了年加工5吨有机硅混合单体的分离装置，调试后装置运行平稳，各项指标达到设计要求。
3.4.3 芳烃装置的多效精馏-热集成节能新工艺
针对中油吉林石化分公司30万吨/年芳烃装置，产苯16.5万吨/年，利用多效精馏和精馏塔热集成技术，首创了芳烃装置苯分离的多效精馏和苯塔与甲苯塔热集成节能新工艺，使苯塔分离能耗下降74%，节能效果显著。苯塔节能17.97 kg标油/t苯,节能率达到74%，节省加热蒸汽6.16万吨/年(相当2965吨标油/年),节省冷却水232万吨/年，每年节能效益达到915万元。2010年苯的生产能力将达到925万吨，把该技术在全国推广应用，每年节能将达到16.62万吨标油，将取得5亿多元的节能效益。。
3.4 .4 吗啉、N-甲基吗啉-吗啉联产装置及吗啉其它系列产品进优化节能新工艺
利用换热网络优化节能技术和精馏节能技术，对吗啉、N-甲基吗啉和吗啉联产装置和吗啉其它系列产品进行了研究开发，建立了优化节能新工艺，使热量得到了最大的回收利用，大大地降低了生产装置的能耗；研制出高效催化剂，取得４项发明专利，使催化剂的使用寿命由3个月提高到30个月，提高了10倍，二甘醇的单耗降低了14％，提高了装置的产能，取得了显著的经济效益，使整套装置的生产技术处于国内领先水平。
对吗啉生产装置、N-甲基吗啉和吗啉联产生产装置进行了优化及节能研究，使反应进料和反应气进行了有效的换热，对精馏系统进行了优化节能研究及设计，通过优化节能挖潜，使能耗大大下降，并采用自主研发的高效催化剂，大大提高了产品的选择性和收率，降低了消耗，提高了经济效益。该技术用于吉林省北方气体有限公司年产3000吨吗啉装置优化扩产及节能改造中，年节能扩产降耗增效650万元，应用于吉化锦江化工厂3000t/a N-甲基吗啉和吗啉联产装置中，年节能效益179多万元，同时在吉化辽源化工厂得到应用，也取得了显著的经济效益。
3.4.5 气分装置热泵精馏技术
针对中油吉化公司炼油厂气分装置，应用热集成技术，结合自行研制开发的高效填料、塔内件等节能设备对气分装置进行优化扩产和节能研究，提出了最佳能量回收利用方案和热泵精馏工艺流程，使丙烯和丙烷的分离能耗下降90%，节能效益显著。改造后的气分装置能耗每年节省4万吨蒸汽，节省55万吨冷却水，优化改造后，气分装置的生产能力由12万吨/年扩产到15万吨/年，节能和扩产总效益达到2320万元/年；优化设计的脱丙烷塔及采用自行研制生产的高效刺孔JHCB-500板波纹规整填料，首次用于高压（2.0mPa）脱丙烷塔，在国内外属于首创，该塔具有塔径小、生产能力大、分离效率高、压降低、操作弹性大、回流比小、能耗低等优点；采用热集成优化节能技术所确定的新的气分工艺流程具有能耗低，便于操作等优点，使该装置能耗由改造前的2.884MkJ/t下降到2.174MkJ/t，下降了24.6%，处于国内同类规模装置的领先水平。本项研究成果于1999年8月在吉化炼油厂气分装置上实施成功。
2007年进一步对气分装置进行研究，开发出年加工50万吨气分装置的最佳热泵精馏技术，使气分装置丙烯和丙烷分离的能耗下降90%，节省14.76 kg标油/t原料，7380 吨标油/年，每年节能效益可达到2536万元。2010年炼厂气分加工能力将达到2000万吨，如果该技术在国内能全面推广应用，每年节能可达到29.52万吨标油，节能效益将达到10亿多元/年。
四、成果实施后所产生的效果
开发出的《化工节能专家系统》、《换热网络优化节能软件系统》，作为研发工具在青岛科技大学、华南理工大学等单位的研究设计部门的研究开发中得到应用。应用本项目开发出的各种化工节能理论、方法、技术、软件、流程等成果，针对46套化工装置开展了应用研究，提供了新技术和新工艺，其中有12套化工装置的优化与节能减排新技术和新工艺在中油吉林石化公司、中化吉林长山化工有限公司、山东齐鲁石化公司、辽宁大连凯飞化学公司等企业的装置上得到应用，建立了工业化示范装置，累计创效达到10亿多元。
通过分析预测，就常减压换热网络优化节能技术、尿素废液深度水解解吸技术、芳烃装置苯分离双效精馏及热集成优化节能技术、气分装置丙烯-丙烷热泵分离技术在国内同类装置上推广应用，每年节能减排效益可达到35亿多元。如果能把精馏高效节能新技术在全国化工装置上推广应用，可使我国使用普通精馏化工装置的精馏能耗平均降低30％以上，每年由此可取得上百亿元的节能效益，同时大大降低热污染和水的消耗，缓解环境保护压力，具有非常大的经济效益和社会效益。
通过系统地研究和应用，在理论和技术上都有显著创新，在工程中的成功应用证明我国在化工领域能够创造出自己的独有技术，不用什么都靠引进，极大地鼓舞了我国科技人员从事科技创新的信心和积极性。采用化工节能新技术和新工艺，可以大大降低化工过程的能耗，降低热污染，减少二氧化碳的排放，对建设资源节约型、环境友好型社会、提高人民生活质量、维护中华民族长远利益，具有重要而深远的意义，也是我国对国际社会应该承担的责任。
五、持续改进措施
本项目的各项理论基础与应用技术均通过吉林省科技厅组织的专家鉴定,取得的成果达到国际先进水平，成果曾获吉林省科技进步一等奖2项，二等奖2项。项目前期工作基础扎实，工业化项目所依托的企业都是国家有名的大型企业，技术实力和经济实力雄厚，项目组成员在化工过程优化节能，尤其在化工分离研究领域具有很强的实力和丰富的工程化经验，与企业合作开发并工业化的项目有20多项，所以项目承担单位和参加单位具有足够的实力来完成本项目,本项目前期已经做了大量的研究及工业化实验工作,并取得了较好的效果,通过进一步的研究和完善,该项目的技术和开发的配套设备必定会更加成熟。
项目组将建立产学研联盟或成立高新技术企业，生产加工配套设备，以目前已工业化的装置作为面向全国推广的样板工程，将技术在全国化工装置推广应用，力争取得更大的经济和社会效益。
