1、前言
    隨著我國經濟建設規模的不斷擴大，能源消費快速增長，能源供應已成為制約我國經濟和社會發展的一個主要瓶頸。根據有關資料統計，目前我國石油及化工行業能耗約占全國總能耗的17%t18%，是國民經濟四個高能耗行業之一。另根據測算，我國石油化工行業單位產品的平均能耗是國際平均水平的2倍多，能源利用率只有33%左右，遠低于先進工業國家的水平。因此從我國目前的能源形勢和建立集約型社會的客觀要求出發，石油化工行業深入開展節能技術與裝備的研究勢在必行。
2、化工生產節能技術與裝備研發的主要方向
2.1采用近代過程集成技術，以節能為中心，優化工藝流程。
    目前國內大部分化工生產工藝流程的設計仍只考慮化學工藝的要求，能量的綜合有效利用與回收只作為輔助內容考慮。國外先進工業國家已經做到把工藝過程、能量供給的公用工程系統及能量回收系統整合起來，作為一個有機結合的整體來處理。這樣能實現把一個化工廠或某個大型化工流程設計得總體能耗最小，運行成本最低。
    采用過程集成分析方法中較實用的夾點分析法( Pinch analysis)進行工藝流程優化設計，對新廠新工藝而言，一般比傳統方法節能30%~40%，投資節省10%～15%，對老工藝、老廠的技術改造也能達到20%—25%的節能效果。
    化工工藝技術本身是否先進直接決定節能的效果。工藝落后本質上能耗一定落后，工藝革新可大幅度降低能耗。開展新工藝研發，努力實現大幅度節能。如采用新的高效催化劑和助劑，以膜分離中的超濾技術代替蒸發濃縮，以傳導型干燥設備取代氣流干燥裝置等。
2.2開發高效單元操作設備并推廣使用
    石油及化工生產設備的主體是單元操作設備，如裂解爐、反應器、換熱器、蒸發器、吸收塔、蒸餾塔、萃取塔和干燥器等，可以說絕大部分化工工藝的能耗大小決定于單元操作設備的能耗。選擇典型單元操作設備進行重點開發研究，強化設備的處理能力和效率，實現能量的合理利用，達到高效、節能的目的，并將開發成功的新型設備在化工生產中大面積推廣使用。
2.3利用社會廢棄物經化工加工形成新的能源產品
    隨著我國經濟發展和人們生活水平的提高，各類工業和生活廢棄物日漸增多。許多廢棄物可作為二次資源進行再利用，如報廢輪胎、報廢塑料制品等經特種化工工藝處理，可獲得柴油等能源產品。以廢棄物為原料生產能源產品和其他工業產品的工藝技術和特種設備開發，將成為我國節能技術研究中一個重要的研究方向。
3、近年來國內化工生產節能技術與裝備研發典型實例分析報告
3.1熱法磷酸生產工藝流程的改進及具有余熱回收功效的新型燃磷塔的成功開發
    磷的燃燒是一個劇烈放熱反應，釋放的熱量可使五氧化二磷混合煙氣的溫度達l 800℃左右。在這樣高溫環境下，磷蒸氣及其聚合物對燃燒塔等生產設備具有極強的腐蝕性，且這種腐蝕性隨溫度升高而加劇。因此工業上為防止腐蝕破壞，通常都使用以夾套結構燃磷塔為核心裝備的二步法工藝流程，具體工藝設備參見圖1、圖2。其中夾套中循環冷卻水的出口溫度一般在50℃左右，這樣低溫的余熱茌工業上難以進一步利用。同時為保證黃磷的流動及霧化燃燒，必須使其處于液相狀態，因此需配置專用燃煤鍋爐來供給蒸汽融化固態黃磷。此外為冷卻循環水或磷酸，還必須配備風機、泵、換熱器等一系列裝置。這種一方面要求外部供熱，另一方面又浪費自身燃燒熱的現象是目前熱法磷酸生產中普遍存在的問題。因此從節能和環保的角度考慮，有必要對現有工藝進行改進，改進的關鍵在于能否設計出具有余熱回收功能的新型燃磷塔。有關這方面的研究國外起步較早，日本、美國和德國都針對熱法磷酸生產的余熱回收進行了研究和開發，并取得一些成果。但由于技術保密的緣故，根本無法得到這些專利的完整數據資料。因此，對于我們這樣一個磷酸生產和需求的大國來說，開發具有獨立知識產權的、符合我國熱法磷酸生產實際的余熱改造技術，意義重大。這既是熱法磷酸生產企業降低成本、提高競爭力的需要，也是我國建設節約型社會的客觀需要。
    在熱法磷酸的生產過程中，如果能回收磷的燃燒熱用于固態黃磷的熔化，實現能源的優化利用，將具有很現實的工程意義。因此在考慮現有工藝布局的前提下，提出了一種更合理的熱法磷酸生產工藝，流程如圖3所示。改進工藝中，新型燃磷塔采用了燃燒室和余熱回收裝置合二為一的整體結構設計，如圖4、圖5所示，其燃燒室周壁布置有相應數量的抗磷酸腐蝕的不銹鋼管，這些管束與連于各管之間的強化換熱翅片圍成一個具有中空腔的環形膜式水冷壁。水冷壁兩端分別布有上下集箱和封頭，周壁外側則設有保溫層，共同構成封閉殼體，完成磷的燃燒與熱量回收。同常規燃磷塔比較，新型燃磷塔具有以下幾個特點：①新塔的燃燒室與老塔形狀相同，體積相近；燃磷塔結構及燃燒器與燃燒室的相對安裝位置不變。因此新塔能保證完成磷的燃燒，并產生足量的P2 05煙氣。②將水冷夾套換成膜式水冷壁后，實現了對熱法磷酸生產過程的余熱回收，有效熱利用率大大提高。③整個燃磷塔重量可由裙座支撐或用鋼架懸吊。工作時爐體的熱膨脹可向上或向下自由伸展；集汽管兩端與汽包及上集箱的連接，下降管兩端與汽包及下集箱的連接都設計有彎頭，可作為熱補償器，自動補償各部件熱膨脹量不一致的差別。圖6給出了550kg/h新型燃磷塔的工程設計簡圖。
    工作過程中，液態單質磷與助燃空氣在壓縮空氣的作用下，經噴磷槍接口管自動進入燃磷塔燃燒，在生成五氧化二磷的同時釋放出大量熱能。這些熱能以輻射換熱方式被設置于膜式水冷壁的循環水吸收。上升管內的水因吸收熱量而汽化，形成汽水混合的兩相流體，它的密度要比位于同一水平面的下降管內的水密度小，這種密度差形成了水在汽包一下降管一下集箱一上升管一上集箱一導汽管一汽包之間自然循環的驅動力。燃磷塔回收余熱生產的蒸汽最后在汽包內經汽水分離后排出。
    改造后的熱法磷酸新工藝系統，不僅能保證磷酸的原有生產能力和品質，而且能副產高溫高壓蒸汽，除滿足自身生產所需，還可為其他化工生產提供過剩蒸汽。由于采用新型燃磷塔的新工藝省掉了專用燃煤鍋爐，一方面降低了設備投資，另一方面每燃燒It混合磷可節省標準煤560kg和冷卻水400t，相當于每生產1t濃度為85qt的磷酸可降低生產成本97. 37元，經濟效益明顯。目前通過小試、中試研究和數值模擬分析，已形成完整的工程設計方法。一臺5000t/a和兩臺15000t/a的新型燃磷塔已經投入運行，50000t/a、75000t/a的大型裝置正在設計之中。
3.2廢輪胎熱裂解回收發黑和燃料油的工藝開發與裂解塔的設計成功
    隨著汽車工業的飛速發展，廢舊輪胎數量越來越多，它們露天堆放，一方面占用耕地，另一方面也對環境造成污染，此問題亟待解決。熱裂解技術以其較低的污染排放和較高的能源利用率而被認為是21世紀最具潛力的廢舊輪胎資源化處理方式，其典型流程如圖7所示。除去鋼絲的廢舊輪胎，經清洗、烘干、切碎，再通過螺旋輸送機進入裂解塔內進行裂解，氣態產物經冷凝器冷凝后得裂解油和不凝氣體。裂解油可直接作為燃料或經進一步的蒸餾、分離等得到質量更高的油品；不凝氣體則通人緩沖罐，作為燃料氣提供裂解反應所需的高溫煙道氣。固態產物炭黑在爐內冷卻到常溫，從下方排出，經球磨機中細磨和旋風分離，可得到質量較高的商品炭黑。煙道氣從裂解塔排出后一部分通人熱風爐與燃燒氣混合，一部分用于烘干濕輪胎，剩余部分排放至大氣中。
    裂解設備是實現最終裂解反應的場所，它的設計成功是整個工藝的關鍵所在。在以前的許多試驗研究中都能得到質量不錯的裂解產物，但至今一直未能實現工業化的最主要原因就在于設計出能滿足工藝要求的裂解設備存在很大困難，具體體現在：①進料的復雜性。廢輪胎種類眾多，且隨著橡膠工業的發展輪胎性能也在不斷地改進，因此對裂解設備來說進料是很不確定的；相應地要求設備的工藝參數在一定范圍內應可靈活調節。②密封性要求。由于裂解氣中富含甲烷等易燃易爆的烴類氣體，所以對裂解設備的泄漏應有較為嚴格的控制措施。③高溫的反應條件。裂解塔內最高溫度高達700℃，因此在爐體的密封與結構設計時，爐內各結構的熱膨脹量是必須考慮的關鍵因素。④保溫要求。若裂解塔保溫不當，氣態產物極易在塔內低溫部位部分冷凝液化，最終流人塔底炭黑中，不但影響炭黑的質量，甚至有可能形成黏糊狀的大塊物體堵塞炭黑排出口。
    在國內外開發的熱裂解裝置中，流化床、移動床、回轉窯等結構形式多種多樣。在加拿大c.Roy等人開發的以熔融鹽為傳熱介質的設備中，采用了雙層加熱盤片結構，如圖8所示。其優點是采用臥式結構安裝較方便，且對密封要求低、較易實現真空操作。但該結構對操作要求很高，在操作過程中若發生斷電等事故，一旦融熔鹽發生冷卻、凝固，將導致整套裂解裝備的報廢。
    溫州化工研究院采用了回轉筒的結構，如圖9所示。裂解本體以一定的速度回轉，為提高傳熱效果，本體外壁設置螺旋帶，內壁設有翅片。該結構存在著大直徑回轉筒的動密封問題。因此不易采用分段加熱方式，而若僅采用圖中所示的單段加熱方式，則裂解反應集中區為煙道氣的低溫區，因此要確保橡膠小塊達到一定的裂解溫度，就要求有較高的進口煙氣溫度。在處理量加大，裂解爐本體長度加長時，問題更加突出。
    最近一種如圖10所示結構的立式裂解設備開發成功。塔上部布置的多層空心加熱圓盤是該裂解塔的主要部件，由間隔排列的大小空心圓盤組成，其內部通人700℃高溫煙氣（由裂解產生的可燃氣體燃燒調溫后送人），使加熱盤面溫度保持在400—600℃水平。橡膠小塊從塔頂進料口進入裂解塔內并落在第一層大加熱盤上，然后在耙葉的推動下，從大盤外緣向內緣作螺旋線移動，最終從大盤內孔落入下層小盤，小盤上的料塊在耙葉推動下從小盤內緣向外緣沿螺旋線移動，最終從小盤與塔壁間的環隙中落人下一層大盤上。如此內外交替，在加熱盤上不斷吸熱升溫完成熱裂解過程．橡膠小塊的徑向移動路線如圖中粗線所示。耙葉、耙桿在轉軸、主電機及減速傳動系統帶動下沿盤表面旋轉。由于裂解反應生成的炭黑產物溫度高達400℃，直接排出至空氣易燃燒，故炭黑需進行冷卻才可排出裂解塔。因此在該裂解塔下部布置了數層冷卻圓盤，同樣由間隔排列的大小空心圓盤組成，盤內通人冷卻水。具體出料系統如圖11所示，炭黑在出料刮板的旋轉推動下排出。另外，對裂解設備要求較嚴格的密封問題，在本設備中得到了較好的解決。在該設備中，需密封部位主要在塔底與塔頂的軸密封以及煙道氣管道與簡體的密封，在以后的試驗中發現尤以后者最關鍵。在煙道氣進口管道內煙氣溫度高達750℃，在該處的熱膨脹量最大，此處的密封也最容易出問題。因此在本設備中，除了與筒體聯接處的可移動密封裝置外，還在簡體外部加了一帶膨脹節的密封罩分別與簡體和煙道氣管道相焊接，以保證該處的密封安全。
    從上述結構分析可知，多層空心盤式裂解塔具有以下幾個優點：①傳熱效率高。該設備以傳導方式為主進行傳熱。橡膠塊在盤面上沿螺旋線移動使橡膠塊與盤面的接觸加熱路線延長了幾倍。同時由于耙葉對橡膠塊的不斷翻動與攪拌作用也使盤面的熱傳導效率大大提高。②結構簡單。該裂解塔中不存在難以加工的復雜結構，其制造方便、經濟，操作簡單、安全。③反應條件調節靈活。耙葉、耙桿三維可調，可靈活調節橡膠小塊在盤表面的徑向移動速度，從而實現對裂解時間的調節；主電機采用調速電機，可宏觀控制橡膠小塊停留時間，保證裂解反應的完成；可通過預設控溫點的溫度來調節爐內溫度并保持穩定；爐內壓力可由風機加以調節。③自動化程度較高。在中試過程中，所有輔助設備的開關控制以及所有測試點的壓力、溫度的顯示與控制都集中在一塊面板上，在實際操作中僅需1~2名操作工。
    立式多層圓盤結構裂解塔作為一種新型特種反應器，近期已完成內部傳質、傳熱過程的建模分析。為了使輪胎料塊在塔內的運動與裝置特性定量化，在料環假設（圖12）、松散介質假設以及物性假設的基礎上，建立了加熱盤面上輪胎料塊的傳質模型，得到了塔內料環高度、盤面積料量、停留時間以及臨界處理量等參數的計算公式。同時在兩階段假設、擴散模型假設、物性假設的基礎上，應用顆粒傳熱擴散理論‘IoJ及橡膠裂解動力學方程，建立了多層盤式裂解塔加熱盤面與輪胎料塊間的傳熱模型，得到了裂解塔內每道料環出料溫度及橡膠殘余率的迭伐計算公式，并從理論上給出了裂解塔的最大處理量。目前一套3000Ua廢輪胎處理量的盤式裂解塔已開車成功。
3.3采用傳導型干燥設備取代直接氣流干燥的節能技術與裝備開發
    干燥設備按熱量傳遞方式可分為直接傳熱式和間接傳熱式兩種。其中直接傳熱式干燥設備，物料和干燥介質直接接觸，通過對流方式傳熱，具有結構簡單、制造成本低廉等優點，但熱效率低，能耗高，同時對環境造成的污染也大。間接傳熱式設備由于其優異的節能環保特性，在工農業生產中應用日益廣泛，蘭州天華化工機械研究院等單位在該領域已取得重大成就。這里介紹用于玉米酒精糟生產高蛋白飼料的旋轉圓盤干燥機和用于無機鹽行業的旋轉列管式干燥機烘干機。
    旋轉圓盤式和旋轉列管式干燥機的結構主要由四部分組成：①轉子系統。為干燥機的核心部件，不同種類的干燥機有不同的轉子結構。旋轉圓盤式干燥機的轉子由中空軸和焊接在軸上的數十只圓盤組成；旋轉列管式干燥機的轉子由兩端中空軸、封頭及數百根以一定方式排列的管子共同構成。它們的結構如圖13、圖14所示。運轉時轉子靠兩端軸承支撐：一端為固定軸承，另一端可以自由游動，協調轉子的軸向熱膨脹。轉子四周有翻動物料的抄板。②傳動系統。由主電機、減速裝置組成。③管路系統。由進汽管、排水管、調節閥門、金屬軟管和旋轉接頭等組成。④排風除塵系統。一般借助引風機排風，同時回收粉塵。
    在密閉干燥室內，由圓盤或管束組成的轉子緩慢旋轉，通過轉子的人口和出口中空軸導人導出熱介質。熱介質通過金屬壁將熱量傳導給待干燥的物料，物料吸熱增焓蒸發濕分。轉子周緣安裝有特殊的抄板，一方面不斷將物料翻起使之與金屬換熱表面接觸，另一方面抄板有一定的軸向傾角，將物料從人口端推向出口端。對不同的物料，改變干燥室長度、轉子轉速及抄板軸向傾角，使物料從人口到出口剛好完成干燥過程。蒸發的濕分則由頂部風機抽出。
    旋轉圓盤式和旋轉列管式干燥機都具有較高的熱效率。但相對而言，后者由于物料在光滑管間的軸向運動無任何約束，物料與加熱管的整體接觸率要小于旋轉圓盤式干燥機。一般加熱面積相同時，后者的整機傳熱系數要比前者大60%~70%。但旋轉圓盤式干燥機結構復雜，制造難度大，成本也高。
    傳導型干燥機的設計過程中，真實傳熱系數的分析計算以及轉子的強度校核是關鍵。從工作原理看，其傳熱系數的計算可歸結為平板或者管束在攪動的顆粒床上的熱傳導，根據Schlunder提出的“顆粒熱傳遞模型”知，移動加熱面與待干燥顆粒床間的熱傳遞現象主要受三個機制控制，即熱阻主要由以下三部分組成：①加熱壁與顆粒間的熱傳遞；②填料床內的熱傳導；③基體中由于顆粒運動引起的熱對流。將各部分熱阻疊加起來，就可以計算出總的傳熱系數。干燥機轉子系統中需進行強度設計的部件因干燥機類型的差異而有所不同。對旋轉列管式干燥機來說，其危險部位及校核內容主要為：①位于軸承支撐處的主軸應力；②轉子的剛度分析及最大撓度計算；③管子與管板聯接處考慮扭轉應力后的強度保證；④封頭在復雜載荷作用下的實際承載水平計算。由于該設備為非標準設備，在進行強度與剛度分析時，要首先進行合理的、趨于安全的力學模型簡化，然后針對力學模型進行分析計算。對于旋轉圓盤式干燥機，轉子強度的分析設計主要包括兩個部分：①承受內壓大直徑工作圓盤的強度分析；②承受內壓和彎曲扭轉載荷的中空軸的強度分析，實際計算中要通過簡化力學模型，計算主軸的撓度和最大應力。
3.4夾套反應囂的節能技術
    夾套反應器是化工生產中應用最廣泛的基本設備之一，該設備的節能技術改造意義十分重大。目前進行的節能更新改造主要包括三個方向：①通過夾套形式改進提高換熱效果，以達到節能目的。整體夾套一帶導流板的整體夾套一半圓管夾套一米粒點式蜂窩結構板式夾套一激光焊接蜂窩點夾套等一系列的改進，旨在改變介質流動狀態，提高總體傳熱系數副。②采用液氨在冷卻夾套內直接蒸發的夾套反應器，要比傳統的低溫鹽水、低溫乙醇水溶液冷卻節能20%以上。③采用先進的攪拌器。改進攪拌混合技術是節能的一個重要突破口。
4、結論
    節能與環保是21世紀科技發展的目標之一。化工生產作為我國耗能大戶具有很大的節能潛力，針對典型化工產品開發新工藝、采用過程集成技術優化工藝流程、開發高效單元操作設備、利用社會廢棄物經化工加工形成新的能源產品等都是國內外化工生產節能的主要研究方向。這既可緩解我國優質能源匱乏和人均能源占有率低下的現狀，也是建立“節約型社會”的客觀要求。