化工双碳之二：国际化工公司的减碳经验（2）

三、方法：化工企业节能洋葱头模型

化工企业能源系统优化覆盖能源生产、分配、使用和回收四个环节。化工企业的能源生产指能源的二次转化，即公用工程车间，包括蒸汽锅炉系统、空压机系统、循环水系统、冷冻水系统等；能源分配指这些公用工程介质的管路输送与分配；能源使用指产品生产装置中各个工艺单元对公用工程介质的使用；能源回收主要指冷凝水、循环水等回收。 

基准数据分析步骤确定节能的重点、能源介质类型与重点能耗工艺单元，以及它们的能源效率基线。节能项目最重要步骤是识别出这些重点能耗工艺单元的节能改进措施，化工装置的节能优化改进措施从简单的操作调整到复杂的工艺结构变化。

很多企业节能项目依靠外部合同能源管理供应商，通常这些供应商只能做一些辅助设施即公用工程系统的节能，以及通用机械设备的节能项目，最多的便是围绕循环水系统的节能泵改造。这类项目当然能有节能效果，但这种非系统化的点状节能项目，节能效果有限，相对全厂的能耗，取得1%节能量已算不错。

《Managing CO2 Emissions in the Chemical Industry》一书中就节能想法的生成步骤提出了一种系统化、结构化的化工厂节能优化层次模型，如下图所示，这是一个同心圆，从内层向外包括了7个层级，分别是：设备检查、操作改进、热集成与热回收、工艺设计改进、原材料、建筑和暖通设施、能源和公用工程供应。这是一种从用能设备用能优化、装置用能优化到全厂用能优化的逐层优化方法。

 

下面按照从内向外介绍这7个层级。读者若需详细了解，请阅读原书。

1.设备检查（equipment check）：针对常见的能耗设备,例如泵、压缩机、蒸发器、塔、换热器等，检查它们是否运行在正常工作条件，例如换热器是否结垢严重。工艺与设备专家开发标准设备的能效检查表，这些检查表可记录设备的当前运行条件，并将其与最佳实践和基准进行比较，以提供改进措施的提示。这个层级可以认为是设备恢复与纠错，让能耗设备运行在正常条件下。

2.操作改进（Operational Improvement）：优化控制回路使得工艺参数更稳定，以及优化操作参数。例如调整诸如精馏塔的回流比、压力水平、温度，以及反应系统的溶剂浓度、反应物过量比、循环和放空比操作参数。这类改进主要依靠工艺工程师以及过程控制工程师实现，需要过程模拟、实验设计调优（DOE）、PID参数整定以及先进过程控制等工具。这类改进无需设备变化以及改造，实施成本最低。

3.热集成和热回收（Heat Integration and Heat Recovery）：充分利用工艺热流股以及低温热源作为热源去加热工艺冷流股，减少外部蒸汽使用。例如，工艺废热副产回收低压蒸汽、使用精馏塔的底部产品来预热进料流，反应器出口流股预热进料等。这类改进节能量较大，但需要新增换热器以及现场改造。

4.过程设计改进（process design improvement）：利用新型的设备、反应器、分离工艺、过程集成来重新设计与优化原局部工艺过程，例如改变溶剂或萃取剂、用膜分离代替精馏塔、微反应器代替间歇反应器、连续过程取代间歇过程等。这类改进对装置的变化较大，老装置改造较困难，通常在新装置设计阶段便采用这些新设计。

5.低碳原料（raw material）：采用更低CO2排放量的原料，例如用可再生的生物质原料（Renewable feedstock），这是近几年热门的质量平衡法（Mass-balance approach），例如航空公司要求一定比例的生物航空煤油、生物柴油、生物甲醇等 。改变原料，意味着全新的工艺路线，只能在新建装置考虑使用。

6.建筑和暖通设施（Buildings and Facilities）：针对对空气温湿条件、洁净度严格的生产厂房，分析建筑的HVAC系统，包括通风、空调和空气交换率，墙壁保温。这类措施主要针对制药厂。

能源和公用工程供应（Energy and Utility Systems）：考虑蒸汽（不同压力级别）、电力（不同电压）、水（工业用途、去离子水、冷却塔水、冷冻水、盐水、冷凝水回收、超纯水）、空气（工业用途、仪表用气）和氮气（加压）等各类公用工程的生产与分配。包含热电联产、蒸汽压力等级设置、蒸汽驱动透平、余热回收利用制取冷冻水（溴化锂机组）等。这类改进措施不影响主生产过程，节能潜力大，也应重点考虑。

这里介绍的化工企业节能路径同心圆与化工设计中的洋葱头模型（Onion model，从内到外包含反应系统、分离系统、换热系统、公用工程系统）非常相似，所以我将这种系统化结构化工能效优化方法称为化工节能洋葱头模型。这个节能模型遵循了三个原则：由内向外、由用到供、由易到难，以最低的改造成本实现最大的节能效益。

但是原模型中“低碳原料”方法在实际应用时几乎不可能用到，我改成了“反应优化”，主要针对反应条件进行优化，包括反应系统的溶剂浓度、反应物过量比、循环量、反应压力、反应温度等反应条件以及反应热回收。反应系统的优化，在原先的化工节能洋葱头模型归入“操作改进”层级，但反应系统对整个装置的能耗影响巨大，例如降低溶剂浓度后，可以显著降低后续的溶剂分离的能耗。我特意将反应优化独立成一个层级，代替原先的“低碳原料。

新的化工节能洋葱头模型如下图，实际节能项目中应重点关注其中的5个层级，这5个层级几乎适用于所有化工工厂的节能优化，分别是：设备检查、操作改进、热集成与热回收、反应优化、能源和公用工程供应， 在下图中备注了星号。

其中内层的3个节能方法--设备检查与维护、操作改进与优化、反应优化,无需现场改造与设备投资，几乎无需投资，基本可以实现5%左右的全厂节能量，应在节能项目中优先实施，甚至作为日常生产管理内容。

其他的2个重点节能方法--热集成与回收、能源与公用工程供应，需要现场改造，但是节能潜力较大，通常总共产生10-20%的全厂节能量。这些节能改造一般作为工程投资项目进行项目立项，立项前需要核算好节能量、节能效益以及投资额，以便公司管理层决策是否投资花钱改造。

化工节能教科书通常主要介绍夹点分析法，应用夹点分析来做热集成与热回收。以我的工作经验，在化工厂（不包含石化炼油装置）节能改造中，夹点分析几乎不可用，作出的换热网络方案在现场无法实施改造。采用一些简单的就近原则的热回收规则便可以取得不错的效果。

化工节能洋葱头模型遵循了三个原则：由内向外、由用到供、由易到难，这是一种真正的系统化、结构化的工厂级化工节能方法，以最低的成本实现最大的节能效益。我在所有的化工企业工厂级节能项目中都采用化工节能洋葱头模型，几乎都可以挖掘出10-30%的能源降本潜力，事实证明这是一种行之有效的化工企业节能模型。

本文参考文献：

Hans-Joachim Leimkühler，《Managing CO2 Emissions in the Chemical Industry》，2010，Wiley-VCH。

 

（未完待续）