化工过程中的余热回收与循环利用技术优化设计及应用研究

引言

化工生产涵盖众多复杂反应与操作流程，在消耗大量能源的同时，也伴随大量余热产生。据统计，化工行业余热排放量占总能耗的 30%60% ，这些余热若未得到有效回收利用，不仅造成能源的巨大浪费，还加重环境热污染。在全球积极推进“双碳”目标，倡导节能减排、绿色发展的大背景下，化工行业迫切需要挖掘余热回收与循环利用的潜力。对余热回收与循环利用技术进行优化设计并广泛应用，既能降低企业生产成本，又符合可持续发展理念，是化工行业实现转型升级的关键路径。深入研究该领域，对推动化工行业绿色变革、提升能源利用效率具有深远意义。

1 余热来源与特性

化工生产里面用到的技术五花八门，像分馏、裂化、合成这些都得用到，每种技术产生的余热也各有千秋。就拿分馏来说吧，塔顶冒出的蒸汽里头热量杠杠的，显热潜热都有，温度一般在几十到几百摄氏度之间；再看看裂化反应，那产生的高温烟气温度能飙到上千摄氏度，流量大，热量也高得吓人。这些余热的温度、流量和稳定性啥的，会受到生产负载、原料特性等因素的影响波动挺频繁，给余热回收增加了不少难度。

2 余热恢复与循环利用技术优化策略

2.1 降低系统运行成本的措施

降低余热恢复与循环利用系统运行成本是技术推广关键。措施如下：一是选经济高效设备，综合考虑初投和长期成本，如用高效换热器和节能电机；二是优化系统设计，合理布管、用模块化设计；三是实施智能化控制，引入自动化系统和算法实时监测调整；四是定期维护保养，建制度检查设备；五是能源管理与审计，评估效率、改进浪费环节；六是培训操作人员，提升其水平，减少人为失误。通过这些措施实现经济运行。

2.2 即时监控与智慧控制系统构建

用传感器、物联网和大数据这些高科技手段，制作一个能实时监控和智能控制的余热回收系统。在系统的关键位置装上温度、压力、流量等传感器，实时采集设备的运行数据，再把这些数据传到智能控制中心。智能控制系统用先进的算法对这些数据进行分析处理，根据生产情况和余热变化，自动调节设备的运行参数，比如调整换热器的换热面积、控制泵和风机的转速等，让余热回收系统运行得更高效、更稳定，确保在任何情况下都能保持高回收效率和稳定性。

2.3 新型分离技术替代

膜分离以及吸附分离这类技术由于能耗比较低且操作较为简单，正逐渐地替代传统的精馏技术，就像在天然气脱水这个环节当中，分子筛吸附工艺的能耗仅仅是三甘醇脱水能耗的 1/3，而在 CO₂捕集过程里，金属有机框架材料（MOFs）吸附技术能够在常温低压条件下实现高效分离，其能耗相比胺吸收法降低了 60% 。3.连续化生产替代间歇操作间歇生产由于频繁进行启停操作会致使能耗波动幅度较大，而连续化工艺能够实现能量的梯级有效利用。就拿聚合物合成这个例子来说，连续溶液聚合工艺的单位产品能耗相较于间歇釜式工艺降低了 20% ，并且产品质量的稳定性得到显著提高。

2.4 余热在化工工艺中的循环利用技术

（1）梯级余热回收利用。模块化梯级回热式清洁燃煤气化技术采用“梯级余热回收”，将粗煤气中的余热用于产生高温气化剂，实现“高温助燃”，提升冷煤气效率。该技术利用流态化反应器的优点，使原料煤中的挥发物充分分解，降低净化难度，同时对未完全转化的残碳二次利用，提高碳转化率。与传统固定床气化工艺相比，综合碳转化率从 70%80% 提升至 95% 99% ，综合冷煤气效率从 60%-70% 提升至 80%-90% ，热效率 gtreqless ，显著提高了能源利用效率。（2）基于夹点技术的换热网络优化。夹点技术通过分析整个化工系统的热量需求和供应情况，确定系统的最小公用工程消耗，从而优化换热网络。在某 60 万吨/年煤制甲醇过程优化项目中，利用夹点技术对换热网络进行优化，实现了系统用能的合理化，节能效果达 10%-30 % ，投资回收期在 1 年以内，有效降低了生产能耗。

3 余热回收与循环利用技术应用效果评估

3.1 能源利用效率提升评估

从实际案例来看，余热回收与循环利用技术显著提升了能源利用效率。如某化工企业实施余热发电项目后，能源自给率从 30% 提升至 40% ，减少了对外部电网的依赖。众多企业通过余热供暖和工艺循环利用技术，降低了生产过程中的能耗，单位产品能耗平均下降 15%-25% ，有效提高了能源利用的整体水平，缓解了能源紧张局面。

3.2 经济效益评估

余热回收与循环利用项目虽然初期需要一定投资，但长期来看经济效益显著。一方面，余热发电可减少企业用电成本，余热供暖可减少供暖燃料成本；另一方面，降低能耗和减少污染物排放可避免环保罚款，部分企业还能通过余热资源的合理利用增加产品产量或提高产品质量，从而增加销售收入。如某企业余热回收项目投资回收期为 2 年，之后每年可为企业节约成本 500 万元以上，提高了企业的盈利能力和市场竞争力。

3.3 环境效益评估

以二氧化碳减排量为主要环境效益评估指标，通过计算余热回收与循环利用技术实施前后因能源消耗减少而导致的二氧化碳排放量的变化，评估技术对温室气体减排的贡献。同时，可关注其他污染物如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等的减排量，以及对水资源节约等方面的影响，全面评估技术应用对环境的改善效果。例如，通过余热回收减少了煤炭等化石能源的消耗，从而相应减少了因燃烧产生的二氧化硫等污染物排放。

3.4 技术可靠性与稳定性评估

目前应用的余热回收与循环利用技术经过实践检验，具有较高的可靠性和稳定性。如余热发电设备在正常维护下可稳定运行多年，余热供暖系统能够满足长期稳定的供暖需求。随着技术的不断发展和创新，设备和工艺的可靠性与稳定性进一步提升，为化工企业大规模应用余热回收与循环利用技术提供了坚实保障。

结语

综上所述，化工过程中的余热回收与循环利用技术优化设计及应用，对化工行业的可持续发展至关重要。通过多种余热回收与循环利用技术的合理应用，结合系统集成优化、设备与工艺优化以及智能化控制与监测优化等手段，在能源利用效率提升、经济效益增长和环境效益改善等方面取得了显著成效。然而，化工行业在余热回收与循环利用领域仍有提升空间，需持续加大技术研发投入，攻克技术难题，降低技术应用成本，提高技术的普适性和兼容性。未来，随着技术的不断进步和完善，余热回收与循环利用技术将在化工行业得到更广泛应用，助力化工行业实现绿色、低碳、高效发展的目标，为全球节能减排和环境保护事业做出更大贡献。

参考文献

[1]王常平,程永,王啸天,等.基于 AIGC 技术的化工过程智能监控与优化系统设计[J].化学工程与装备,2024,(10):114-116+141..

[2]王永飞.电气节能技术在石油化工工程设计中的运用分析[J].中国石油和化工标准与质量，2019，39(03):210-211.

[3]陈欢,员一彬.基于智能化算法的化工过程自控仪表设计与优化研究[J].仪器仪表用户,2024,31(10):27-29+32.