化工双碳之五：结构化蒸汽系统节能实施路径（1）

化工企业能源成本包含两大主要组成部分：蒸汽成本以及电力成本，所以化工企业节能减碳围绕蒸汽节能以及电力节能两个部分即可。电力节能围绕电机设备的节能，无非泵、风机、压缩机、制冷机这些通用设备，节能改造方法比较通用，市场上的合同能源管理以及节能服务商以这些通用电力设备节能为主。

蒸汽是化工行业主要热源与加热介质。对大部分化工企业来说，蒸汽成本（外购蒸汽或锅炉自产蒸汽）在总能源中成本中占据大头。蒸汽系统节能是真正有特色的化工行业节能技术，也是化工企业实施节能优化以及工艺优化时需要特别重点关注的地方。

热集成与换热器网络优化是蒸汽系统节能的一部分，很多化工节能教科书都会大篇幅地介绍热集成以及换热网络优化的内容。根据我自己的项目经验，我认为，热集成只是化工企业蒸汽系统节能优化实施的一个环节，教材上的热集成与换热网络优化的方法在绝大多数化工企业（不含石油炼化行业）并不适用，化工企业的化工工程师没有必要花大力气研究学习热夹点分析技术。化工企业蒸汽节能有更系统化和结构化的实施方案，从我负责的数十套装置的节能项目中，我总结了一套结构化蒸汽系统节能实施方法。

化工企业蒸汽系统节能结构化实施方法如下图所示，包含了8个步骤。这个实施步骤顺序的特点与原则是：从简单到复杂，从小投资到大投资。图中各个模块中的符号“$”代表了投资的相对大小。

这种结构化蒸汽节能实施方法以最小的投资获得最大的收益，避免节能项目一开始就投入巨大资金失去“摘取低垂果实“（Low-hanging fruit）的机会。我对一些典型项目结果总结如下图：对一个中等规模的化工企业，实施蒸汽系统结构化节能，在少量投资（<500万元）后，化工企业通常可以实现5-15%的蒸汽成本节降，效益通常每年千万级人民币。

一、化工企业节能应重点关注蒸汽系统节能

蒸汽系统节能是化工行业节能领域的最有特色的部分，也是最关键的部分。

首先，以蒸汽为主要加热介质是化工行业特性。化工反应以及分离过程的温度区间以100-250℃为主，这个温度区间蒸汽是最高效的加热介质；当然超出这个温度区间的过程需要采用如导热油、熔盐、烟气等加热介质。加热介质的选用原则，只要温度合适，优选蒸汽。蒸汽作为加热介质，具有安全、稳定、高效的优点，自然界中难以找到第二种物质能同时兼有这三种特性，天赐的最佳加热介质。 

其次，化工生产的分离过程以热分离过程为主（包含精馏、蒸发、干燥等过程），热分离要消耗大量蒸汽。这些热分离是整个工艺流程中的主要能耗部分，也是最有节能潜力的部分。由于全厂的热量与冷量处于一个平衡状态，蒸汽节能后工艺过程外部供热减少，意味着外部供冷也将减少，所以蒸汽节能一定伴随着冷却水与冷冻水系统的节电，一举两得。

再次，化工企业蒸汽节能效益显著，实施性价比远超电力节能。目前外购蒸汽成本约300元/吨，每小时节降1ton的蒸汽使用量，每年（8000小时）可节约240万元！在一个车间实现1ton/h的蒸汽节能量是很轻松的事情，甚至在单台精馏塔上也可轻松实现。但是如果一个车间，每年要节电100万元，并不是一件简单的事情，需要做很多变频改造工作。

最后，外部节能服务商难以进入化工企业蒸汽节能领域。蒸汽节能是蒸汽系统（产、送、用、收）的整体优化，在用的环节涉及到主生产工艺。只有精通主生产工艺流程以及操作运行原理后，才能在蒸汽使用环节做节能优化。这个特点说明，外部节能服务商无法进入这个领域（除非有极强的化工工艺专家，快速掌握甲方的工艺要点），只能依靠化工企业自己的工艺、设备、自控以及生产等技术部门自己完成。我也去过不少冶金与建材的企业，如钢铁、有色、玻璃以及水泥等，这些行业的工艺过程温度都超过1000℃，以直接火焰加热的炉窑为主。余热副产的蒸汽在这些行业反而是个负担，没地方使用。

二、蒸汽节能应覆盖蒸汽系统的产、送、用、回四个部分

蒸汽系统节能不能只关注生产车间内的蒸汽使用，应该覆盖整个蒸汽系统。一个完整的蒸汽系统包含蒸汽生产、蒸汽输送、蒸汽使用以及冷凝水回收四个环节。蒸汽生产指蒸汽锅炉车间，以及余热蒸汽锅炉。蒸汽用量大（一般大于100t/h)的化工企业通常会建锅炉车间，甚至带发电装置，做热电联产。在化工园区内的中小企业，通常有园区热电厂统一供应蒸汽，就没必要自建锅炉产蒸汽了。在节能上体现为提高锅炉热效率、蒸汽产用平衡调度等。

蒸汽输送包括蒸汽压力等级分配、降温减压、蒸汽管道输送等。蒸汽压力等级合理设定与分配至关重要，关系到全厂的热集成与余热锅炉配置；蒸汽输送节能也要关注蒸汽管道的保温以及管道排凝的疏水阀维护。

蒸汽使用指主生产车间内的使用蒸汽的工艺单元与设备，重点是反应器、换热器、精馏塔、蒸发器以及蒸汽驱动的透平机。蒸汽使用优化涉及到这些工艺单元的工艺、设备、自控等综合优化，也包含热回收和热集成。

冷凝水回收指蒸汽放热变成冷凝水后的冷凝水的水与热的再利用与循环回用，冷凝水系统节能包含疏水阀维护、冷凝水闪蒸、以及水循环等。

（未完待续，后文将对八个步骤进行介绍）