基于火用经济学的溶剂再生装置用能分析与优化

1、基于火用经济学的溶剂再生装置用能分析与优化*魏志强，张冰剑，陈清林（中山大学化学与化学工程学院/低碳化学与过程节能广东省重点实验室，广东 广州 510275）摘要：借助火用经济调优，对过程系统进行分解协调优化，通过计算各优化改进措施效益 O 与投资 I 的比 值，结合工程知识判断优化措施的取舍，发展了三环节分解协调优化策略。以某炼厂溶剂再生装置为背景， 在子系统优化基础上对溶剂再生过程实施了全局协调优化。针对再生塔回流比-塔板数权衡优化、再生塔再 沸器传热强化、再生塔操作参数优化、再生塔顶气低温热回收等优化措施进行分析评价与调优，调优结果 表明再生塔顶气低温热回收应予取消。研究表明，发展的火用

2、经济分解协调优化策略可使得装置能耗费用降 低约 35%，年操作费用降低约 25%。与传统的分解协调优化策略相比，具有更强的实际操作性，可广泛应 用于指导过程工业的能量综合优化。关键词：火用分析；火用经济学；分解协调优化；溶剂再生 中图分类号：TQ 028.8文献标识码：AExergoeconomic analysis and optimization for a solventregeneration unitWei Zhiqiang, Zhang Bingjian, Chen Qinglin*(School of Chemistry and Chemical Engineering/Key

3、Lab of Low-carbon Chemistry & Energy Conservation of Guangdong Province, Sun Yat-Sen University, Guangdong 510275, China)Abstract：Based on the traditional decomposing-coordinating optimization strategy, the value ofI/O is calculated, where I is the profit and O is the investment of the optimizat

4、ion measures. Combining with the knowledge of engineering, the decision for accepting or canceling the improving measure is given, and a new decomposing-coordinating strategy is developed. A global optimization for a solvent regeneration unit is achieved by applying the developed strategy. The impro

5、ving measures including trade-off of the reflux ratio and tray number, heat transfer enhancement of the reboiler, optimization of the operation parameters and recovery of the low temperature heat of the top vapor of the regeneration tower, etc were analyzed and evaluated. It is found that the recove

6、ry of the low temperature heat of the regeneration tower should be cancelled. The results illustrate that, the energy cost and the annual operating cost reduced by about 35% and 25%, respectively. Compared to the traditional strategy, the proposed strategy is more feasible, and can be widely used to

7、 guide the energy integration and optimization of process systems.Key words：exergy analysis; exergoeconomics; decomposing-coordinating optimization; solvent* 国家自然科学基金项目（20906106）及广东省科技计划项目（2010A080801003）资助。 第一 魏志强（1984），男，在读博士研究生，研究方向为过程能量综合优化；通讯联系人：陈清 林，Tel: email: chqlinmail.sysu.ed

8、u 。regeneration引言一直以来，改善过程系统能量利用效率的方法主要为基于热力学第一定律的能量分析法 与基于热力学第二定律的火用分析法。前者主要从能量转换的数量关系来评价过程和装置能 量利用的有效性，但不能反映用能过程不可逆性引起的能量贬值；后者则可通过追踪能量利 用过程中能量品质的变化，指出真正的用能薄弱环节以及用能优化改进的方向，已广泛应用 于过程系统的用能分析与优化改进1-3。由于节能措施的实施需要对设备投资与节能效益进 行权衡，最优化的用能方案并非以能量消耗最小或过程火用损最小为目标，而是以包括能耗 费用与设备投资费用等在内的总费用最小为目标，基于此，火用经济分析优化理论和方

9、法得 到了广泛的研究与应用4-6。特别是，基于三环节模型的火用经济分解协调优化策略已广泛应 用于炼油化工过程的能量综合优化。早期能量综合优化多为过程系统的局部优化，局部优化是全局优化的基础，但全局优化 不是局部优化结果的简单加和，针对于此，华贲等7基于过程系统三环节能量流结构模型与 火用经济学方法提出了的化工过程能量综合的火用经济调优法，通过火用分析指出过程系统用能 优化与改进的方向及措施，按照优化措施的功能分为 U、N、K、R 四类，以改进效益为目 标函数，通过计算措施效益 O、投资增量 I 及投资效益率 O/I，判定改进措施的取舍。 火用经济调优法的主要不足是缺少了能量系统三环节之间的协调

10、优化。与此同时，沈剑峰等8 提出了分馏塔网络能量综合优化的火用经济方法，通过分馏塔自身优化、再沸器和冷凝器优 化、三者协调、复合措施应用、火用经济学调优等步骤，形成了可应用于分馏塔系统的分解 协调优化策略雏形。陈步宁等9对过程系统按能量流结构分解并进行子系统优化，进而对全 局优化改进中各子系统之间的相互影响进行分析、探讨，归纳出分解协调优化策略收敛的准 则，提出了分解协调优化的步骤框图，但该框图缺少了对复合措施与火用经济学调优的考虑。 尹清华等10提出了改变工艺参数、能量升级、热功联产三类复合措施及相应的优化策略。 陈清林等11-12明确了能量利用、回收、转换三个环节的优化目标函数及优化策略，

11、细化了分 解协调优化的步骤。截至目前，火用经济学分解协调优化策略在 CGAM 问题13、喷雾干燥14、 芳烃分离15、延迟焦化16、催化烟气能量回收17等方面的应用已有文献报道，但缺乏进一 步的理论发展与实际应用推广研究。基于此，在前人研究的基础上，本文结合火用经济调优法发展了过程系统火用经济分解协 调优化策略。进一步的，以国内某炼厂溶剂再生装置为背景，通过实例研究验证了发展了的 过程系统火用经济学分解协调优化策略的优越性与现实可行性。并通过对设备投资与节能效 益的权衡，尝试评价溶剂再生过程用能的完善性及优化改进措施的现实可行性。1.火用经济学分解协调优化策略1.1三环节优化的目标函数 能量利

12、用环节是过程系统的核心部分，该环节以最小的物料与能量消耗或最大的生产利润为目标。假定在一定的生产流程与工艺条件下，物料消耗恒定，且与管理、劳动力有关的 其它费用不变，则能量利用环节优化的目标函数可写成10：min (Oe + Od ) = (ååcUi ExNij -åcOj ExOj ) + å Z Pj(1)ijjj从优化的目标函数可以看出：cui，coj 为利用子系统优化的边界约束条件，即利用子系 统的优化是在一定的能量转换与回收水平上进行的；与 ExNji，ExOj 及 ZPj 相关的变量可以选 作子系统优化的设计变量。选用适当的优化方法求解优化

13、模型得到 ExNji，ExOj 及 ZPj 的优化 值。能量回收环节的作用是将利用子系统中降质的能量加以回收再利用。其优化目标以最小10的回收驱动火用为代价，获得最大的待回收火用价 cO，即max cO = åcUi (ExRi + ExEi ) - (åcUi ExDi + å Z Rj )/ å ExOj(2)iijj式(2)表明：cUi，ExOj 为回收子系统优化的边界约束条件，即回收子系统的优化是在一 定的待回收火用与回收产品火用价前提下进行的；与 ExDi，ExRi，ExEi 及 ZRj 相关的变量可以选 作子系统优化的设计变量，以此获得 Ex

14、Di，ExRi，ExEi 及 ZRj 的优化值。能量转换环节是将外界供入的各种形式的能量转换成为工艺过程所需要的能量形式，其优化目标为最小的有效输出火用价 cUi10，即min cU= (åc pi Ex pi - åcBi ExBi ) + å ZUj / å(ExUi + ExDi )(3)iiji式(3)表明：cPi，ExUi，ExDi，ExBi 为回收子系统优化的边界约束条件，即回收子系统的 优化是在一定的输出产品 与外供产品火用价前提下进行的；与 ExP 及 ZUj 相关的变量可以选 作子系统优化的设计变量，以此获得 ExP 及 ZUj 的优化

15、值使得子系统的有效输出产品火用价最 小。1.2 发展的火用经济学分解协调优化框图 传统的过程系统全局的火用经济分解协调优化策略可表述为：(1) 在给定的 cUi，cOj 初值条件下相对独立地进行利用子系统的优化，得到约束条件下 的 ExNi 和 ExOj 优化值；(2) 在优化边界约束 ExOj 的前提下进行回收子系统的优化，确定回收循环火用 ExRi，回收 循环火用 ExEi 及回收驱动火用 ExDi 值，以此得到新的 cOj 值；，(3) 在新的边界条件 ExUi 及 ExDi 下，进行转换子系统的优化，导致 cUi 值变化；，(4) 若 cUi-cUi < ，cOj，-c<

16、则可输出优化结果，否则，在新的 c 与 c 值下重复以OjUiOj，上 3 个子系统的优化操作，迭代至满足 cUi-cUi < ，cOj-cOj < 则可输出优化结果。上述火用经济分解协调优化策略只是完成了子系统的优化与子系统之间的协调优化，得 到的结果为初步优化值，还需要进行复合改进措施、火用经济调优的步骤完成过程系统的全 局优化。文献8, 10认为复合改进措施主要涉及改变过程参数、采用能量升级措施、采用热 功联产措施三个途径。考虑采用复合措施后，部分过程参数发生变化，导致原有优化措施改 变，因此，可依据复合措施所涉及子系统，将复合措施分解，分别纳入能量利用、回收、转换三个子系统

17、进行优化。如芳烃分离过程8, 15，通过增加 B 塔压力，回收 B 塔塔顶气热量 作为 A 塔再沸器热源，涉及 B 塔能量回收与 A 塔能量利用子系统，采用该措施后，B 塔部 分参数改变，其优化措施应基于复合措施调整。由此可知，将复合措施分解，分别纳入能量 利用、回收、转换三个子系统进行优化是可行的。得到初步优化值后，需要依据实际工况与当前经济、环境条件对各优化措施采纳与否作 出判断,即进行全局方案的火用经济调优。全局方案火用经济调优是以全局最大投资利润率为目 标进行投资再分配的调优改进。投资利润率 r = O/I 是评价改进方案优劣的重要指标，其 中，I 为投资增量，O 为措施效益。本文借鉴

18、设备投资回收期计算的方法18，结合工程知 识判断各优化措施的取舍。综上，改进后的过程系统火用经济分解协调优化策略如图 1 所示，增加部分可表述为：参照基准工况及给定经济条件估算 cUi 与 cOj 初值(5) 计算各优化措施的效益 O、投资增量 I 及投资效益率 O/I，并结合工程知识判 定优化改进措施的取舍。一般认为，O/I 2，保留该措施；O/I 2，取消该措施。O/I 2，保留措施O/I 2，取消措施结束基础数采集，按三环节模型将过程系统分解成三个子系统进行火用分析协调变量值c = c ，UUic = c ，OjOj开始基础数据采集，按三环节模型将过程系统分解成三个子系统进行火用分析据能

19、量利用环节优化：基于 cUi 与 cOj 确定优化变量 ExNi 与 ExOj 值能量回收环节优化：基于 Ex 确定优化变量 Ex ，Ex ，Ex 的值及目标函数 c 的新值 c，OjDiRiEiOjOj能量转换环节优化：基于 Ex 与 Ex 优化给出目标函数 c 的新值 c，UiDiUiUjcUi Ui，-c < N c ，-c < Oj OjY输出优化结果计算每项措施的效益 I 及投资 O图 1 过程系统分解协调优化过程框图2. 实例研究2.1 溶剂再生工艺流程简介 溶剂再生是炼油厂重要的环保装置，由于属于非主体工艺装置，对于该装置的用能优化研究行对匮乏。考虑到溶剂再生装置直接

20、耗用蒸汽，其蒸汽耗量对炼厂能耗水平有一定影响， 以国内某炼厂年处理量为 500 万吨的溶剂再生装置为例，该装置耗用蒸汽约 50 t/h，约占全 厂能耗的 4%。因此，对溶剂再生装置实施能量系统综合优化具有重要的节能和环保意义。 溶剂再生塔带有简单的换热网络，应归属于简单蒸馏塔范畴。图 2 为国内某炼厂溶剂再生装置工艺流程简图。装置处理量为 50 t/h。来自上游装置的富胺液经贫富液二级换热器换热至 60 进入富液闪蒸罐，脱除溶解烃，闪蒸后的底液经贫富液一级换热器换热至 100 进入再生塔进行分馏。塔顶酸性气温位约为 110 ，经由空冷、 水冷冷却后进入酸性气分液罐，气相送至 Claus 单元的

21、原料酸性气入口，液相返回溶剂再生 塔顶部。再生塔底贫胺液温位约为 122 ，经一、二级贫富液换热器换热至 80 左右，进 一步冷却后送至溶剂储罐，返回上游脱硫装置。溶剂再生塔再沸器每小时耗用 1.0 MPa 蒸汽 3.0 t，0.35 MPa 蒸汽 2.0 t。通过能量的作用完成物料转换与分离的单元如富胺液闪蒸罐、再生塔、冷凝罐等属于能 量利用环节；完成不同种类能量转换的单元如再生塔再沸器、机泵等属于能量转换环节；用 于回收热量或冷却目的产品物流的换热器、水冷器、空冷器等属于能量回收环节。空冷水冷进料气态烃贫胺H2S1闪蒸罐；2溶剂再生塔；3冷凝罐；4贫胺液回收罐；5再沸器 图 2 溶剂再生装

22、置工艺流程简图2.2 装置用能现状分析基于溶剂再生装置运行数据，并借助流程模拟软件 PRO/II 对现场数据进行补充校正， 对溶剂再生装置进行能量分析与火用分析，能量计算结果见表 1，火用计算结果见表 2。表 1 溶剂再生装置能量分析计算结果表 2 溶剂再生装置火用分析计算结果项目kW/h项目kW/h项目kW/h项目kW/h项目kW/h项目kW/hEP6165EU5370EW795ExP1440ExU1290DKU20EN8855ER3485ET1240DJU130ExN1920ExR630EO7615EJ4130EJD480DT555ExO1365DKR190EJM1865EJC1785DK

23、R545由溶剂再生装置能量平衡与火用平衡计算结果，分析如下：（1）能量转换环节的能量转换效率 U=87.0%。直接损失的能量主要涉及蒸汽凝结水的 热量损失，凝结水的回收利用是装置节能的重点之一；能量利用环节中，工艺总用能达 8855 kW，偏高，通过工艺过程和操作条件的改进可以使得工艺总用能降低；能量回收环节的能 量回收率 R=45.8%，约 23.2%的待回收能量由冷却水冷却排弃，约 6.2%以散热形式排弃于 大气。因此，节能的重点在于减少冷却负荷，加强保温，通过换热流程优化调整尽可能增加 循环回收的能量 ER；（2）能量转换环节的火用效率 xU=89.6%，与能量转换效率接近，其中转换环节

24、过程火用 损耗约占总火用损的 15%，表明再沸器传热过程火用损耗具有一定优化潜力；能量利用环节中， 过程火用损耗率为 29.0%，远高于热力学能耗效率 14.0%，表明改善溶剂再生塔操作条件存在 一定的节能潜力；能量回收环节中，能流图指出热量冷却排弃与物流损失率为 47.9%，火用 分析结果表明该部分火用损失占 40.7%，回收环节过程火用损耗为 13.8%，表明对于能量回收环 节，其节能潜力主要表现在回收低温热量，减少冷却负荷。综上，对于能量转换环节，其节能潜力主要为强化再沸器传热；对于能量利用环节，其 节能潜力主要是优化改进溶剂再生塔操作条件；对于能量回收环节，其优化潜力主要表现为 回收低

25、温热，减少冷却负荷。基于上述火用分析，针对装置 3 个环节所存在的用能问题，提出以下改进措施：(1) 溶剂再生塔分离精度-塔板数-回流比三维权衡优化；(2) 对贫胺液中 H2S 含量与再生塔再沸器负荷进行权衡以降低工艺总用火用；(3) 通过设置低温热媒水系统回收再生塔顶物料热量；(4) 再生塔塔底再沸器采用 T 型翅片管强化再沸器传热。 以上措施中，(1)、(2)属于能量利用环节改进措施，(3)属于能量回收环节改进措施，(4)属于能量转换环节改进措施。2.3 溶剂再生装置分解协调优化依据当前能源价格，取 1.0 MPa 蒸汽价格为 140 ￥/t，0.35 MPa 蒸汽价格为 120 ￥/t，

26、 电价格取 0.5 ￥/kW.h，凝结水价格取 0.3 ￥/t。计算供入火用价、有效供入火用价及待回收火用 价列于表 3。表 3 cU 与 cO 火用价计算结果项目计算式能耗费用 ￥/kWcPc P= c P S E x P S + c P H E x P HEx P+ c P E E x P E0.60cUcO2.3.1 能量利用环节的优化（1）再生塔 R-NT 优化c U =c O =c P E x P + Z P UE x Uc U E x R - Z P RE x O0.720.23再生塔回流比-塔板数权衡优化结果见表 4。同时，依据当前设备价格，处理量为 50 t/h 的再生塔投资约

27、为 500 万元，报废期设为 10 年，年操作时间以 8000 h 计，参考蒸汽价格， 计算能耗费用、设备投资费用与总费用同列于表 4。由表 4 可知，综合考虑设备投资与能耗费用，最佳回流比 Ropt=1.27，塔板数为 24 块，比实际工况下再生塔理论塔板数多出 2 块。表 4 再生塔回流比-塔板数权衡优化参数表理论塔板数NT1820212224262830回流比 R1.551.451.431.361.271.271.271.18再沸器负荷kW29002810278027502700266526402615冷凝器负荷kW122011301100107010221020960935能耗费用 ￥

28、/h652630624616604595589584设备投资￥/h687578838998105113年度总费用 ￥/h750705702699693693694696（2）再生塔再沸器负荷优化 鉴于再生塔再沸器所耗用蒸汽为装置能耗费用的主要组成部分，同时考虑再生贫胺液中H2S 含量与再沸器负荷密切相关，基于此，对再生塔再沸器负荷与贫胺液中 H2S 含量实施权 衡优化。贫胺液中 H2S 含量不同对应的再沸器负荷变化见表 5。考虑工程限制约束：贫胺液 中 H2S 的含量不大于 0.15%。由表 5 可见，从节约能耗费用角度，贫胺液中 H2S 的最佳含量 为 0.15%。表 5 再生塔再沸器负荷与

29、贫胺液中 H2S 含量权衡优化参数表项目1234567贫胺液中 H2S 含量w%0.050.080.100.120.150.200.30再生塔冷凝器负荷kW366515001130475340325313再生塔再沸器负荷kW5350253028102135200019701915再生塔能耗费用 ￥/h13858056305254904804702.3.2能量回收、转换环节的优化 鉴于溶剂再生装置换热网络较为简单，优化潜力不明显，仅存在再生塔顶气低温热未回收，故能量回收环节的主要措施为设置低温热媒水系统回收再生塔顶物料热量，预计每小时 可多回收热量 100 kW。能量转换环节优化的主要措施为强化

30、再生塔塔底再沸器传热，预计优化改进后能量转换 环节的火用效率可由 89.6%提高至 92.0%左右。2.3.3 协调优化按照火用经济分解协调优化策略，在完成过程系统火用分析并提出各环节节能改进措施之 后，需要通过局部优化协调，以得到全局优化的改造方案。表 6 为溶剂再生装置的分解协调优化结果。表 6 分解协调优化结果cUi项目cOj能耗费用投资总费用￥×kW-1￥×kW-1104 /￥×a-1104/￥×a-1104/￥×a-1初始0.720.23855250110510.720.2369826195920.720.3262926589430.

31、650.3254426881240.650.27557926884750.650.275579268847第一次迭代对应措施为再生塔回流比-塔板数的权衡优化与再生贫胺液中 H2S 含量与再 沸器负荷的权衡优化。通过塔板数增加至 24 块，回流比降低至 1.27，H2S 含量控制在 0.15%， 再沸器负荷降低约 10%，使得工艺总用火用降低约 20%，待回收火用降低约 30%。表现为表 6中能耗费用的减小，同时由于塔板数增加导致设备投资有所增加。第二次迭代对应措施为再 生塔顶低温热的回收，假设回收的火用与回收循环火用价值相同，则回收火用价上升，由于需要 改造再生塔顶管线及添置换热器，故设备投资

32、有所增加。第三次迭代对应措施为强化再沸器 传热，强化后再沸器投资增加，同时鉴于有效供入火用减少，故有效供入火用价降低，回收火用 价降低。第四次迭代是考虑经第一轮优化后有效供入火用价、回收火用价与初始值不满足判据， 故进入第二轮优化，鉴于工艺利用环节不具有优化潜力，而通过分析发现，能量回收环节每 小时低温热回收量不足 100 kW，由此，回收火用价有所降低。至此，完成第二轮优化，有效供入火用价、回收火用价与本轮的初始值仍不满足判据，进入第三轮优化。第五次迭代中，各 个环节均不需要优化改进，因此，有效供入火用价、回收火用价与本轮的初始值满足判据，迭 代结束，输出优化改进结果。2.3.4 措施效益计

33、算表 7 为溶剂再生装置的各优化措施投资与效益的计算结果。表 7 各优化措施投资与效益计算结果投资 I措施效益 Or=O/I备注104 /￥×a-1104 /￥×a-1再生塔回流比-理论塔板数权衡优化11222.0accept再生塔操作参数优化0112/accept低温热回收441.0cancel强化再沸器换热35016.7accept由表 7 可知，对于能量利用子系统优化措施再生塔回流比-塔板数权衡优化和再生塔再 沸器负荷与贫胺液中 H2S 含量权衡优化，前者 r = 2.0，保留；后者由于无投资，r 趋于无穷 大，保留。对于能量回收子系统优化措施再生塔顶气低温热回收，r

34、 = 1.0，取消。对于能量 转换子系统优化措施强化再沸器传热，r = 16.7，保留。取消再生塔顶气低温热回收措施后， 优化结果见表 8。表 8 措施调整后分解协调优化结果cUicOj能耗费用投资总费用项目￥×kW-1￥×kW-1104 /￥×a-1104/￥×a-1104/￥×a-1结果0.650.2755792648433. 结论基于火用经济调优法与火用经济分解协调优化策略，将复合措施分解纳入能量利用、回收、 转换三个子系统分别进行优化，在过程系统初步优化后，对优化措施的取舍进行判断，形成 了改进的过程系统火用经济分解协调优化策略，并通过

35、实例研究验证了改进的过程系统火用经 济学分解协调优化策略的优越性与现实可行性。实例研究表明，应用改进的火用经济分解协 调优化策略对溶剂再生用能过程实施优化后，装置能耗费用可降低约 32%，年操作费用降 低约 24%。火用经济分解协调优化策略通过对设备投资与节能效益进行权衡优化和评价过程 系统用能的完善性及优化改进措施的现实可行性，可实现过程系统的全局优化，可广泛应用 于指导过程系统的能量综合优化。参考文献1 Ricardo R, Consuelo R, Salvador G. Exergy and exergoeconomic analysis of a crude oil combined

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38、pproach for analysis and optimization of energy systems.Energy, 1997, 22(11): 1071-10786 Aysegul A, Mehmet K. Exergoeconomic analysis and optimization of combined heat and power production: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(9): 2295-23087 华贲, 吴国东, 陈仲言等. 化工过程能量综合的火用经济学调优法. 化学工程, 1991, 19(2): 64-718 华贲, 沈剑峰. 分馏塔网络能量综合的火用经济优化方