Integration of energy recovery network including recycling residual pressure energy with pinch technology

Work exchange is a promising innovative technology in recovering residual pressure energy. However, at the systematic level, the comprehensive utilization of different energy resources in an energy system has become an issue of concern. In this work, a systematic approach is proposed, one that successively integrates heat, work and adjusts operation parameters. A detailed procedure for building a heat-work coupling transfer network is provided. The synthesis mainly consists of constructing a work exchange sub-network with pinch analysis based on positive displacement type work exchangers. Simultaneously, another kind of sub-network based on turbine-type work exchangers is built as a schematic comparison. The influence of applying a positive displacement work exchanger on the system is investigated. Finally, as a case study, a renovation design of a typical rectisol process in the coal-water slurry gasification section of an ammonia plant is presented. The results show that the added work exchanger has little impact on the existing heat exchange sub-network. Moreover,extra pressure energy is recovered by coupling the transfer network. It is concluded that the heat-work systematic design is a promising and powerful method to use energy more efficiently.

多周期常减压蒸馏装置换热网络用能变化与柔性优化

常减压蒸馏装置能耗在整个炼油厂中最高,优化其换热网络是节能的有效手段。考虑到所加工油品会发生变化,以往针对特定原油设计的换热网络在处理其他原油时表现不再最优。提出一种多周期柔性优化方法:首先对不同原油周期进行流程模拟,随后模拟现行换热网络,辨识夹点位置偏移,发现不合理用能发生位置,通过改变管路结构并调节换热匹配,提高换热网络柔性,消除部分共有的跨夹点传热。在某炼油厂的应用结果表明,多周期柔性设计可在周期1、周期2、周期3、周期4分别节约1421,880,3842,3421 kW的加热炉热负荷和等量的冷却负荷。对多周期换热网络用能变化规律的深入研究和柔性设计,可为炼油厂节能降耗做出更大贡献。

催化裂化装置建模及用能优化研究

利用Aspen Plus对某炼油厂4.20 Mt/a催化裂化(FCC)装置进行建模预测。基于所建模型提取装置冷热物流数据,利用夹点技术对整个装置进行换热网络分析,发现原FCC装置吸收稳定系统存在能耗高、热公用工程消耗大,原料油混合温差大,轻柴油、重柴油及产品油浆高质低用,除盐水终温较低,除氧器蒸汽消耗量大等问题。通过优化稳定塔回流比、补充吸收剂流量等方法降低吸收稳定系统负荷,优化分馏塔中段取热比例多产高品位蒸汽,并利用夹点技术优化装置换热网络。结果表明:优化后,可节省蒸汽量27.3 t h,相当于节能16603 tOE a(1 tOE=41.8 GJ)或23757 tCE a(1 tCE=29.27 GJ),减少二氧化碳排放量76457 t a,节能效果优异;同时,改造还减少FCC装置外送热媒水量300 t h,装置内利用热媒水10.27 MW的余热,减少了热量损失。

核热高温制氢系统换热网络设计与优化

核能因其无碳、稳定和高能量密度的突出优势,与高温蒸汽电解技术耦合具有极大的潜力。因此,本文建立了核热高温蒸汽电解系统仿真模型,基于夹点分析方法优化不同过热蒸汽温度和SOEC电堆入口温度下系统的换热网络。结果表明,提高过热蒸汽温度会略微提高系统最小输出热量,而提高SOEC电堆入口温度能有效降低系统最小输出热量。因此,提高电堆入口温度并降低过热蒸汽温度对系统效率更有利,系统效率最高为72.59%。

基于夹点技术的汽油加氢装置换热网络节能研究

为了保障炼油厂加氢炼化装置的有效运行、解决资源浪费现象,要基于现有的换热网络,利用夹点技术完成分析。通过数据换算以及模拟,可以了解夹点技术加氢电化装置换热网节能效果较佳,将夹点温差设置为20℃,可以计算出该装置的换热网络夹点温度为125℃。最小的工程计算量为10 449 kW,最小冷公用工程量为49 193 kW。由此可见,换热网络不合理情况执行的对应节能改造方案,可节能约57.89%的热公用工程以及27.76%的冷公用工程,有极佳的经济效益。

Retrofit of the Heat Recovery System of a Petroleum Refinery Using Pinch Analysis

Energy efficiency has become an important feature in the design of process plants with the rising cost of energy and the more stringent environmental regulations being implemented worldwide. In South Africa, as elsewhere, most process plants built during the era of cheap energy place little emphasis on the need for energy recovery due to the abundance of cheap utilities sources such as coal. In most of these plants, there exist significant potential for substantial process heat recovery by conceptual design of the heat recovery system. By maximizing heat recovery from the processes, there will be a reduction in the process utilities requirement and the associated environmental effects. Pinch analysis has been demonstrated to be a simple but very effective tool for heat integration and optimization of chemical plants. This study uses the pinch principle to retrofit the heat exchanger networks (HEN) of the crude distillation unit of an integrated petroleum refinery to evolve a HEN that features optimum energy recovery. The network was further relaxed by trading off energy cost with capital cost to obtain an optimal HEN topology not too different from the existing network. The simulation works were implemented in AspenPlus v8.0 environment. Analysis revealed that 34 per cent saving on energy usage per annum is realizable. This significant saving in energy also results in diminished gaseous pollutants associated with energy usage.

Simulation and heat exchanger network designs for a novel single-column cryogenic air separation process

To realize the industrialization of the novel single-column air separation process proposed in previous work,steady-state simulation for four different configurations of the single-column process with ternary(nitrogen,oxygen and argon)is developed.Then,exergy analysis of the single-column processes is also carried out and compared with the conventional double-column air separation process at the same capacity.Furthermore,based on the steady-state simulation of single-column processes,the different heat exchanger networks(HENs)for the main heat exchanger and subcooler in each process are designed.To obtain better performance for this novel process,optimization of process configuration and operation is investigated.The optimal condition and configuration for this process is consisted as:feedstock is divided into two streams and the reflux nitrogen is compressed at the approximate temperature of 301 K.In addition,HEN is optimized to minimize the utilities.HENs without utilities are obtained for the four different configurations of single-column process.Furthermore,capital costs of the HEN for different cases are estimated and compared.

宜昌市生态安全网络要素时空动态及其影响因素

生态安全网络是维持城市生态系统结构完整性与功能多样性的重要框架,连接其中的生态要素对协调城市建设与生态系统可持续发展具有导向性意义。以三峡大坝所在地宜昌市为研究对象,基于“源地识别-阻力面构建-廊道提取-节点分析”的网络范式,对2000—2020年不同生态安全网络要素的时空动态特征及其影响因素进行分析。研究结果显示:(1)基于核心区筛选、生境质量热点提取、景观连通性判断以及自然保护地检验等步骤综合识别的宜昌市生态源地在三个时期分别为43.41、49.03万hm~2和47.76万hm~2,集中分布在三峡库区水土保持区;生态廊道数量、里程及覆盖面积逐渐减少,其中廊道数量与里程集中在平原浅丘生态建设区,而廊道覆盖面积聚集在三峡库区水土保持区,生态夹点数量与面积先增后减,均集中在三峡库区水土保持区,生态障碍点集中在三峡库区水土保持区和平原浅丘生态建设区;(2)生态阻力结构自西向东逐渐增加,不同时期阻力值分别为38.90、42.19和40.66,平原浅丘生态建设区内生态阻力强度显著高于其他分区;(3)以降水量为代表的气候要素对生态源地空间分布驱动效果最为显著,土壤类型影响最为薄弱,不同影响因子之间以降水与其它因素的交互作用更加强烈。围绕宜昌市生态安全网络要素的时空异质性及其影响机制所展开的系统性论述一定程度上解释了地区生态安全现状的发展趋向与潜在挑战,为以三峡屏障构筑工程为代表的生态安全建设与管理工作提供了科学支撑。

高浓度甲缩醛生产过程换热网络优化

变压精馏工艺虽然是生产高浓度甲缩醛的主要方法,但该工艺存在能耗高的缺点。本文基于变压精馏分离甲缩醛和甲醇共沸物的工艺方法,利用Aspen plus软件对10万t/a高浓度甲缩醛生产过程进行模拟,基于模拟数据和Aspen Energy analyzer软件对该过程换热网络进行分析和优化。结果表明:在最小传热温差为10℃时,常规变压精馏工艺夹点温度为84.03℃(热物流)和74.03℃(冷物流),充分利用甲缩醛加压精馏塔塔顶物流潜热及塔底物流显热的换热网络节能效果显著,优化后的换热网络可节省热公用工程3.732 MW、冷公用工程3.701 MW,热节能率为33.68%。

基于电路理论的多尺度城市热环境网络构建及格局优化:以成都市中心城区为例

高密度、高强度的城市建设和扩张导致城市热岛效应不断增强,研究城市热环境网络格局以优化规划布局是改善城市热环境的有效方法。将形态学空间格局分析与电路理论相结合,立足多尺度,以成都市中心城区及其核心区为研究对象,选取连通性强的冷岛、热岛源地,根据景观格局特征与地表覆盖构建阻力面,运用Linkage Mapper识别廊道、冷岛障碍点和热岛夹点,并进行分级和评价,构建研究区热环境网络,提出多尺度下的格局优化建议。结果表明:1)中心城区尺度识别出23处冷岛源地、34条关键廊道、48处障碍点,廊道呈“串珠状”环绕研究区边缘分布,连通性和稳定性较弱;2)中心城区核心区尺度识别出34处热岛源地、81条关键廊道、98处夹点,廊道呈网状分布且普遍连通性较高,夹点是未来阻断热岛廊道连通的关键区域;3)研究区形成“两环多分支五组团多点”结构的城市热环境网络格局。研究结果可为成都市及其他城市的热环境改善提供科学参考,丰富电路理论在热环境领域中的应用。

水煤浆制氢装置换热网络优化

水煤浆制氢装置是炼油厂重要的氢气来源之一,采用夹点技术对某炼油厂水煤浆制氢装置换热网络进行分析,发现该换热网络存在热回收不充分、循环水消耗量大的问题,计算得到该装置的节能潜力为7723 kW。基于分析结果,根据夹点原则对该换热网络进行优化;优化改造后该换热网络可节约加热公用工程负荷7723 kW,每年可节约费用1152.4万元;该优化改造方案费用较低,回收期短,节能效果明显,经济效益大幅增加。

加氢裂化装置的能量回收及利用

运用夹点技术对加氢裂化装置的换热网络进行优化,利用Aspen Energy Analyzer V 8.4软件模拟换热网络曲线对换热网络的特点进行分析,提出相应的优化方案,并利用Aspen Hysys模拟软件对优化方案进行模拟。结果表明:该换热网络的夹点温度为147.2℃,装置换热网络最小热公用工程用量为7.72 MW,最小冷公用工程用量为8.39 MW,节能潜力仍有6.67 MW;通过采用新增1台换热器E 1(利旧),利用152℃的柴油给45.5℃的冷低分油换热的优化方案,可分别节约热、冷公用工程2.11,0.36 MW,热、冷公用工程节能效率分别为27.34%,4.29%。

国内换热网络综合方法研究进展与展望

换热网络作为大型工业企业的能量回收系统,对降低企业能耗、提高能量利用率具有重要作用,其设计方法一直是国内外学者的热点研究课题。本文介绍了我国换热网络综合方法的研究进展,对设计方法进行了分类阐述,分析了夹点设计方法、数学规划方法和优化算法的研究成果和存在问题。最后展望了同步综合方法和优化算法是未来的主要研究方向和重点,为指导综合方法的不断改进和实际应用服务。

换热网络操作夹点分析与旁路优化控制

换热网络夹点设计法是从设计的角度,针对某一给定的典型操作条件而进行的,而炼油化工过程的生产条件经常在一定范围内波动。在实际的生产中,换热网络的操作夹点和最小温差与设计值往往不尽相同,为换热网络的优化控制带来了一定困难。因而近年来对于换热网络夹点技术以及旁路优化控制方面的研究不断深入,但将夹点技术与换热网络控制集成的方法仍不成熟。本文从操作的角度求解并分析换热网络结构已定或网络正在运行情况下的操作夹点,定性分析操作夹点的变化规律,并提出在操作夹点附近设置旁路实现网络的旁路优化控制,从而将夹点技术应用于换热网络旁路优化控制中。实例仿真表明,这一旁路优化控制方法在满足控制要求的同时明显降低了网络的总公用工程,验证了其有效性。

氢气网络系统的夹点分析与匹配优化

针对炼化企业的氢气分配网络系统,以最小公用工程氢气用量为目标,综合考虑氢气流量、氢气纯度、有害杂质和压力限制等因素,采用氢夹点方法进行分析,提出了匹配原则对氢气网络系统进行优化。通过实例进行了优化分析与计算。研究表明:氢夹点法是氢气网络优化分析的有效方法,所提出的匹配原则可以实现氢气网络的优化。

夹点技术优化改造蜡油加氢裂化装置换热网络及有效能分析

针对某炼厂150万吨蜡油加氢裂化装置,采用单段串联+冷高分+常压塔+减压塔+轻烃吸收塔工艺流程,基于生产数据利用Aspen Plus软件对装置中反应部分和分离部分的各个单元模块进行模拟,通过参数的调整,使得模拟结果与标定数据达到很好的吻合,进而获得各个流股的热力学参数。结合夹点技术对其换热网络进行能效分析,进而找到该工艺流程中的用能"瓶颈",在不改变装置主要设备的前提下,对现有换热网络调优并模拟计算得到节能方案,同时利用有效能分析方法对改造前后换热网络进行用能评价。调优后,热公用工程用量为25709k W,相比原工艺流程节约了42.20%,冷公用工程用量为29863k W,相比原工艺流程节约了38.50%;总体来看改造方案相比原工艺流程节约了17.19kg EO/t的能耗。换热网络的总?损失也由原来的13530k W降低到8477k W,总?损失降低了37.35%。

换热网络设计方法的研究进展

本文概括分析了近年来在研究换热网络设计方面所取得的新进展。指出了夹点技术及其发展、双温差方法和分步优化方法的尚存缺陷，分析了围绕克服这些缺陷已采取的措施和进一步改进的方向。阐述了同步优化方法的优势和尚待改进的地方。指出目前已能从热力学、经济规模和“系统”的观点更全面地认识换热网络，从而设计高效、低费用的工业换热网络。

受网络夹点控制的装置的改造分析

本文分析了过程夹点和网络夹点的不同，指出了在改造过程中存在网络夹点，并且节能潜力受网络夹点的控制，同时提出了克服网络夹点的途径，即分流和调整换热网络结构。通过对某炼油厂润滑油加氢补充精制装置的分析，提出了不分流时克服网络夹点的方法，即同一温位的冷流体按热溶流率CP值减小依次被加热；同一温位的热流体按CP值减小依次被冷却。最后，文章对该装置提出了采用“一改动方案”的改造方案，节能效果和经济效益显著。

炼油厂中含氢气体排放的最小化与废氢资源化处置方案研究

针对炼油厂中低浓度氢气的资源化回收,提出了氢气网络系统中含氢气体排放最小化的步骤和方法以及废氢的资源化处置方案。以某炼化公司的氢气网络系统为例,阐述了所提出方法的实现步骤和实施方法。研究表明:对于炼油厂的氢气分配网络,该方法可以有效地降低低浓度含氢气体的排放,并显著地减少了氢气资源的浪费。

基于热损失的换热网络夹点设计法

现行的换热网络目标方法,在进行换热网络价格估算时,未考虑热物流的热损失。在真实的设计中,换热器壳体保温后仍与环境温度相差较大,则其热损失不可忽略。文章提出了一个新的基于热损失的换热网络夹点设计法,该方法首先以综合费用最小为目标确定出最小温差,然后建立问题表格确定出夹点位置及最小公用工程消耗,最后再进行换热网络设计。文中采用某石油常减压换热网络系统为典型算例对该方法的前两步进行了分析研究,论证了该方法的必要性及可行性。结果表明:该方法与基本Linnhoff夹点技术法估算的投资费用有较大的差距之外,在一定的最小温差下,其与基本Linnhoff夹点技术法确定的夹点位置不同,公用工程消耗也有较大的差距。