合成氨系统的能源利用及节能分析
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燃煤锅炉 + 空调 制冷 102 12 97 46 624 3 595 2 5 250 5 2 0 5/ kW h 2 6 8 20 8 624 5 1 4 1 8 制热 102 12 97 46 624 25 080 / 60 3 1 0 42/ kg 1 3 8 10 4 312 4
空调的 2 倍 , 随着供热规模的扩大, 地源热泵空调的 能效比还会提高, 其节能环保效果会愈加明显。
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吨氨耗电 / kW h!t - 1 47 828
3 用能效率分析 目前我国合成氨装置多数以煤为原料生产, 设 备投资大、 运行维护复杂、 各项成本高、 能耗大。煤、
节
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能
EN ERGY CON SERVA T IO N
2007 年第 11 期 ( 总第 304 期 )
到预期及使用要求, 比目前选用的普通柜机、 挂机效 果更好。在多数情况下, 能效比 ( COP 值 ) 约为其他
( 2) 单位综合能耗的计算。 单位综合能耗是以单位产量, 或单位产值所表 示的综合能耗量。即用企业同一计划统计期内合格 产品总产量除总综合能耗量; 或以企业同一计划统 计期内产品净产值除总综合能耗量。 总综合能耗量 单位 ( 产量 ) 综合能耗 = 产品总产量 合成氨 综合能 耗 = 370 408 953 9/ 288 155 = 1 285t 标煤。 ( 3) 可比单位综合能耗的计算。 可比单位综合能耗是为在同行业中实现能耗可 比所计算出来的综合能耗量。影响单位综合能耗的 可比因素很多, 如企业的产品构成 , 原材料与燃料的 品种和质量, 生产的工序等, 在可比单位综合能耗的 计算中应加以考虑。可比单位综合能耗只适用于同 行业内部相互比较 , 计算方法可在专业综合能耗计 算办法中予以具体规定
1 引言 针对某化工股份有限公司的能源利用情况, 包 括能源和原材料的管理概况, 计量及统计情况 , 生产 工艺流程 , 能源和原材料消耗指标计算分析, 主要耗 能设备运转效率 , 节能技改项目的经济技术评价分 析等 , 计算得出该公司的合成氨的综合能耗情况, 分 析能源利用和物料管理上的不足, 并加以改进 , 实现 更合理的能源优化配置及利用。 2 用能工序、 装置及主要设备的能耗状况 某公司是以油田天然气为原料 , 有年产 30 万 t 合成氨、 48 万 t 尿素的大型化肥生产装置。合成氨 装置采用美国凯洛格公司技术。有必要对公司的工 艺工序、 装置及主要耗能设备进行了解 , 了解过程包 括收集工艺流程图与现场观测结合 , 掌握能源、 物料 的流程情况。各个关键工序都要进行物料平衡和能 源的计算和审计。 综合能耗是指生产各种工业产品自投料开始到 制成品为止的整个生产过程所 消耗的各种能 源数 量, 只包括跟生产工业产品有关的各种能源消耗, 不 包括企业非工业生产所消耗的能源 , 即企业在计划 统计期内, 对实际消耗的各种能源进行综合计算所 得的能源消耗量。主要用能工序、 装置包括合成氨 装置、 尿素装置和芳烃装置。在统计能源和物料平 衡过程中 , 需要收集全面、 真实反映情况的能源统计 体系, 它包括审计期和对比期的总厂的产品年总产 量、 购入能源和消耗量、 企业计量状况统计表以及各 分厂、 分公司的工艺流程图、 主要耗能设备汇总表、 计量统计表、 物料平衡表。 2 1 以天然气为原料的合成氨工业的物料和能源平 衡计算数据 全面真实地了解合成氨工艺需要的各种物料、
表 3 各方案经济 性对比表
单项 使用面积 / m 2 需要功率 / kW 需要热量 / kJ 燃值 / kJ 能效比 COP 效率 / % 每小时能耗 / kW 电价、 煤价 / 元 每小时费用/ 元 每天工作时间 / h 每天费用 / 元 每月费用 / 元 每年工作月数 人工费 / 万元 每年运行费用/ 万元
燃气锅炉 + 空调 制冷 102 12 97 46 624 3 595 2 5 250 5 2 0 5/ kWh 2 6 8 20 8 624 5 1 4 2 1 制热 102 12 97 46 624 37 620 / 75 1 7 2 6/ m 2 4 42 8 35 36 1 060 8 4 制冷 102 12 97 46 624 3 595 4 9 490 2 6 0 5/ kWh 1 3 8 10 4 312 5 无 0 3 地源热泵空调 制热 102 12 97 46 624 3 595 4 3 430 3 0 5/ kWh 1 5 8 12 360 4
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2007 年第 11 期 ( 总第 304 期 )
合成氨系统的能源利用及节能分析
王 灿, 孙 铁 ( 辽宁石油化工大学 机械工程学院 , 辽宁 抚顺 113001)
摘要 : 通过对某化工股份有限公司的能源审计 , 对此过程中的能源和物料平衡分析所积累 的经验进 行总 结探讨 。 主要针对 合成氨装置的能耗情况进行分析 , 得出的计 算分析 结果能 合理反 映合成氨 装置的 能 源利用情况 。 关键词 : 合成氨 ; 能耗计算 ; 综合能耗 中图分类号 : T E646 文献标识码 : B 文章编号 : 1004- 7948( 2007) 11- 0024- 02
消耗能源以及回收能源及产品产量, 全面、 真实的数 据是进行物料和能源平衡有效计算的前提。 由于天然气的组分的不同, 热值不一样, 折和标 准煤时需要通过每个月天然气测得的平均热值进行 换算。以 2005 年全年的数据为例统计见表 1、 2、 3。
表 1 全年投入物料和产品产量
投入物料 天然气 / m 3 240 694 016 合成氨 / t 288 155 产品产量 二氧化碳 / m 3 213 073 236
企业、 车间或工艺的能源利用情况需要把生产 过程中计量出来的消费实物量折合成总综合能耗, 其他能耗指标包括单位综合能耗、 可比单位综合能 耗等。 2 2 综合能耗的计算 ( 1) 总综合能耗的计算。 总综合能耗是企业在计划统计期内消耗的各种 能源量, 经综合计算后得到的总能耗量。这里合成 氨总能耗量 = 天然气折标煤 + 消耗能源折标煤 - 回 收能源折标煤 。 天然气由于不同时间段组分不同, 通过测定的热 值算出其平均热值再折合标准煤。这里天然气的平均 热值是 35 955 238kJ/ m , 就能得出天然气的吨标准煤 折 标 系 数 35 955 238/ 4 186 8/ 1 000/ 7 000 =
[ 3] - 6
国家能源政策、 燃料价格的影响 ; 一次性投资及运行 费用会随着用户的不同而有所不同。如果长期单独 采用供Hale Waihona Puke Baidu或制冷系统, 则地下温度场会发生变化 , 对 生态环境的影响值得进一步研究与探讨。
表2
电力 / kWh 13 781 832 脱盐水 / t 935 352
全年消耗能源 ( 实物量 )
循环水 / t 111 932 923 中压蒸汽 / t 65 321 高压蒸汽 / t 1 548 185
表3
低压蒸汽 / t 68 088
全年回收能源 ( 实物量 )
中压蒸汽 / t 245 706 锅炉给水 / t 1 522 104
表4
原材料 ( 天然气) 折标煤/ t 275 120 74
各种能耗折成标准煤吨数
消耗能源 ( 电、 蒸汽、 水等) 187 790 350 6 回收能源 总综合能耗 ( 蒸汽、 水) 92 502 15 370 408 953 9
图1
2005 年总综合能耗对比图
通过对 2005 年 12 个月进行的统计和分析 ( 见 图 1) , 全年能耗基本上都在 37 5GJ/ t 以下 , 由于 10 月份大修之后造成 11 月、 12 月 能耗偏高。能耗水 平属于国内中上水平, 和国外先进水平对比, 节能潜 力达 22% 。由于合成氨厂是耗能大户并又属于放 热反应生产装置, 其中的大量热能以冷却水升温的 形式排出而浪费掉, 未能有效地形成结合全厂生产 装置用能情况的合理配置。合理利用不同品位的热 能 , 最大限度地利用好各装置的余热 , 加强合成氨装 置的设备管理 , 采用先进的控制系统实现关键参数 的自动跟踪调节, 自动调优工况 , 可以有效地降低合 成氨的综合能耗。 4 技改方向 合成氨成本中能源费用占较大比重, 合成氨生 产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、 充分回收 及合理利用能量上。 ( 1) 研制性能更好的催化剂。 日本、 俄罗斯、 英国、 美国、 意大利等国家的科研 人员投入大量 的精力和物力进行钌基 催化剂的研 究 , 以期用钌基催化剂取代铁基催化剂。这种催化 剂的开发成功是合成氨工艺的一个重大进步 , 它对 合成氨工业降低生产成本、 降低能耗有着十分重要 的现实意义。 ( 2) 降低氨合成压力。 优化氨合成系统压力, 实现低压合成 , 大幅度降 低产品电耗 ; 推广计算机集散控制系统, 实现装置的 安全稳产。 ( 3) 开发新的原料气净化方法。 ∀ 双甲# 工艺可使合成氨原料气中 CO+ CO 2 的 ( 下转第 54 页)
5 结论 该项技术经过一段时间的实际运行 , 在使用中 需要注意: ( 1) 提高冷冻水进水温度 , 即机组设定温 度提高到 20 ∃ 。室内风机盘管调到低速档 , 以利于 节电 ; ( 2) 最好采用夏天制冷、 冬天供热系统, 避免单 独采用供热或制冷系统, 以充分利用地源热泵的效 能, 也利于地下温度场的平衡。 地源热泵的应用会受到不同地区、 不同用户及 ( 上接第 25 页) 体积分数降至( 5~ 10) 10 。∀ 双甲# 工艺除具有 精制气体的功能外, 还利用变换后的 CO 脱碳后的 CO2 副产精甲醇 , 为化肥企业产品多样化提供了一 条新路。∀ 双甲# 工艺已在数家氮肥企业得到成功应 用, 具有投资少、 见效快、 节能降耗明显的优点 , 是一 项值得推广的技术 。 ( 4) 降低燃料消耗、 回收和 合理利用低位 热能 等。 提供预热温度较高、 温度波动较小的助燃空气 , 从而改善重油的燃烧状态, 提高火焰空间温度及烟 气温度。烟气温度的提高对于提高空气预热温度奠 定良好基础 , 使整个锅炉内燃烧达到一个良性循环 状态, 达到节能降耗之目的。对废热锅炉给水进行 预热 , 加大传热面积等 , 这样就减小了传热温差 , 在 废锅出口处水蒸汽的温度和压力就能提高, 则透平 机就能输出更多的轴功。合理利用了低位热能 , 这 样装置热能利用率就可提高。 现在已提出以天然气为原料的节能型合成氨新
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0 001 226 8, 把表 1 中 天 然 气 折 合 成 标准 立 方 米 240 694 016m
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油、 气三种 原料中, 以天 然气生产合成 氨的成本最 低。目前 世 界 先进 水 平 的天 然 气合 成 氨 能耗 为 29GJ/ t , 我国引进装置平均能耗约 37GJ/ t 。
0 931 7= 224 254 615m , 通过折合后
3
天然气标准立方米量乘以折标系数得出 275 120 724t 标煤。电折标煤系数1kWh= 0 000 404t标煤, 消耗电力 折 合 标 煤 13 781 832kWh 折 标 系 数 0 000 404 = 5 567 86t。脱盐水的年平均热值 3 378 93kJ, 循环水的 热值566 04kJ, 低压蒸汽的折标系数是0 101 1kJ/ t, 中 压蒸汽的折标系数是0 108 1kJ/ t, 高压蒸汽的折标系 数是0 111 6kJ/ t , 锅炉给水的折标系数是0 038 8kJ/ t。 折成标准煤后数据见表 4。
[ 2]
。
衡量合成氨的可比单耗指标主要有综合耗能、 吨氨耗天然气、 吨氨耗循环水等等。综合耗能 = 耗 能总量/ 氨产量 , 吨氨耗天然气 = 消耗天然气总量 / 氨产量, 吨氨耗循环水 = 消耗循环水总量 / 氨产量。 计算结果如表 5。
表 5 可比单位综合能耗
综合能耗 / G J! t - 1 37 673 吨氨耗天然气 / m 3! t778 423
空调的 2 倍 , 随着供热规模的扩大, 地源热泵空调的 能效比还会提高, 其节能环保效果会愈加明显。
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吨氨耗电 / kW h!t - 1 47 828
3 用能效率分析 目前我国合成氨装置多数以煤为原料生产, 设 备投资大、 运行维护复杂、 各项成本高、 能耗大。煤、
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2007 年第 11 期 ( 总第 304 期 )
到预期及使用要求, 比目前选用的普通柜机、 挂机效 果更好。在多数情况下, 能效比 ( COP 值 ) 约为其他
( 2) 单位综合能耗的计算。 单位综合能耗是以单位产量, 或单位产值所表 示的综合能耗量。即用企业同一计划统计期内合格 产品总产量除总综合能耗量; 或以企业同一计划统 计期内产品净产值除总综合能耗量。 总综合能耗量 单位 ( 产量 ) 综合能耗 = 产品总产量 合成氨 综合能 耗 = 370 408 953 9/ 288 155 = 1 285t 标煤。 ( 3) 可比单位综合能耗的计算。 可比单位综合能耗是为在同行业中实现能耗可 比所计算出来的综合能耗量。影响单位综合能耗的 可比因素很多, 如企业的产品构成 , 原材料与燃料的 品种和质量, 生产的工序等, 在可比单位综合能耗的 计算中应加以考虑。可比单位综合能耗只适用于同 行业内部相互比较 , 计算方法可在专业综合能耗计 算办法中予以具体规定
1 引言 针对某化工股份有限公司的能源利用情况, 包 括能源和原材料的管理概况, 计量及统计情况 , 生产 工艺流程 , 能源和原材料消耗指标计算分析, 主要耗 能设备运转效率 , 节能技改项目的经济技术评价分 析等 , 计算得出该公司的合成氨的综合能耗情况, 分 析能源利用和物料管理上的不足, 并加以改进 , 实现 更合理的能源优化配置及利用。 2 用能工序、 装置及主要设备的能耗状况 某公司是以油田天然气为原料 , 有年产 30 万 t 合成氨、 48 万 t 尿素的大型化肥生产装置。合成氨 装置采用美国凯洛格公司技术。有必要对公司的工 艺工序、 装置及主要耗能设备进行了解 , 了解过程包 括收集工艺流程图与现场观测结合 , 掌握能源、 物料 的流程情况。各个关键工序都要进行物料平衡和能 源的计算和审计。 综合能耗是指生产各种工业产品自投料开始到 制成品为止的整个生产过程所 消耗的各种能 源数 量, 只包括跟生产工业产品有关的各种能源消耗, 不 包括企业非工业生产所消耗的能源 , 即企业在计划 统计期内, 对实际消耗的各种能源进行综合计算所 得的能源消耗量。主要用能工序、 装置包括合成氨 装置、 尿素装置和芳烃装置。在统计能源和物料平 衡过程中 , 需要收集全面、 真实反映情况的能源统计 体系, 它包括审计期和对比期的总厂的产品年总产 量、 购入能源和消耗量、 企业计量状况统计表以及各 分厂、 分公司的工艺流程图、 主要耗能设备汇总表、 计量统计表、 物料平衡表。 2 1 以天然气为原料的合成氨工业的物料和能源平 衡计算数据 全面真实地了解合成氨工艺需要的各种物料、
表 3 各方案经济 性对比表
单项 使用面积 / m 2 需要功率 / kW 需要热量 / kJ 燃值 / kJ 能效比 COP 效率 / % 每小时能耗 / kW 电价、 煤价 / 元 每小时费用/ 元 每天工作时间 / h 每天费用 / 元 每月费用 / 元 每年工作月数 人工费 / 万元 每年运行费用/ 万元
燃气锅炉 + 空调 制冷 102 12 97 46 624 3 595 2 5 250 5 2 0 5/ kWh 2 6 8 20 8 624 5 1 4 2 1 制热 102 12 97 46 624 37 620 / 75 1 7 2 6/ m 2 4 42 8 35 36 1 060 8 4 制冷 102 12 97 46 624 3 595 4 9 490 2 6 0 5/ kWh 1 3 8 10 4 312 5 无 0 3 地源热泵空调 制热 102 12 97 46 624 3 595 4 3 430 3 0 5/ kWh 1 5 8 12 360 4
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2007 年第 11 期 ( 总第 304 期 )
合成氨系统的能源利用及节能分析
王 灿, 孙 铁 ( 辽宁石油化工大学 机械工程学院 , 辽宁 抚顺 113001)
摘要 : 通过对某化工股份有限公司的能源审计 , 对此过程中的能源和物料平衡分析所积累 的经验进 行总 结探讨 。 主要针对 合成氨装置的能耗情况进行分析 , 得出的计 算分析 结果能 合理反 映合成氨 装置的 能 源利用情况 。 关键词 : 合成氨 ; 能耗计算 ; 综合能耗 中图分类号 : T E646 文献标识码 : B 文章编号 : 1004- 7948( 2007) 11- 0024- 02
消耗能源以及回收能源及产品产量, 全面、 真实的数 据是进行物料和能源平衡有效计算的前提。 由于天然气的组分的不同, 热值不一样, 折和标 准煤时需要通过每个月天然气测得的平均热值进行 换算。以 2005 年全年的数据为例统计见表 1、 2、 3。
表 1 全年投入物料和产品产量
投入物料 天然气 / m 3 240 694 016 合成氨 / t 288 155 产品产量 二氧化碳 / m 3 213 073 236
企业、 车间或工艺的能源利用情况需要把生产 过程中计量出来的消费实物量折合成总综合能耗, 其他能耗指标包括单位综合能耗、 可比单位综合能 耗等。 2 2 综合能耗的计算 ( 1) 总综合能耗的计算。 总综合能耗是企业在计划统计期内消耗的各种 能源量, 经综合计算后得到的总能耗量。这里合成 氨总能耗量 = 天然气折标煤 + 消耗能源折标煤 - 回 收能源折标煤 。 天然气由于不同时间段组分不同, 通过测定的热 值算出其平均热值再折合标准煤。这里天然气的平均 热值是 35 955 238kJ/ m , 就能得出天然气的吨标准煤 折 标 系 数 35 955 238/ 4 186 8/ 1 000/ 7 000 =
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国家能源政策、 燃料价格的影响 ; 一次性投资及运行 费用会随着用户的不同而有所不同。如果长期单独 采用供Hale Waihona Puke Baidu或制冷系统, 则地下温度场会发生变化 , 对 生态环境的影响值得进一步研究与探讨。
表2
电力 / kWh 13 781 832 脱盐水 / t 935 352
全年消耗能源 ( 实物量 )
循环水 / t 111 932 923 中压蒸汽 / t 65 321 高压蒸汽 / t 1 548 185
表3
低压蒸汽 / t 68 088
全年回收能源 ( 实物量 )
中压蒸汽 / t 245 706 锅炉给水 / t 1 522 104
表4
原材料 ( 天然气) 折标煤/ t 275 120 74
各种能耗折成标准煤吨数
消耗能源 ( 电、 蒸汽、 水等) 187 790 350 6 回收能源 总综合能耗 ( 蒸汽、 水) 92 502 15 370 408 953 9
图1
2005 年总综合能耗对比图
通过对 2005 年 12 个月进行的统计和分析 ( 见 图 1) , 全年能耗基本上都在 37 5GJ/ t 以下 , 由于 10 月份大修之后造成 11 月、 12 月 能耗偏高。能耗水 平属于国内中上水平, 和国外先进水平对比, 节能潜 力达 22% 。由于合成氨厂是耗能大户并又属于放 热反应生产装置, 其中的大量热能以冷却水升温的 形式排出而浪费掉, 未能有效地形成结合全厂生产 装置用能情况的合理配置。合理利用不同品位的热 能 , 最大限度地利用好各装置的余热 , 加强合成氨装 置的设备管理 , 采用先进的控制系统实现关键参数 的自动跟踪调节, 自动调优工况 , 可以有效地降低合 成氨的综合能耗。 4 技改方向 合成氨成本中能源费用占较大比重, 合成氨生 产的技术改进重点放在采用低能耗工艺、 充分回收 及合理利用能量上。 ( 1) 研制性能更好的催化剂。 日本、 俄罗斯、 英国、 美国、 意大利等国家的科研 人员投入大量 的精力和物力进行钌基 催化剂的研 究 , 以期用钌基催化剂取代铁基催化剂。这种催化 剂的开发成功是合成氨工艺的一个重大进步 , 它对 合成氨工业降低生产成本、 降低能耗有着十分重要 的现实意义。 ( 2) 降低氨合成压力。 优化氨合成系统压力, 实现低压合成 , 大幅度降 低产品电耗 ; 推广计算机集散控制系统, 实现装置的 安全稳产。 ( 3) 开发新的原料气净化方法。 ∀ 双甲# 工艺可使合成氨原料气中 CO+ CO 2 的 ( 下转第 54 页)
5 结论 该项技术经过一段时间的实际运行 , 在使用中 需要注意: ( 1) 提高冷冻水进水温度 , 即机组设定温 度提高到 20 ∃ 。室内风机盘管调到低速档 , 以利于 节电 ; ( 2) 最好采用夏天制冷、 冬天供热系统, 避免单 独采用供热或制冷系统, 以充分利用地源热泵的效 能, 也利于地下温度场的平衡。 地源热泵的应用会受到不同地区、 不同用户及 ( 上接第 25 页) 体积分数降至( 5~ 10) 10 。∀ 双甲# 工艺除具有 精制气体的功能外, 还利用变换后的 CO 脱碳后的 CO2 副产精甲醇 , 为化肥企业产品多样化提供了一 条新路。∀ 双甲# 工艺已在数家氮肥企业得到成功应 用, 具有投资少、 见效快、 节能降耗明显的优点 , 是一 项值得推广的技术 。 ( 4) 降低燃料消耗、 回收和 合理利用低位 热能 等。 提供预热温度较高、 温度波动较小的助燃空气 , 从而改善重油的燃烧状态, 提高火焰空间温度及烟 气温度。烟气温度的提高对于提高空气预热温度奠 定良好基础 , 使整个锅炉内燃烧达到一个良性循环 状态, 达到节能降耗之目的。对废热锅炉给水进行 预热 , 加大传热面积等 , 这样就减小了传热温差 , 在 废锅出口处水蒸汽的温度和压力就能提高, 则透平 机就能输出更多的轴功。合理利用了低位热能 , 这 样装置热能利用率就可提高。 现在已提出以天然气为原料的节能型合成氨新
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2007 年第 11 期 ( 总第 304 期 )
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0 001 226 8, 把表 1 中 天 然 气 折 合 成 标准 立 方 米 240 694 016m
3
油、 气三种 原料中, 以天 然气生产合成 氨的成本最 低。目前 世 界 先进 水 平 的天 然 气合 成 氨 能耗 为 29GJ/ t , 我国引进装置平均能耗约 37GJ/ t 。
0 931 7= 224 254 615m , 通过折合后
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天然气标准立方米量乘以折标系数得出 275 120 724t 标煤。电折标煤系数1kWh= 0 000 404t标煤, 消耗电力 折 合 标 煤 13 781 832kWh 折 标 系 数 0 000 404 = 5 567 86t。脱盐水的年平均热值 3 378 93kJ, 循环水的 热值566 04kJ, 低压蒸汽的折标系数是0 101 1kJ/ t, 中 压蒸汽的折标系数是0 108 1kJ/ t, 高压蒸汽的折标系 数是0 111 6kJ/ t , 锅炉给水的折标系数是0 038 8kJ/ t。 折成标准煤后数据见表 4。
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衡量合成氨的可比单耗指标主要有综合耗能、 吨氨耗天然气、 吨氨耗循环水等等。综合耗能 = 耗 能总量/ 氨产量 , 吨氨耗天然气 = 消耗天然气总量 / 氨产量, 吨氨耗循环水 = 消耗循环水总量 / 氨产量。 计算结果如表 5。
表 5 可比单位综合能耗
综合能耗 / G J! t - 1 37 673 吨氨耗天然气 / m 3! t778 423