能源化工行业节能与碳减排

陈安民是加拿大注册专业工程师，在石化和石油天然气行业拥有 30 多年的经验。 他是能源集成、温室气体减排、工程设计、过程模拟和优化方面的专家。 他获得北京石油大学石油工程硕士学位。 最近，他担任雪佛龙公司的高级工艺顾问，负责雪佛龙 Kitimat 液化天然气、天然气加工、TCO 石油和天然气设施的项目，提出和实施了去除乙烷气体火炬项目，该项目取得了显著节省投资保护环境的功效，并在 2020 年获得雪佛龙 TCO 管理表彰和奖励。 在雪佛龙期间，他还领导了 Kitimat LNG 项目的能源整合和温室气体减排计划，显著节省了成本，并在休斯顿举行的Chevron FE 2014 世界会议上发表了关于 Kitimat LNG 项目的能源整合和温室气体减排的演讲。

1热力学基础(001)

1.1基本术语(001)

1.1.1体系与环境(001)

1.1.2状态和状态参数(002)

1.1.3寂态和基准状态(003)

1.1.4能量(003)

1.1.5可逆过程和不可逆过程(003)

1.1.6用能过程、用能过程热力学(004)

1.2能量的形式和基准状态(004)

1.2.1能量的形式(004)

1.2.2基准状态的确定(005)

1.3热力学第一定律(007)

1.3.1热力学第一定律的一般表述(007)

1.3.2稳定流动体系的能量平衡方程(007)

1.3.3总能量平衡方程式在不同条件下的形式(009)

1.3.4热力学第一定律在石油化工过程中的应用(011)

1.4热力学第二定律(012)

1.4.1热力学第二定律的表述(012)

1.4.2热变功的最高限度，卡诺因子(012)

1.4.3第二定律的用能过程表达式及意义(013)

1.4.4㶲的概念及计算(014)

1.4.5用能过程的㶲平衡方程(016)

1.5节能与碳减排(018)

参考文献(018)

2热物理能量及㶲的计算(019)

2.1过程热效应的能量和㶲的计算(019)

2.1.1物流显热能及㶲的计算(019)

2.1.2相变潜热的能量及㶲计算(022)

2.1.3反应热效应及反应㶲(024)

2.1.4混合热及㶲(028)

2.2石油及其馏分能量和㶲的计算(030)

2.2.1Nelson焓图拟合关联式的展开(030)

2.2.2基准相态为液相的液相石油馏分㶲的计算(031)

2.2.3基准相态为气相的气相石油馏分物理㶲的计算(032)

2.2.4基准相态为液态的气相石油馏分物理㶲的计算(033)

2.3轻烃及其混合物能量和㶲的计算(034)

2.3.1理想气体烃类焓、熵和㶲的计算(035)

2.3.2烃类混合物的焓、熵、㶲计算(038)

2.4水蒸气、水及空气的能量和㶲的计算(038)

2.4.1水蒸气(038)

2.4.2水、空气等物流(039)

2.5散热能量及㶲的计算(039)

参考文献(043)

3机械能及化学㶲的计算(044)

3.1真实气体的能量和㶲的计算(044)

3.1.1真实气体能量和㶲的计算方法(044)

3.1.2剩余性质的计算(045)

3.2流体流动过程能量的计算(050)

3.2.1体积功、轴功和流动功(050)

3.2.2轴功和有效功的计算(051)

3.3化学与燃料㶲的计算(053)

3.3.1化学㶲的基本概念(053)

3.3.2化学㶲的计算方法(054)

3.3.3复杂物质及燃料的化学㶲(057)

参考文献(058)

4工艺过程用能热力学分析(060)

4.1传热过程的热力学分析(060)

4.1.1忽略散热的传热过程(061)

4.1.2有散热损失的传热过程(062)

4.2流体流动过程热力学分析(064)

4.3传质过程的热力学分析(066)

4.3.1分离过程的最小㶲耗(066)

4.3.2实际分离过程热力学分析(067)

4.4化学反应过程的热力学分析(069)

4.4.1化学反应㶲的计算(069)

4.4.2实际反应过程㶲损耗和复杂反应的反应㶲计算(070)

4.5燃烧过程的热力学分析(071)

4.5.1绝热燃烧过程(072)

4.5.2传热过程(073)

4.5.3减少燃烧过程损的途径(073)

参考文献(074)

5石油化工过程用能三环节分析方法(075)

5.1石油化工用能特点(077)

5.2用能分析三环节模型的改进(078)

5.3用能分析三环节模型应用(079)

5.3.1用能分析计算基准(079)

5.3.2非工艺流体的机泵有效动力(079)

5.3.3能量使用环节的设备散热(080)

5.3.4原料的化学能(080)

5.3.5反应放热应计入工艺总用能(080)

5.3.6一些特殊设备的处理原则(080)

5.4改进后用能分析三环节模型的项目细则(081)

5.4.1能量平衡的参数(081)

5.4.2㶲平衡的参数(082)

5.5用能分析三环节模型中的平衡关系及评价指标(083)

5.5.1能量平衡关系及评价指标(083)

5.5.2㶲平衡关系及其评价指标(084)

5.5.3能量平衡、㶲平衡结果表示(086)

参考文献(086)

6设备能量平衡和㶲平衡(087)

6.1装置用能分析测试的内容和要求(087)

6.1.1测试工况的确定和测试范围(087)

6.1.2标定测试要求(088)

6.2机泵设备(088)

6.2.1离心泵(089)

6.2.2压缩机(092)

6.3工业炉设备(096)

6.3.1工艺加热炉能量及㶲平衡计算(096)

6.3.2反应炉和尾气焚烧炉(106)

6.4催化裂化再生器(107)

6.5工艺用能设备(115)

6.5.1塔类设备(115)

6.5.2反应设备(121)

6.6能量回收利用设备(124)

6.6.1冷换设备(125)

6.6.2动力回收设备(129)

参考文献(131)

7石油化工装置的能量平衡和㶲平衡(132)

7.1装置内系统用能数据的平衡核定(134)

7.1.1装置的物料平衡(134)

7.1.2热力学能耗(135)

7.1.3热力学耗㶲DT(136)

7.1.4循环和输出物流的能量和㶲的计算(138)

7.1.5物流排弃能和㶲(139)

7.2装置散热损失的核定和汇总(140)

7.2.1散热的特点分析(140)

7.2.2设备管线散热损失的计算汇总(140)

7.2.3管线的散热校核及装置散热的汇总(141)

7.3汽、电、水的供用产出平衡(142)

7.3.1蒸汽(142)

7.3.2水(143)

7.3.3电耗(144)

7.4装置能量平衡和㶲平衡计算汇总(145)

7.4.1能量转换环节(145)

7.4.2能量工艺使用环节(148)

7.4.3能量回收利用环节(151)

7.4.4全装置平衡汇总(153)

参考文献(156)

8辅助系统及全厂能量平衡(157)

8.1公用工程系统的能量平衡(159)

8.1.1供热系统的能量平衡(159)

8.1.2供电系统的测试与平衡(164)

8.1.3供水、供风系统的能量平衡(166)

8.2辅助系统的能量平衡(168)

8.2.1储运系统(168)

8.2.2污水处理系统(170)

8.2.3非直接生产的辅助系统用能核查(171)

8.3全厂能量平衡汇总(172)

8.3.1能量平衡汇总方法及计算基准(172)

8.3.2测试工况的能量平衡汇总(173)

参考文献(180)

9能耗分析及节能改进途径(181)

9.1装置规模和环境温度对能耗的影响(181)

9.1.1装置规模的影响(181)

9.1.2环境温度的影响(182)

9.2负荷率对装置能耗影响分析和估算(185)

9.2.1负荷率对装置能耗影响及其估算(185)

9.2.2由能量平衡数据估算(186)

9.2.3负荷率对散热固定能耗的影响(187)

9.2.4负荷率对电固定能耗的影响(187)

9.2.5负荷率对蒸汽固定能耗的影响(190)

9.2.6其他固定能耗(192)

9.3用能水平及节能潜力的评估(194)

9.3.1应用基准能耗评价装置的用能水平(194)

9.3.2应用热力学法评价设备及系统用能水平及潜力(199)

9.4生产装置节能改进的方法和途径(201)

9.4.1改进工艺条件，降低工艺总用能(201)

9.4.2降低工艺能量使用环节的过程㶲损(204)

9.4.3提高能量回收率，减少排弃能量及㶲损(206)

9.4.4提高能量转换环节效率，减少装置供入能耗(207)

9.5大系统用能优化方法和改进途径(209)

9.5.1改进生产流程(209)

9.5.2装置及系统的热联合(210)

9.5.3低温热回收利用(211)

9.5.4优化蒸汽逐级利用(212)

参考文献(214)

10CO2捕获和利用(216)

10.1提高燃油效率，使用低碳燃料和可再生能源(217)

10.1.1智能使用化石燃料，提高能源效率(217)

10.1.2使用低碳燃料代替高碳燃料(217)

10.1.3使用可再生能源和核能代替化石燃料(218)

10.2CO2分布及其性质(218)

10.2.1CO2分布类别(218)

10.2.2CO2物理性质(219)

10.3CO2捕获方法(220)

10.3.1吸收溶剂(220)

10.3.2酸性气体去除/CO2捕获使用化学溶剂(221)

10.3.3使用物理溶剂去除酸性气体和捕获CO2(223)

10.4酸性天然气CO2捕获(227)

10.4.1通过酸性气体浓缩捕获天然气CO2——案例研究1(227)

10.4.2级联酸性天然气CO2捕获——案例研究2(233)

10.4.3酸性气体浓缩与CO2捕获——案例研究3(239)

10.5合成气CO2捕获(243)

10.5.1使用DEPG溶剂单吸收塔捕获合成气CO2——案例研究4(243)

10.5.2使用DEPG溶剂和双吸收器捕获合成气CO2——案例研究5(246)

10.6烟气CO2捕获(249)

10.6.1使用DEA溶剂捕获烟气CO2——案例研究6(249)

10.6.2使用氧气代替燃烧空气进行烟气CO2捕获——案例研究7(252)

10.7CO2压缩和脱水(255)

10.7.1背景资料(255)

10.7.2脱水再生器中的汽提(255)

10.7.3CO2脱水和压缩——案例研究8(256)

10.7.4烟气CO2捕获、压缩和脱水-案例研究9(258)

10.8CO2低温分离(262)

10.8.1实际富CO2气流气液露点和冻结曲线(264)

10.8.2低温温度选择(265)

10.8.3低温烟气CO2低温去除技术发展(267)

10.8.4烟气低温CO2捕获—案例研究10(267)

10.8.5传统CO2捕获与低温CO2捕获的比较(271)

10.9CO2化学品利用和储存(274)

10.9.1使用CO2生产尿素(274)

10.9.2使用CO2生产碳酸氢铵(276)

10.9.3使用CO2生产碳酸氢钠(276)

10.9.4使用CO2作为原料生产甲醇(276)

10.9.5CO2储存或强化石油天然气采收(279)

参考文献(279)

11节能项目的技术经济评价（281）

11.1资金的时间价值（281）

11.1.1利息（281）

11.1.2货币的等值、现值与将来值（283）

11.1.3资金的等效值计算（283）

11.2静态评价方法（285）

11.2.1投资利润率（285）

11.2.2投资回收期（286）

11.2.3现金流量与现金流量曲线（287）

11.3动态评价方法（288）

11.3.1动态投资回收期（288）

11.3.2动态投资回收期简化算法（290）

11.3.3净现值法（291）

11.3.4内部收益率法（292）

11.4节能措施经济效益估算（294）

11.4.1燃料价格的确定（294）

11.4.2蒸汽和背压发电价格的确定（295）

11.4.3电价和水的价格的确定（298）

11.4.4节能措施的其他效益（298）

11.5投资估算及技术经济评价（299）

参考文献（300）

12设备和管线的优化（301）

12.1过程速率与㶲损（301）

12.1.1传热过程（302）

12.1.2流体流动过程（303）

12.1.3传质和化学反应过程（303）

12.1.4推动力（㶲损）的动力学效率（304）

12.2热流体管线经济保温厚度（305）

12.2.1目标函数（305）

12.2.2优化方法分类（305）

12.2.3热流体管线的经济保温厚度（306）

12.3流体输送的经济管径及经济保温厚度（308）

12.3.1低温流体输送的经济管径（308）

12.3.2保温管道的经济管径和经济保温厚度（311）

12.4冷换设备的优化（315）

12.4.1单台换热器的优化（315）

12.4.2冷却器冷却水最佳出口温度的确定（318）

12.5加热炉经济热效率（319）

12.5.1问题的意义（319）

12.5.2经济热效率的确定方法（320）

参考文献（321）

13夹点节能技术及其应用（322）

13.1夹点的概念及其确定（322）

13.1.1夹点的概念（322）

13.1.2夹点的确定方法（324）

13.1.3总组合曲线（326）

13.2预先估计换热网络的面积和ΔTmin（327）

13.2.1面积的估算方法（327）

13.2.2年总费用及ΔTmin的确定（329）

13.3能量目标的确定（333）

13.4换热网络夹点设计（336）

13.4.1换热网络的图示法（337）

13.4.2换热网络的夹点设计方法（337）

13.4.3输入数据到AEA示例（338）

13.4.4将数据从HYSYS文件传输到AEA（344）

13.5总能系统热机和热泵的合理放置（350）

13.5.1热机位置（351）

13.5.2热泵位置（352）

13.6交叉传热对换热网络面积和能量的影响（353）

13.6.1传热模型及推动力图（353）

13.6.2交叉传热对面积目标的影响（354）

13.6.3交叉传热对能量（换热器）及损失的影响（356）

13.6.4现有换热网络交叉传热因子α的估算（358）

13.7夹点技术的节能原理（360）

13.7.1夹点技术的主要特点及与分析的关系（360）

13.7.2夹点的技术特征（361）

13.7.3传热㶲损（363）

参考文献（365）

14关键节能技术（366）

14.1机泵调速技术（366）

14.1.1机泵流量随转速的变化规律（366）

14.1.2机泵调速方式及分类（368）

14.2燃气轮机及其选择（370）

14.2.1节能原理（370）

14.2.2燃气轮机选型（372）

14.3联合燃气轮机循环及其应用（375）

14.3.1联合燃气轮机循环（375）

14.3.2液化天然气装置的应用（375）

14.4催化裂化装置烟气轮机节能（381）

14.4.1节能原理与膨胀功估算（381）

14.4.2节能效益估算（383）

14.4.3技术经济评价（384）

14.4.4提高烟气轮机功回收率的途径（384）

14.5催化裂化再生烟气一氧化碳器外燃烧技术（386）

14.5.1背景信息（386）

14.5.2CO器外燃烧技术流程（388）

14.5.3实验标定结果（389）

14.6一氧化碳燃烧和烟气能量回收系统优化（390）

14.6.1两段再生烟气混合预燃（391）

14.6.2烟气能量回收流程及特点（394）

14.6.3各种能量回收流程节能效果对比（397）

14.7低温热回收利用（400）

14.7.1直接用作一般加热用热源（401）

14.7.2热泵（401）

14.7.3制冷（406）

14.7.4发电（407）

14.7.5低温热热集成系统（407）

参考文献（409）

附录A常用数据（410）

1热力学基础

摘 要为介绍热力学对过程能源利用分析和改进的方法，本章提供了过程能源利用分析和改进中经常使用的能源基本术语、使用的能量形式及其参考状态；简要介绍了热力学第一定律和热力学第二定律，以上内容是整个能源利用分析和改进的基础。

关键词 能源形式；能源利用；参考态；温室气体；热力学定律石油化工过程是通过物理和化学变化把石油原料加工成为产品的过程，能量是推动过程进行的源泉和动力。完成从原料到产品的一系列过程无一不在消耗能量，能量的转换、过程使用以及使用后能量回收利用，构成了石油化工过程用能的特点和规律。研究这些规律，剖析用能过程，识别节能潜力，提出改进措施是节能工作者的一个现实课题。

运用热力学方法，对过程中的能量转换和传递、使用和损失、回收和排弃的情况进行计算和分析，揭示出能量消耗的大小、原因和部位，为改进过程、提高能量利用率指出方向，并运用技术经济的优化方法作出剖析和筛选，从而提出改进措施，这就是石油化工过程的热力学分析方法。目前在石油、化工、热工、冶金等领域已逐步形成一套系统的有效能分析方法，即用分析法，在节能的分析诊断中起到了应有的作用。

所谓用分析法，是依靠热力学第一定律和第二定律，把能量数量和能量质量结合起来对过程和系统用能进行计算、分析、诊断和改进的方法。热力学第一定律所指出的能量转换和守恒定律已广泛用于工业过程中，在工业企业的设备、装置乃至企业的能量的数量平衡中呈现出极大的优越性，是用能分析的基础，然而只有能量数量上的平衡是不够的，尚需引入能量质量的概念，才能使能量分析更切中实质，否则，将得不出正确的结论。例如，按照第一定律，进出工艺过程设备的能量是守恒的，数量不变，因而没有“消耗”，而为之服务的能量转换和能量回收两环节都表现出能量数量上的消耗(排烟、散热、冷却、排弃等），掩盖了工艺过程用能的实质。

本章在介绍热力学基本概念的基础上，简要地介绍热力学第一定律和热力学第二定律。

1.1基本术语

1.1.1体系与环境

在能量利用过程中，为了明确研究对象的范围，通常用分界面把研究对象从周围物体中分割出来，这种被人为地单独划分出来研究分析的对象称为体系，体系具有一定的空间和明确的边界。体系的选取，是依据分析研究的方便和需要而确定的，小至一台设备或一台设备中的某一部件，大至装置、工厂、企业、一个地区，都可选作分割对象，作为用能分析的体系。

对于用能分析体系，若构成体系的物质是由大量质点组成，且这些质点的无规则运动所表现出来的宏观热现象，决定着体系的性质和状况，通常称为热力学体系。

石油化工过程中所涉及的加工介质大多是流体，其热力学性质（T，p，V)同加工过程本身及用能状况都有极为密切的关系，因此，均可视为热力学体系。

体系一旦确定，则体系以外的一切空间及物体均称为“外界”，人类生活和生产的地球表面（低层大气，地表，浅层水面）——环境，是外界的一个重要组成部分。环境具有无限大的容量，其成分以及重度、压强这类“强度性质”是均匀的，各部之间相对静止，都不会因体系投入或从中吸取能量而发生改变。

由于石油化工过程体系处于环境的包围中，因此用能分析研究的重点是体系与环境的关系。

一般情况下，体系与环境之间可能有物质和能量交换。与环境没有物质交换的体系，称为封闭体系。与环境有物质交换的体系，称为开口体系，亦称流动体系。与环境无热量交换的体系称为绝热体系。与环境既无能量交换也无物质交换的体系，