2024 年.第 4 期 張晨．多孔生物炭的制備、 改性及碳捕獲機理和應用前景研究 - 47 -

DAC能否降低大氣中CO2濃度進行了測試。目前，

DAC被視為一種可行的CO2減排技術(shù)。

DAC技術(shù)的主要優(yōu)勢在于可減少大量小型化石

燃料燃燒裝置和車輛CO2的排放。此外，與用于固

定源捕獲的CCS或CCUS技術(shù)相比，DAC裝置的布

局非常靈活。合理使用DAC技術(shù)在降低大氣CO2濃

度和實現(xiàn)負排放方面具有巨大潛力。DAC應用的關(guān)

鍵在于裝置的開發(fā)以及吸附劑的選擇，高效、低成

本的裝置有助于推廣 DAC 技術(shù)的全方位應用，同

時，高性能、壽命長的吸附劑也可以助推DAC應用

的發(fā)展。一般來說，物理吸附劑具有很強的再生能

力，但在室溫和大氣CO2濃度下，其吸附性和選擇

性較差。相反，化學吸附依靠化學鍵的強吸附作用

吸附效果較好，但其能耗高、脫附困難等不利條件

仍需要解決。由于DAC技術(shù)的實際開發(fā)需要多次吸

附和解吸循環(huán)，因此，兼具吸附性、選擇性和穩(wěn)定

性的材料對未來DAC技術(shù)的商業(yè)化至關(guān)重要。

盡管許多研究都報道了生物炭吸附 CO2 的可

行性，但生物炭作為 DAC 吸附劑的研究領(lǐng)域仍是

空白。目前，有關(guān)生物炭進行 DAC 應用的可行性

與穩(wěn)定性研究較少，但仍有數(shù)據(jù)表明較高的濕度會

降低生物炭在 DAC 吸附過程中的吸附效果與吸附

活性。研究表明，使用竹炭作為生物炭的前體并用

KOH 對生物炭進行活化后應用到直接空氣捕集中

是可行的，同時該實驗也探索了相對濕度對穩(wěn)定性

的影響[72]。結(jié)果表明，竹制生物炭是一種很有前途

的固體吸附劑，可直接用于空氣捕集CO2。KOH活

化竹制生物炭大大優(yōu)化了生物炭的形態(tài)和質(zhì)地，增

加了比表面積，從而提高了CO2的吸附能力。BBCKOH-1:1對CO2的吸附量最高，達到51.74 μmol/g

（400 mg/kg）和3.49 mmol/g（298 K，1 bar）。此外，

突破曲線的動力學模型表明，BBC-KOH-1:1對CO2

的吸附遵循擬一級吸附，而前驅(qū)體（BBC-Origin）

遵循擬二級吸附。同時，BBC-KOH-1:1在干燥條件

下顯示出穩(wěn)定的吸附能力，而高相對濕度則會損害

DAC 的性能，吸附能力在50 個循環(huán)后會顯著降低

至63.88%。

碳材料具有捕集碳的潛力，除了直接捕集空氣

中的CO2外，生物炭還具有降低成本和保護環(huán)境等

優(yōu)點 [69]。然而，生物炭在DAC 中的應用有限。用

PEI修飾的碳納米管在CO2壓力為0.003 5 bar時的吸

收率達到了1.068 mmol/g[70]。在少數(shù)報道的將碳材

料用作DAC吸附劑的案例中，都是用PEI對其進行

改性，以提高生物炭的CO2捕獲能力。盡管許多活

性炭和生物炭沒有經(jīng)過胺改性[71-72]，但其良好的孔

隙結(jié)構(gòu)、高度的協(xié)調(diào)性和廣泛的來源為其在 DAC

中的應用提供了巨大的潛力[73]。

3 結(jié)語

總體而言，隨著環(huán)境氣候的逐漸惡化，減少碳

排放、降低大氣中CO2濃度勢在必行。生物質(zhì)作為

一種新能源，具有產(chǎn)量高、環(huán)保、易改造、經(jīng)濟性

好等優(yōu)點，并在CCUS領(lǐng)域前景廣闊。

作為多孔吸附劑，生物炭材料主要依靠物理吸

附來捕獲CO2。物理吸附能力取決于生物炭材料的結(jié)

構(gòu)特性，研究表明，生物炭可以通過物理或化學活

化擴大孔徑，復雜的孔隙結(jié)構(gòu)更有利于表面改性，

目前僅限于使用含氮物質(zhì)進行表面覆蓋從而提高

CO2的化學吸附能力。對于固體吸附劑的表征測試，

生物炭的復雜結(jié)構(gòu)和復雜成分導致了表征方法的局

限性。不過，通過元素分析和結(jié)構(gòu)表征仍然可以橫

向比較生物炭材料的特性及其CO2捕獲能力。

目前，生物炭作為一種固體吸附材料已被大量

用于CO2捕集和直接空氣捕集。生物炭并非均質(zhì)吸

附材料，生物炭吸附CO2的過程機理尚未得到明確

解釋，過于復雜的生物炭結(jié)構(gòu)延緩了對吸附機理的

研究。此外，實際因素對生物炭CO2吸附能力的影

響有待考量。利用生物炭捕獲CO2的工業(yè)化實驗與

應用可能是未來研究 CO2捕集適用性的途徑之一。

生命周期性研究和經(jīng)濟性研究也會是豐富對生物炭

吸附CO2這一領(lǐng)域的全面分析。

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并計劃于2026年全面正式實施。我國每年有大量的

石化產(chǎn)品出口至歐美等發(fā)達國家和地區(qū)，這些地區(qū)

在碳標簽應用上起步較早，因此，中國的石化行業(yè)

如何積極應對、有效融入碳標簽制度國際趨勢，并

以此為契機推動行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展，顯得

尤為重要?；跉W美單方面標準制定的碳標簽一旦

形成技術(shù)貿(mào)易壁壘，將對我國石化產(chǎn)品參與國際競

爭造成掣肘[10]。

綜上，我國石化企業(yè)宜未雨綢繆，積極自主探

索碳標簽認證方法。一方面，通過提前熟悉碳排放

核算流程，更好地掌握產(chǎn)品碳排放現(xiàn)狀，為制定針

對性減排策略提供數(shù)據(jù)支持；另一方面，積極積累

應對歐美對產(chǎn)品開展碳標簽認證的技術(shù)經(jīng)驗，將有

助于我國石化行業(yè)在一定程度上規(guī)避國際貿(mào)易碳壁

壘，穩(wěn)定出口貿(mào)易，并進一步提升我國石化產(chǎn)品國

際市場競爭力。該項研究的階段性成果，對于我國

石油化工產(chǎn)業(yè)加速實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標具有重

要探索意義。

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（上接第 31 頁）

摘? 要：梳理了在電動汽車產(chǎn)業(yè)進入紅海競爭階段，插電混合動力和固態(tài)電池等不同技術(shù)對電動汽車續(xù)航能

力的影響技術(shù)進度，對PHEV車型需求趨勢進行研判。綜合對充電站發(fā)展現(xiàn)狀的分析，通過演繹法

從充電客戶端和充電站端分析電動汽車續(xù)航能力提高對汽車行業(yè)和充電站發(fā)展帶來的影響，分別針

對私家車客戶、公務(wù)車客戶、小型運營車客戶、公共及特種車輛客戶、重卡等大型車輛客戶等5類

客戶群體，從居住地充電、第三方充電運營平臺、道路充電站和定點充換電站的需求角度進行了深

入剖析，提出了充電站發(fā)展的四大趨勢，具有一定的指導意義。

關(guān)鍵字：發(fā)展趨勢 電動汽車 充電站 固態(tài)電池 插電混合動力

電動汽車續(xù)航突破 2000 公里背景下

充電站發(fā)展趨勢分析

張振

（中國石化廣東石油分公司，廣東廣州 510620）

收稿日期：2024-06-10

作者簡介：張振，工程師。2007 年畢業(yè)于青島科技大學機械工程及自動化專業(yè)。主要從事加油站工程項目管理工作。

通訊聯(lián)系人：張振，zhangzh.gdsy@sinopec.com。

Analysis of the Development Trend of Charging Stations in the Context

of Electric Vehicle Range Exceeding 2000 Kilometers

Zhang Zhen

（SINOPEC Marketing Guangdong Company，Guangzhou，Guangdong 510620，China）

Abstract: This article sort out the technological progress of the impact of different technologies such as plug-in

hybrid and solid-state batteries on the endurance of electric vehicles in the competitive stage of the electric vehicle

industry. It also conducts a thorough analysis of the increasing sales proportion of PHEV models in the electric

vehicle industry. Based on a comprehensive analysis of the current development status of charging stations, the

impact of improving the range of electric vehicles on the automotive industry and the development of charging

stations is analyzed through deductive methods from both the charging client and charging station. Five customer

groups, including private car customers, government car customers, small operating car customers, public and

special vehicle customers, and large vehicle customers such as heavy-duty trucks, are analyzed in depth from the

perspectives of residential charging, third-party charging operation platforms, road charging stations, and fixed-point

charging and swapping stations. Four major trends for the development of charging stations are proposed, which

have certain guiding significance.

Keywords: development trend；electric vehicle；charging station；solid state battery；PHEV

2024 年 8 月·第 9 卷·第 4 期 >> 清潔能源 <<

石油石化綠色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

引用格式：張振 . 電動汽車續(xù)航突破 2000 公里背景下充電站發(fā)展趨勢分析 [J]. 石油石化綠色低碳，2024，9（04）：52-57.

2024 年.第 4 期 張振．電動汽車續(xù)航突破 2000 公里背景下充電站發(fā)展趨勢分析 - 53 -

1 電動汽車續(xù)航能力技術(shù)進展

1.1 電動汽車產(chǎn)業(yè)已進入紅海競爭階段

傳統(tǒng)燃油汽車主要依賴石油產(chǎn)品作為動力源，

石油資源受稟賦限制對外依存度較高。發(fā)展電動汽

車可減少對石油產(chǎn)品等傳統(tǒng)化石能源的依賴，保障

國家能源安全，減少大氣污染，同時推動產(chǎn)業(yè)升級

與經(jīng)濟發(fā)展。

電動汽車逐步滲透市場。近年來，隨著國民

經(jīng)濟水平提升和居民消費能力增強，更多家庭擁有

購車需求及能力。在國家層面的鼎力扶持與戰(zhàn)略推

動下，相較傳統(tǒng)燃油車，電動汽車具有更低的用車

成本、更好的駕駛體驗和較高的智能化技術(shù)，正以

較高性價比逐漸改變?nèi)藗冑徿嚪较颍?024 年市場

滲透率有望達到40%[1]。目前，國內(nèi)崛起了數(shù)十家

電動汽車品牌，包括傳統(tǒng)品牌如比亞迪、長城、吉

利等，造車新勢力企業(yè)如蔚來、小鵬、理想、小米

等，市場競爭愈發(fā)激烈。

續(xù)航突破、治愈“補能焦慮”，沖擊市場。電動

車充電效率遠不及燃油車加油效率是業(yè)內(nèi)外共識。

為此，各企業(yè)大力推動技術(shù)進步，發(fā)展出超充技

術(shù)，有的研究固態(tài)電池，近期電動汽車領(lǐng)軍企業(yè)比

亞迪兩款新車型——秦L和海豹06（均屬于插電混

合動力技術(shù)路線的電動汽車），其百公里虧電油耗

2.9 L，綜合續(xù)航里程更是達到2 100公里，引發(fā)汽

車和充電行業(yè)熱議，給傳統(tǒng)燃油車及純電車市場帶

來沖擊。

1.2 插電混合動力技術(shù)進展

1.2.1 市場表現(xiàn)

插電混合動力汽車（PHEV）自 2021 年起進

入市場化發(fā)展階段，規(guī)模呈爆發(fā)式增長。特別是

2022年，增速超過純電汽車，市場滲透率達6.2%[2]。

2020—2023年，國內(nèi)插混車型銷量增長了10倍，滲

透率由1.1%增至11.1%。由乘聯(lián)會數(shù)據(jù)，2024年1—

4月插電式混動車型銷量增速達84.5%，遠高于同期

純電動車12.8%的增長率，在新能源車領(lǐng)域的市場

份額已達到41.4%。6月中國汽車工業(yè)協(xié)會等發(fā)布的

《2024新能源汽車消費洞察報告》顯示，2024年新

能源車意向購買用戶已與燃油車旗鼓相當，插電混

動車型的擁躉排名第一，如圖1所示。

1.2.2 技術(shù)分析

PHEV 技術(shù)優(yōu)劣主要從“混動架構(gòu)、變速箱、

發(fā)動機、動力電池、電驅(qū)動”5個方面分析。從混

動架構(gòu)發(fā)展來看，雙電機串并聯(lián)的配置已被廣泛采

用，且該系統(tǒng)正逐步向多檔化轉(zhuǎn)變，以規(guī)避如比

亞迪DM技術(shù)（單檔位）的專利限制；同時，根據(jù)

GB19578《乘用車燃料消耗量限值》要求，為實現(xiàn)

2025年普通家用車4 L/百公里的平均油耗水平，混

動發(fā)動機技術(shù)也在不斷進步，目前已有量產(chǎn)發(fā)動機

的熱效率超過43%（比亞迪為46.04%）。展望未來，

通過超稀薄燃燒、余熱回收、主動預燃室及全附件

電動化等先進技術(shù)的應用，預計到2030年，發(fā)動機

熱效率有望達到50%，油耗會進一步降低；在動力

電池領(lǐng)域，磷酸鐵鋰電池因其成本優(yōu)勢和性能的持

續(xù)提升，電池容量的快速增長也推動車輛純電續(xù)航

里程顯著提升；而電驅(qū)動技術(shù)方面，未來的發(fā)展趨

勢將集中在集成化、輕量化和高效化三方面，以實

現(xiàn)更優(yōu)異的性能表現(xiàn)和更低能耗。

車輛續(xù)航達到2,000公里并非初露端倪。2017

年，本田MMD混動技術(shù)的雅閣最高續(xù)航紀錄達到

2 110.2公里；2023年，雅閣eHEV達到2 132.7公

里[3]。但比亞迪憑借全產(chǎn)業(yè)鏈布局、技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新、

成本控制優(yōu)勢將頂級續(xù)航能力的電動汽車售價拉低至

10萬元以內(nèi)，成為電動汽車行業(yè)的里程碑事件。

1.3 固態(tài)電池技術(shù)進展

1.3.1 行業(yè)現(xiàn)狀

固態(tài)電池技術(shù)的突破將推動電動汽車行業(yè)飛速

發(fā)展。目前純電汽車的續(xù)航能力受限于傳統(tǒng)的三元

鋰電池和磷酸鐵鋰電池，成為純電車型發(fā)展短板。

固態(tài)電池體積能量密度較液態(tài)鋰電池可提升超過

70%，從而顯著提升電動車的續(xù)航里程；固態(tài)電池

圖1 不同動力類型新能源車消費偏好

氫能源

及其他

插電混合

動力汽車

純電動

汽車

增程式混合

動力汽車

41.42%

31.15%

17.82%

9.61%

- 54 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

在大電流工作環(huán)境下自燃風險更低，且簡化了傳統(tǒng)

電池封裝過程。美國QuantumScape公司的固態(tài)電池

研發(fā)成果預示著未來量產(chǎn)的固態(tài)電池續(xù)航里程有望

達到2 000公里，且僅15分鐘即可充電至80%，使

用壽命更是超過100萬公里[4]。固態(tài)電池的出現(xiàn)正

在扭轉(zhuǎn)純電汽車的不利局面。

全球范圍內(nèi)，固態(tài)電池的應用尚起步，行業(yè)發(fā)

展亟待政府指引和扶持。自2010年以來，全球鋰電

池研發(fā)與制造強國如中國、日本、美國、韓國、德

國等已陸續(xù)出臺系列政策，旨在通過提高能量密

度、增強安全性能、優(yōu)化成本控制等具體目標，推

動鋰電池產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)有技術(shù)工藝基礎(chǔ)上持續(xù)創(chuàng)新，并

加強對新一代高性能鋰電池體系的研發(fā)力度。2020

年，中國首次在政策層面明確提出發(fā)展固態(tài)電池的

重要性，國家發(fā)改委在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

（2021—2035 年）》中強調(diào)“要加快固態(tài)動力電池

技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程”。2023年1月，工信部、

教育部、科技部、人民銀行、銀保監(jiān)會、能源局聯(lián)

合發(fā)布《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》，

要求加速固態(tài)電池的研發(fā)進程，強化固態(tài)電池標準

體系的研究。這些政策為固態(tài)電池行業(yè)的未來發(fā)展

提供了明確方向和堅實支撐。

1.3.2 固態(tài)電池技術(shù)分析

短期內(nèi)固態(tài)電池領(lǐng)域固—固界面高阻抗與低離

子電導率等固有難題亟待解決，以確保技術(shù)的穩(wěn)步

推進。為此，半固態(tài)電池技術(shù)作為滿足市場需求的

過渡方案，已在國內(nèi)市場得到廣泛認可，2024 年

將大規(guī)模裝載應用。從長遠來看，全固態(tài)電池是學

術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界共同追求的終極目標。要實現(xiàn)這一目

標，必須深入研究和解決全固態(tài)電池失控/ 失效機

制、鋰金屬枝晶生長機制與抑制方法，以及固態(tài)電

解質(zhì)體相與表界面鋰離子輸運機制等關(guān)鍵科學問

題[5]。這些問題的解決是固態(tài)電池商業(yè)化應用的必

要前提。鑒于近年來鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的新增產(chǎn)能集中

且投資巨大，固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝應盡量兼容現(xiàn)有

工藝設(shè)備，以減少技術(shù)改造和應用推廣成本。此

外，高鎳三元正極和硅基負極等先進材料顯示出廣

闊的應用前景，固態(tài)電池在發(fā)展過程中也應努力與

之兼容，從而在性能上形成更大的競爭優(yōu)勢。預計

全固態(tài)電池將在2030年實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)裝車[6]。

整車質(zhì)量低及補能效率高利好 PHEV 車型。

目前，市面上主流的鋰離子電池能量密度大約在

150～250 W·h/kg，固態(tài)電池能量密度最高可達到

720 W·h/kg；從技術(shù)發(fā)展來看，未來也難以達到汽

油的能量密度級別（10 000 W·h/kg）。以固態(tài)電池

為動力的純電車型與 PHEV 車型相比在整車質(zhì)量

（對續(xù)航里程有影響）及補能效率方面相差甚遠。

1.4 PHEV 車型在電動汽車行業(yè)的銷售占比將越來

越高

第一，純電續(xù)航能力分析。目前市場主流PHEV

車型純電續(xù)航一般在100～200 km，可滿足絕大多

數(shù)私家車客戶日常通勤需求；如僅充電使用，與純

電車用車成本一致。

第二，綜合續(xù)航能力分析。當PHEV車型續(xù)航

逐步提高至2 000 km左右時，即使僅純油使用成本

也大幅下降，實現(xiàn)特定條件下的“油比電低”。假

設(shè)92#

汽油價格8元/升（6月13日國內(nèi)油價調(diào)整窗

口開啟后基本不超過7.87元/升），按比亞迪秦L車

型虧電油耗 2.9L/ 百公里（據(jù)行業(yè)標準測試，并經(jīng)

車主實測驗證），則每公里花費：2.9×8÷100 ＝

0.232 元。純電汽車測算以廣州 7 月工商業(yè)用戶兩

部制電價表為電價基準，以工信部、財政部、稅務(wù)

總局三部門發(fā)布的《關(guān)于調(diào)整減免車輛購置稅新能

源汽車產(chǎn)品技術(shù)要求的公告》中可享受減免政策的

18.2 kW·h/百公里（整車整備質(zhì)量2 000 kg時，舉例

比亞迪秦L為2 035 kg、蔚來ET5為2 165 kg）作為

電耗標準，測算結(jié)果如表1所示。

表 1 純電汽車單位里程充電費用比較

項目

分時分量電價 / 元

尖峰 高峰 平 谷

廣州兩部制工商業(yè)用電 1.416 9 1.138 9 0.681 4 0.276 2

私樁 0.257 9 0.207 3 0.124 0 0.050 3

廣州充電站服務(wù)費 0.13 0.13 0.24 0.3

充電站 0.281 5 0.230 9 0.167 7 0.104 9

對比可以看到，單公里花費方面，純油PHEV

車已低于純電尖峰段，接近充電高峰段。跑長途

時，純油PHEV車油耗將進一步降低；純電車電耗

將增加，且高速服務(wù)區(qū)充電站價格一般為城市充電

站的2～3倍，如在高速充電，花費將超過PHEV車

型。同時，考慮到使用燃油的便捷性，對時間效率

2024 年.第 4 期 張振．電動汽車續(xù)航突破 2000 公里背景下充電站發(fā)展趨勢分析 - 55 -

也較為在意的小型營運車客戶會轉(zhuǎn)移電動汽車的車

型選擇意向，尤其是所在城市充電站服務(wù)費價格高

或夜間充電不便利的客戶。對于私家車主，雖長途

出游頻次較少，但近年節(jié)假日高速堵車成常態(tài)，進

一步影響私家車主選擇。

綜上所述，在固態(tài)電池技術(shù)未取得較大突破及

大規(guī)模量產(chǎn)前，PHEV車在電動車的銷售占比將越

來越大。PHEV車可以完全不依賴充電，這將對充

電站發(fā)展產(chǎn)生一系列影響。

2 充電站發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)公安部統(tǒng)計，截至 2024 年 6 月底，全國電

動汽車保有量已達到 2 472 萬輛，占汽車總量的

7.18%，較2023年底顯著增加。2019年至今，我國

電動汽車保有量年均增長1.94倍。全行業(yè)對充電基

礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力給予極高關(guān)注。

2.1 充換電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展情況

據(jù)乘聯(lián)會最新數(shù)據(jù)，截至 2024 年 6 月底，我

國充電基礎(chǔ)設(shè)施保有量 1 024.3 萬臺。其中，公共

充電設(shè)施為312.2萬臺，私人設(shè)施712.1萬臺，分占

三、七成。公共充電樁中，交流樁173萬臺，直流

樁 139.2 萬臺，分別占比 55.4% 和 44.6%。2024 年

上半年充電基礎(chǔ)設(shè)施增量為 164.8萬臺，同比上升

14.2%。其中，公共充電基礎(chǔ)設(shè)施39.6萬臺，同比

上升12.7%；私人充電基礎(chǔ)設(shè)施125.2萬臺，同比上

升14.7%。不過部分地區(qū)的公共充電樁增速已明顯

放緩。例如，至4月底廣東擁有57.56萬個公共充電

樁，占全省近1/5份額，2024年1—4月其公共充電

樁數(shù)量增長僅 1.2 萬個，同比增速暴跌 80%；目前

北京有13.4萬個公共充電樁，其中今年新增0.5萬

個，規(guī)模較大且仍在平穩(wěn)增長。通過以上數(shù)據(jù)得出

以下結(jié)論：

（1）我國充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與電動車高速增長

密切相關(guān)，且處于快速增長階段，總體仍存進一步

發(fā)展空間；但一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)初步趨近飽和。

（2）充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)兼顧了快充和普充需求。

（3）私家電動車需求不斷增加，進而推動私家

充電設(shè)施快速發(fā)展。其充電樁數(shù)量呈持續(xù)增長趨勢，

說明私家車主越來越重視便捷的充電解決方案[7]。

2.2 充電站運營模式

充電站運營模式主要分三類，即充電運營商主

導、車企主導 合作、第三方充電服務(wù)平臺主導。此

外，充電站運營存在馬太效應，行業(yè)集中度高。

充電運營商主導模式。由特來電、星星充電

等專業(yè)運營商以及能源、電網(wǎng)系公司主導，負責充

電站的投資建設(shè)及運營維護，并直接面向用戶提供

便捷的充電服務(wù)。這種模式的運作在前期需要對場

地、充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施進行大量投資，屬于重資產(chǎn)

運營，對企業(yè)的資金實力、綜合運營能力有較高要

求，其盈利能力主要依賴于充電樁的利用率以及向

用戶收取的充電服務(wù)費用。

車企主導/合作模式。以特斯拉、蔚來為代表，

為自有車主提供充電服務(wù)，可分為自主建樁和合作

建樁兩種形式。自主建樁核心客戶群體是固定車

主。合作建樁模式下，車企與充電運營商攜手合

作，車企提供客戶群體，充電運營商則負責提供能

源供給和技術(shù)支持，充分發(fā)揮雙方優(yōu)勢，實現(xiàn)資源

共享和互利共贏。

充電樁互聯(lián)互通。目前是行業(yè)共識，第三方充

電服務(wù)平臺應運而生。第三方充電服務(wù)平臺主導模

式以云快充、快電為代表，通過第三方充電網(wǎng)絡(luò)鏈

接用戶及資產(chǎn)型充電運營商。盈利收益模式主要來

源于充電運營商分成服務(wù)費以及一些增值服務(wù)費。

但該模式下，第三方充電服務(wù)平臺與運營商之間存

在部分利益沖突，一旦運營商退出合作，第三方充

電服務(wù)平臺將喪失價值，因此需建立完善的相互依

存、互惠互利的運營模式。

3 電動汽車續(xù)航能力提高背景下充電站發(fā)展趨勢

分析

3.1 從充電客戶端分析

充電客戶群體主要可分為以下 5 類：私家車、

公務(wù)車、小型營運車（含網(wǎng)約車、出租車、小型貨

車）、公共及特種車輛（含公交、郵政、環(huán)衛(wèi)、工程

車）、重卡等大型車輛。分析其消費特征，梳理充電

終端需求，如表2所示。

私家乘用車逐步占據(jù)主要市場份額，改變充電

站發(fā)展方向。我國電動汽車市場最早以商用車電動

化應用為主，2017年以來，私人電動車開始占據(jù)主

要市場份額。國家發(fā)改委信息顯示，與“十三五”

初期相比，2021 年私人電動車占比從 47% 提升到

78%，非限購城市私家車比例從 40% 提升到 70%；

- 56 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

表 2 各類充電客戶消費特征及終端需求分析

客戶類型 私家車 公務(wù)車 網(wǎng)約車 出租車 小型貨車戶 公共及特種

車輛

重卡等大型

車輛

消費特征

上班族為主，

多下班后充電，

時間充裕

各類政府、企事業(yè)

單位，多在單位駐

地停車場建設(shè)私樁，

多選擇非工作時段

進行充電

多錯峰、低谷時

段，充電站 / 居住

地充電

交接班前

道路充電

站充滿電

夜間停工時充電，沒

有條件的會低谷時在

道路充電站。白天業(yè)

務(wù)較多時，會選擇道

路充電站臨時充電

一般建有或

合作的大型

充電站，定

點充電

換電為主，固

定線路，兩端

和中途有定點

換電站

終端需求

居住地或工作

地慢充私樁

工作地慢充和快

充私樁

道路充電站快充；

居住地充電站快

充和慢充；居住

地慢充私樁

道路充電

站快充

居住地充電站慢充；

道路充電站快充

以定點的大

型充電站慢

充和快充為

需求

定點換電站

表 3 6 月某運營商分時段快充充電量

時段類型 時段 快充充電量占比，%

低谷時段 00:00 ～ 08:00 48.96

平段

08:00 ～ 10:00

12:00 ～ 14:00

19:00 ～ 24:00

36.34

高峰時段

10:00 ～ 11:00

14:00 ～ 15:00

17:00 ～ 19:00

9.11

尖峰時段 11:00 ～ 12:00

15:00 ～ 17:00 5.59

2022年電動汽車消費中私家車占比超過80%，私人

乘用車規(guī)?；鲂蟹?wù)市場基本形成。將市場份額

與相應消費特征對應，私家車、網(wǎng)約車、小型貨車

客戶是主要的充電群體，這也是充電站發(fā)展的主要

方向。需關(guān)注居住地充電站慢充、道路充電站快充，

以及如何在數(shù)量龐大的慢充私樁中找到商業(yè)模式。

3.2 充電站角度分析

3.2.1 PHEV 車型增長對充電站的影響

PHEV車的發(fā)展對充電站影響不容小覷。在國內(nèi)

充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展不全面不均衡、電動汽車續(xù)航能

力十分有限的情況下，PHEV作為過渡車型推出。隨

著混動技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)鏈的

成本優(yōu)勢，10萬元售價以內(nèi)頂級續(xù)航能力電動車的

出現(xiàn)，極大提高了PHEV車市場地位。目前國內(nèi)充電

站的發(fā)展基本未預料到PHEV車的迅捷擴張，而隨著

PHEV車替代越來越多純電車，將導致原基于純電車

型增速發(fā)展的充電站收益低于預期，影響充電站發(fā)

展動力。

3.2.2 居住地充電站

居住地充電保持旺盛需求。不論是PHEV車型

還是純電車型，居住地充電是私人客戶的第一選

擇。一是方便出行，符合用車停車邏輯；二是利

用夜間低谷時段降低充電成本。如表3所示，低谷

時段是客戶的第一選擇，平段中19:00～24:00比例

19.53%。如果居住地充電可以滿足客戶需求，夜

間的快充充電量比例就不會如此高?！凹腋浇＼?/p>

充電——回家”與“充電站快充一小時——家附近

停車——回家”，客戶的選擇一目了然。因此，居

住地充電站仍有較大的發(fā)展空間，以慢充為主，快

充為輔，充電運營商應加強與居住地停車資源方的

合作。

3.2.3 慢充私樁的商業(yè)潛力

平臺運營激發(fā)私樁商業(yè)潛力。居住地慢充私樁

數(shù)量遠大于居住地公共充電樁數(shù)量，由于其一般與

私人車位綁定，使用效率低。當純電車型續(xù)航提高

后，因充電頻次降低，其使用效率會進一步降低。

第三方運營平臺應充分發(fā)掘私樁的商業(yè)潛力，一是

居住地充電有旺盛的充電需求；二是私樁客戶不會

對平臺產(chǎn)生太大制衡，將是平臺低成本的穩(wěn)定終

端。平臺通過提高運營能力，開拓私樁共享服務(wù)，

將滿足客戶在居住地的充電需求，同時會降低道路

充電站的流量。

3.2.4 道路充電站

道路充電站選址決定效益及充電站發(fā)展。在不

依賴充電的PHEV車快速增長、居住地充電站大力

發(fā)展、第三方充電運營平臺開拓私樁共享情況下，

目前部分發(fā)達地區(qū)已趨飽和的道路充電站將面臨收

益下滑乃至萎縮的形勢，選址將成為道路充電站的

發(fā)展關(guān)鍵。

各類選址中，加油站位置將成為重要方向。對

于加油站連鎖運營商而言，可以通過油電互促營銷

活動，深度綁定PHEV車型客戶，同時滿足其充電

和加油需求。加油站發(fā)展充電業(yè)務(wù)，較其它專業(yè)充

2024 年.第 4 期 張振．電動汽車續(xù)航突破 2000 公里背景下充電站發(fā)展趨勢分析 - 57 -

電運營商而言，具備四大優(yōu)勢。一是好的加油站品

牌可以給充電設(shè)備提供附加價值，讓客戶對安全性

和先進性更信賴；二是加油站位置多臨路，有站

牌、罩棚檐口等明顯形象標識，易于尋找；三是加

油站一般都有便利店，洗車、餐飲、客休等服務(wù)也

在逐步完善，客戶充電同時可滿足其它剛性需求。

某省加油站企業(yè)其充電終端數(shù)量基本未增情況下，

充電量由年初的1 000萬度增至6月的2 000萬度，

平均單槍充電量達到行業(yè)第一梯隊水平。

3.2.5 定點充換電站

目前，大型車輛混動化進程較為緩慢，隨著政

策的持續(xù)引導，以及固態(tài)電池技術(shù)在增加大型車輛

續(xù)航里程方面展現(xiàn)出巨大潛力和不斷進步，大型車

輛電動化的速度有望同步加快。2024年1月，南京

投放了首批264輛電動公交，寧波計劃全年更新電

動公交300輛；2024年上半年，國內(nèi)電動重卡累計

銷售26 216輛，同比增長141%。

此外，根據(jù)公共及特種車輛、重卡等大型車輛

的消費特征，其充電需求一般是定點充換電。充電

運營商要積極參與布局，通過綁定客戶確保固定收

益。在此基礎(chǔ)上，可利用合作點去低成本開拓社會

充電業(yè)務(wù)，提高收益水平。

4 結(jié)語

綜合客戶端到充電端從不同角度對居住地充電

站、慢充私樁的商業(yè)潛力、道路充電站及定點充換

電站的深入分析，可得出在電動汽車續(xù)航突破2 000

公里背景下，充電站發(fā)展呈現(xiàn)四大趨勢：

（1）居住地充電仍有較大需求，要以慢充為主、

快充為輔發(fā)展居住地充電站；

（2）第三方充電運營平臺要開拓私樁共享服務(wù)，

提高平臺運營能力；

（3）道路充電站將以加油站位置為最佳選擇；

（4）公共及特種車輛、重卡等大型車輛的定點

充換電站要重點關(guān)注。

參考文獻

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續(xù)發(fā)展報告2024[R]．北京：中國電動汽車百人會低碳

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花齊放”新技術(shù)商業(yè)化突破在即 [N]．科創(chuàng)板日報，

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基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展報告[R]．北京：中國電動汽車充電基礎(chǔ)

設(shè)施促進聯(lián)盟，2023.

八面來風

預計到 2050 年天然氣將有更大的發(fā)展空間

據(jù)報道，近期BP發(fā)布了2024年能源展望，預計2050年天然氣消費量將高于此前預期。BP假設(shè)了

兩種可能的情景，一種是“當前情景”（基于政府目前的能源轉(zhuǎn)型政策，到2050年無法實現(xiàn)下降2 ℃的

氣候目標）；一種是與《巴黎協(xié)定》一致的凈零排放情景，將需要收緊氣候政策。當前情景下，預計天

然氣需求將從2022年的3.99萬億立方米/年增加到2050年的4.73萬億立方米/年，此前預測為4.62萬億

立方米/年。凈零情景下，預計2030年天然氣需求將略微增加至4.02萬億立方米/年，但到2050年將降

至1.8萬億立方米/年，而此前預測為1.66萬億立方米/年。到2050年約80%的天然氣需求將配套碳捕

集、儲存與利用（CCUS）技術(shù)。

摘? 要：高速、高負荷徑流透平是一種高效率、大調(diào)節(jié)比、小尺寸的能量轉(zhuǎn)換機械，填補了兆瓦量級目前沒

有高效率原動機的空白，可以作為余熱、余壓、乏汽回收等節(jié)能減排系統(tǒng)的原動機或從動機，在煤

化工行業(yè)有廣泛的應用前景。該文闡述了高速、高負荷徑流透平的理論原理，并通過余熱、余壓、

乏汽回收三個應用實例，說明了高速、高負荷徑流透平在煤化工行業(yè)的應用場景。

關(guān)鍵詞：高速徑流透平 余熱發(fā)電 余壓發(fā)電 乏汽回收 蒸汽壓縮 節(jié)能減排

高速、高負荷徑流透平在煤化工行業(yè)的應用

王曉宇

（天津快透平科技發(fā)展有限公司，天津 300300）

收稿日期：2024-01-05

作者簡介：王曉宇，博士研究生，1994 年畢業(yè)于清華大學流體力學專業(yè)。目前從事高速徑流透平的研發(fā)和制造工作。

通訊聯(lián)系人：王曉宇，wangxyu64@sina.com。

Application of High-speed & High-load Radial Flow Turbine in Coal Chemical Industry

Wang Xiaoyu

（Tianjin Kuai Turbo Technology Co., Ltd.，Tianjin 300300，China）

Abstract: High-speed, high-load radial flow turbine is a kind of energy conversion machinery with high efficiency,

large adjustable ratio and small size, which fills the gap that there is no high-efficiency prime mover in the megawatt

range. It and can be used as the prime mover or slave motive of energy saving and emission reduction systems such

as waste heat, residual pressure and exhaust steam recovery, and has a wide range of application prospects in the

coal chemical industry. In this paper, the theoretical principles of high-speed and high-load radial flow turbines

are expounded, and the application scenarios of high-speed and high-load radial flow turbines in the coal chemical

industry are illustrated through three application examples: waste heat, residual pressure and exhaust steam recovery.

Keywords: high-speed radial flow turbine；waste heat power generation；residual pressure power generation；

waste steam recovery；vapor compression；energy saving and emission reduction

1 高速、高負荷徑流透平

工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)使用的氣體流體機械按原理不同有

容積式和速度式兩種，在形式上有往復式活塞機、

螺桿機、徑流透平機、軸流透平機、部分流通的軸

流透平機等多種形式[1]。每種流體機械都有適用的

高效率區(qū)域[2]，如圖1所示。

圖1中，橫坐標為流體機械比轉(zhuǎn)速，縱坐標為

流體機械效率。比轉(zhuǎn)速是由流體機械的旋轉(zhuǎn)角速

度、介質(zhì)的體積流量和介質(zhì)在通過流體機械過程中

的等熵焓差三個參數(shù)組合而成的無量綱數(shù)。

圖1顯示了不同流體機械的適用區(qū)間，可以看

出，各類流體機械都僅在比轉(zhuǎn)速處于某一特定范圍

2024 年 8 月·第 9 卷·第 4 期 >> 清潔生產(chǎn) <<

石油石化綠色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

引用格式：王曉宇 . 高速、高負荷徑流透平在煤化工行業(yè)的應用 [J]. 石油石化綠色低碳，2024，9（04）：58-63.

2024 年.第 4 期 王曉宇．高速、高負荷徑流透平在煤化工行業(yè)的應用 - 59 -

了實際應用，取得了良好的應用效果[6]。

根據(jù)圖 1，高速徑流透平在比轉(zhuǎn)速為 0.1～1.0

的范圍內(nèi)都可以獲得應用，而在比轉(zhuǎn)速為0.3～0.9

的范圍內(nèi)有較好的效率。

2 高速、高負荷徑流透平的特點

高速、高負荷徑流透平具有較高的轉(zhuǎn)速和負荷，

其工作轉(zhuǎn)速可達20 000～35 000 rpm，單級落壓比超

過10。在如此高轉(zhuǎn)速下徑流透平具有較高效率，通

常可以超過90%。因此，高速、高負荷徑流透平填

補了兆瓦量級功率范圍內(nèi)缺乏高效率原動機的空白。

由于負荷高，高速、高負荷徑流透平在大多數(shù)

應用場合只需要一級葉輪，調(diào)節(jié)葉輪的進口導葉就

相當于調(diào)整了整臺機器。因此，高速、高負荷徑流

透平具有大范圍變工況能力，原動機在10%～100%、

從動機在 50%～100% 負荷范圍都具有高效率，這

是目前所有其它流體機械都無法做到的。

高速、高負荷徑流透平的葉輪與蝸殼之間無接

觸，高速軸采用油膜承壓軸承，高速軸的密封采用

浮動密封。葉輪、密封、軸承等運動部件均為非接

觸式，可靠性高，在正常運行工況下有超長壽命。

由于負荷高，高速、高負荷徑流透平機械的尺

寸較小，方便做成全自動撬裝整體設(shè)備，設(shè)備自動

化程度高，無人值守運行，且占地面積小。

3 高速、高負荷徑流透平的應用場景

任何能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心動力機械都是原動機

和從動機，高速、高負荷徑流透平作為高效率、大

調(diào)節(jié)比的原動機或從動機，可作為任何能量轉(zhuǎn)換系

統(tǒng)的核心動力機械。在節(jié)能領(lǐng)域，高速、高負荷徑

流透平可以用于以下的能量回收系統(tǒng)。

余熱回收利用：建設(shè)熱功轉(zhuǎn)換的熱力循環(huán)系

統(tǒng)，利用余熱作為熱源，以高速、高負荷徑流透平

作為原動機，產(chǎn)生機械功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，或是

直接驅(qū)動工廠設(shè)備運轉(zhuǎn)。目前，高溫余熱大部分都

獲得了合理的應用，對于200～300 ℃以下的中低溫

余熱，高速、高負荷徑流透平有廣闊應用空間。

余壓回收利用：利用氣體（汽體）的壓差（余

壓）能，以高速、高負荷徑流透平作為原動機，產(chǎn)

生機械功，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，或是直接驅(qū)動工廠設(shè)

備運轉(zhuǎn)。

才具有較高效率，需根據(jù)項目的比轉(zhuǎn)速Ns來選擇合

適的流體機械。當Ns值大于1時，軸流渦輪有較高

效率；Ns小于1時，徑流透平有較高效率；在Ns更

小時，螺桿機和部分流通透平有較高效率。

比轉(zhuǎn)速Ns的計算如式（1）所示：

Ns＝ ωQ0.5

Δh0.75 （1）

式中：Ns為比轉(zhuǎn)速；ω為流體機械的旋轉(zhuǎn)角速

度，1/s；Q為通過流體機械的介質(zhì)的體積流量，m3

/s；

Δh為流體在通過流體機械時的等熵焓降，kJ/kg。

對一個特定項目，通過流體機械的介質(zhì)體積流

量Q和等熵焓降Δh確定，因此，要使流體機械有

較高效率，需調(diào)節(jié)機器角速度 ω，使 Ns有合適值。

可看出，在體積流量較小、焓降較大時，流體機器

轉(zhuǎn)速必須很高才可以使Ns有合適值。

對于徑流式透平機械，如果流過的介質(zhì)體積流

量較小，而等熵焓差較大，要獲得較高效率，往往

需有很高轉(zhuǎn)速。例如，在徑流透平設(shè)計計算中，落

壓比1.7、軸功率3 MW、效率90.5%的單級CO2徑

流透平轉(zhuǎn)速高達30 000 rpm[3]；落壓比1.8、軸功率

1.3 MW、效率75%的單級水蒸汽徑流透平，轉(zhuǎn)速

為30 000 rpm[4]；總落壓比11.0、總軸功率2.2 MW、

總效率92.2%的水蒸汽徑流透平，即使是拆分成串

聯(lián)的四級，每一級葉輪的轉(zhuǎn)速仍高達16 500 rpm[5]。

目前，市場上現(xiàn)有徑流透平產(chǎn)品還達不到上述

文獻中的計算轉(zhuǎn)速，因此效率均較低。各類流體機

械的高效率區(qū)域不能覆蓋所有的應用范圍，還存在

一個空白區(qū)域，見圖1中標示的彩色區(qū)域。為填補

該空白，已研發(fā)成功高速徑流透平并在工業(yè)中獲得

圖1 各類流體機械的高效率區(qū)域

100

80

60

40

20

0

效率，

%

10-1 100 101

雷諾數(shù) 2×106

部分流通

軸流透平

徑流透平 軸流透平

螺桿機

比轉(zhuǎn)速 Ns

- 60 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

乏汽回收利用：對因壓力過低而無法獲得使用

的低壓蒸汽，或?qū)糜酂嶙鳛闊嵩串a(chǎn)生的低壓蒸

汽進行回收利用。以高速徑流透平作為從動機，對

低壓蒸汽進行壓縮加壓，提高蒸汽的壓力和溫度，

使其變成可使用蒸汽，將原先無法利用的低壓蒸汽

中的汽化潛熱變成可利用的熱能。

3.1 余熱資源

在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是重化工業(yè)領(lǐng)域，存在大量

的余熱資源。例如，工業(yè)爐窯排放的高溫煙氣，工

藝中產(chǎn)生的熱水、熱液、蒸汽凝液，化工反應塔、

反應釜出口需降溫的反應產(chǎn)物，產(chǎn)品或介質(zhì)的顯

熱，裝置副產(chǎn)、凝液閃蒸的低壓蒸汽，以及富裕放

散蒸汽等。

3.2 余壓資源

工業(yè)領(lǐng)域還存在大量余壓資源。例如，大量使

用的蒸汽減溫減壓器，工藝過程中需要節(jié)流減壓的

各類氣體（汽體），帶壓排放的尾氣，如低溫甲醇

洗CO2或N2尾氣等。

3.3 乏汽資源（蒸汽壓縮）

工廠在使用蒸汽時，絕大部分是使用蒸汽的汽

化潛熱。生產(chǎn)工藝對蒸汽的溫度具有一定要求，低

于所要求溫度的蒸汽無法生產(chǎn)。

壓力較低的蒸汽（如裝置副產(chǎn)蒸汽或凝液閃蒸

蒸汽），對應的飽和溫度無法滿足工藝要求。然而，

蒸汽的汽化潛熱與蒸汽壓力關(guān)系不大。即使是壓力

過低的蒸汽，也具有同樣量級的汽化潛熱。用壓縮

機提升低壓蒸汽壓力，使之成為可用蒸汽，就回收

了低壓蒸汽中的全部汽化潛熱。壓縮機消耗的機械

功也沒有浪費，轉(zhuǎn)變成蒸汽熱能。

除了裝置副產(chǎn)或凝液閃蒸的低壓蒸汽，利用余

熱，通過換熱器，也可以制造低壓蒸汽。在利用余

熱制造出低壓蒸汽后，可以用蒸汽壓縮機提升蒸汽

的品質(zhì)，使之變成可用蒸汽。

在工廠低壓蒸汽富裕、高壓蒸汽缺乏的情況

下，還可以利用蒸汽壓縮機將一部分低壓蒸汽升

壓，平衡工廠蒸汽管網(wǎng)。

目前，工業(yè)園區(qū)通常由電廠供給單一參數(shù)的蒸

汽。但園區(qū)內(nèi)工廠眾多，每個工廠對蒸汽的壓力要

求也不一樣，如果某個工廠需要品質(zhì)更高的蒸汽，

可以采用蒸汽壓縮機提升品質(zhì)，不需要再自建小鍋

爐供汽。

4 煤化工行業(yè)的應用實例

4.1 黑水真閃蒸汽余熱發(fā)電（余熱回收利用）

在煤化工行業(yè)，大部分煤汽化爐的黑水處理采

用三級閃蒸工藝，分別為高壓閃蒸、低壓閃蒸和真

空閃蒸。高壓閃蒸蒸汽和低壓閃蒸蒸汽一般被工廠

的工藝裝置所使用，而真空閃蒸蒸汽則因為壓力和

溫度過低，不能被工藝裝置所使用，需通過水冷式

冷凝器將其冷凝為凝結(jié)液。

在該應用實例中，建立一套真閃蒸汽凝汽發(fā)電

機組，直接利用真閃蒸汽驅(qū)動高速、高負荷徑流透

平發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)電機組系統(tǒng)見圖2。圖2中，紅色

部分為新增余熱發(fā)電項目的工藝路線和設(shè)備（下同）。

具體建設(shè)方案如下：在真閃器和其后的水冷式

冷凝換熱器之間增加一臺速開閥，在新增的速開閥

上并聯(lián)建設(shè)一套凝汽式發(fā)電機組，利用真閃蒸汽作

為工作介質(zhì)，推動高速、高負荷徑流透平做功，驅(qū)

動發(fā)電機發(fā)電。新建的余熱發(fā)電設(shè)備作為原工藝路

線的并聯(lián)旁路，不改變原工藝，不影響生產(chǎn)。

將現(xiàn)有水冷式冷凝器作為凝汽式發(fā)電機組的凝

汽器，利用分離器上的不凝氣體抽氣泵作凝汽器抽

氣泵。建設(shè)余熱發(fā)電機組之后，為增大發(fā)電量，將

真閃器的閃蒸溫度從65 ℃調(diào)節(jié)為90 ℃。這樣，原

真閃器出水口冷卻器的冷卻率不夠，需在原冷卻器

后增加一臺冷卻器。建設(shè)發(fā)電機組后，對外輸出了

能量，減少了真閃系統(tǒng)內(nèi)能，系統(tǒng)總冷凝功率減

小，總冷卻量減少，無需增加冷卻水量。新建的余

熱發(fā)電機組為整體撬裝的單一設(shè)備，機組尺寸小，

直接安裝在真閃器平臺上，不額外占用工廠空地。

4.2. 低溫甲醇洗 CO2尾氣余壓發(fā)電（余壓回收利用）

低溫甲醇洗工藝以冷甲醇為吸收溶劑，利用甲

醇在低溫下對酸性氣體溶解度極大的優(yōu)良特性脫除

原料氣中的酸性氣體。

低溫甲醇洗工藝被廣泛應用于合成氨、合成甲

醇和其他羰基合成、城市煤氣、工業(yè)制氫和天然氣

脫硫等氣體凈化裝置中，以煤、渣油為原料建成的

大型合成氨裝置中也大都采用這一技術(shù)。

以低溫甲醇洗工藝脫除的CO2和H2S等酸性氣

體中，有一部分會被作為尾氣對空排放。工藝不

同，尾氣壓力不同。黑水真閃蒸汽余壓發(fā)電參數(shù)見

表1。

在以下的應用案例中，被排放的CO2尾氣先經(jīng)

2024 年.第 4 期 王曉宇．高速、高負荷徑流透平在煤化工行業(yè)的應用 - 61 -

過一道節(jié)流減壓閥進行減壓，以略高于大氣的壓力

送入甲醇洗滌塔回收甲醇，后在甲醇洗滌塔頂部通

過排放管道對空排放。

節(jié)流減壓閥浪費了帶壓CO2尾氣中的可用壓力

能。建設(shè)一套尾氣余壓發(fā)電系統(tǒng)，可將節(jié)流損失的

尾氣壓力能回收轉(zhuǎn)化為電能，獲得顯著經(jīng)濟效益，

同時還可獲得節(jié)能減排的社會效益。

CO2尾氣在經(jīng)過余壓發(fā)電機組發(fā)電后，對外輸

出了能量，根據(jù)能量守恒，尾氣中內(nèi)能減少，溫

度將降至零下十多度。這會使甲醇洗滌塔內(nèi)的水結(jié)

冰，也會使機組后的尾氣管道和甲醇洗滌塔外壁結(jié)

露甚至結(jié)冰，影響甲醇洗滌塔的正常運行。為解決

這一問題，在余壓發(fā)電機組后設(shè)置一臺冷能回收換

熱器，利用工廠循環(huán)冷卻水將機組出口尾氣溫度提

高到當?shù)芈饵c溫度以上，保證甲醇洗滌塔和尾氣排

放管道的正常運行。與此同時，工廠還可獲得額外

冷能，用于降低一部分循環(huán)冷卻水溫度。

圖3是低溫甲醇洗CO2尾氣余壓發(fā)電項目系統(tǒng)。

項目的具體建設(shè)方案為：在原先的尾氣節(jié)流減壓閥

上并聯(lián)建設(shè)尾氣余壓發(fā)電機組。新建余壓發(fā)電機

組作為旁路并聯(lián)在原節(jié)流減壓閥上，與節(jié)流減壓

表 1 黑水真閃蒸汽余壓發(fā)電參數(shù)

項目 參數(shù)

數(shù)據(jù)

單位 備注或

原工藝 現(xiàn)工藝 說明

真閃器進口

黑水

黑水流量 178 t/h

黑水溫度 143.6 ℃

真閃蒸汽

蒸汽流量 25.2 17.8 t/h

蒸汽溫度 65 90 ℃

發(fā)電機組

軸功率 – 1 000 kW

凈發(fā)電 – 900 kW

冷凝系統(tǒng)

冷凝溫度 45 ℃

冷凝功率 20 580 19 576 kW

經(jīng)濟指標

年凈發(fā)電量 – 756 ×104

kW·h

年工作

350 天

年凈發(fā)電收益 – 507 萬元

電價

0.67 元

/kW·h

節(jié)能減排

年節(jié)約標煤 – 3 329 t

年減排 CO2 – 8 216 t

圖2 黑水真閃蒸汽凝汽發(fā)電

H

H

E

E

E

H

速關(guān)

速關(guān)閥 調(diào)節(jié)閥 發(fā)電機組

速開閥

節(jié)流閥

低壓閃蒸黑水 真

閃

器

冷卻水

冷卻水

冷卻水

凝液泵

澄清槽

冷凝器 不凝氣體抽氣泵

分離器

原冷卻器

新增冷卻器

圖3 低溫甲醇洗CO2尾氣余壓發(fā)電系統(tǒng)

CO2 尾氣

原管道自帶

尾氣洗滌塔

截止閥 截止閥

發(fā)電機組

速關(guān)閥 速關(guān)調(diào)節(jié)閥

冷能回收換熱器

循環(huán)

冷卻水

尾氣減壓閥 E

P

E

H H

E

- 62 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

4.3 化工裝置副產(chǎn)低壓蒸汽壓縮回收（乏汽回收利

用）

不同壓力下，飽和蒸汽比焓和汽化潛熱值見

表3。

從表3可以看出，和大氣壓力相同的低壓飽和

蒸汽與壓力較高的中壓（3.0 MPaA）飽和蒸汽的

比焓相差很小，僅為4.79%。另還可看出低壓飽和

蒸汽具有更大的汽化潛熱。利用飽和蒸汽這一特性

（過熱蒸汽與之完全相似），可采用相對較小的機械

功將低壓飽和蒸汽壓縮至較高壓力（壓縮機功耗就

是其進、出口蒸汽焓差），從而將壓力過低、無法

利用的低壓飽和蒸汽變成可被工廠利用、有一定合

適壓力的蒸汽。

某化工廠工藝裝置副產(chǎn)壓力為0.5 MPaG的飽

和蒸汽，但因為工廠最低壓力等級的蒸汽管網(wǎng)壓力

是1.6 MPaG，這股副產(chǎn)蒸汽不能進入工廠的蒸汽管

網(wǎng)，只能對空排放。建設(shè)一套蒸汽壓縮機，可提升

低壓飽和蒸汽壓力，使之可被并入工廠最低壓力等

級的蒸汽管網(wǎng)中。建設(shè)蒸汽壓縮機項目系統(tǒng)見圖4，

工藝參數(shù)見表4。

表 2 CO2 尾氣余熱發(fā)電參數(shù)

項目 參數(shù) 數(shù)據(jù) 單位 備注或說明

CO2 尾氣

進口流量 40 232 t/h

進口壓力 0.137 MPaG

進口溫度 18.2 ℃

出口壓力 0.014 MPaG 進洗滌塔壓力

發(fā)電機組

渦輪效率 0.912

凈發(fā)電功率 670 kW

經(jīng)濟指標

年凈發(fā)電量 563 ×104

kW·h 工作 350 天

年凈發(fā)電收益 422 萬元 電價 0.75 元 /

kW·h

節(jié)能減排

年節(jié)約標煤 2 274 t

年減排 CO2 5 668 t

冷能回收

回收功率 706 kW 122 t/h 冷卻水

降溫 5 ℃

年回收冷能 593 ×104

kW·h

表 3 不同壓力下飽和蒸汽的比焓和汽化潛熱

飽和蒸汽 單位 數(shù)值

蒸汽壓力 MPaA 0.10 0.25 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

蒸汽溫度 ℃ 99.6 127.4 151.8 179.9 198.3 212.4 224.0 233.9

蒸汽比焓 kJ/kg 2 674.9 2 716.5 2 748.1 2 777.1 2 791.0 2 798.3 2 801.9 2 803.2

蒸汽比焓比 1.000 0 1.015 5 1.027 4 1.038 2 1.043 4 1.0461 1.047 5 1.047 9

汽化潛熱 kJ/kg 2 257.4 2 181.1 2 108.0 2 014.6 1 946.4 1 889.8 1 840.0 1 794.8

蒸汽潛熱比 1.000 0 0.966 2 0.933 8 0.892 4 0.862 2 0.837 1 0.815 1 0.795 1

閥聯(lián)動運行。建設(shè)方案不改變原工藝，不影響生

產(chǎn)。在余壓發(fā)電機組后設(shè)置冷能回收換熱器回收冷

能。CO2尾氣余熱發(fā)電參數(shù)見表2。

圖4 化工裝置副產(chǎn)低壓蒸汽壓縮回收

工廠低壓蒸汽管網(wǎng)

副產(chǎn)蒸汽放散口

蒸汽壓縮機

裝置副產(chǎn)蒸汽

表 4 裝置副產(chǎn)低壓蒸汽壓縮回收參數(shù)

項目 參數(shù) 數(shù)據(jù) 單位 備注或說明

副產(chǎn)蒸汽

蒸汽流量 10 t/h 因壓力低而放散

蒸汽壓力 0.5 MPaG 飽和蒸汽

低壓

蒸汽管網(wǎng) 蒸汽壓力 1.6 MPaG 飽和蒸汽

蒸汽

壓縮機

出口壓力 1.7 MPaG 過熱蒸汽

出口流量 11.0 t/h 減溫至飽和蒸汽后

總耗電功率 980 kW

具體建設(shè)方案為：

（1）不改變原工藝，在原蒸汽放散閥前建設(shè)一

2024 年.第 4 期 王曉宇．高速、高負荷徑流透平在煤化工行業(yè)的應用 - 63 -

套高速、高負荷徑流透平蒸汽壓縮機，壓縮機出口

接入工廠最低壓力等級蒸汽管網(wǎng)，將原先無法利用

的放散蒸汽變?yōu)榭衫谜羝?/p>

（2）如壓縮機出現(xiàn)故障或進行常規(guī)維修，則副

產(chǎn)蒸汽走原工藝路線，不影響生產(chǎn)。

低壓飽和蒸汽在壓縮機中被壓縮增壓時，壓縮

機的機械壓縮功并沒有被浪費，全部變成熱能進入

被壓縮蒸汽中，提高了蒸汽內(nèi)能，使壓縮后的蒸汽

變成壓力更高的過熱蒸汽。表4中，裝置副產(chǎn)的低

壓飽和蒸汽流量10 t/h、壓力0.5 MPaG，經(jīng)壓縮機壓

縮增壓后成為流量10 t/h、壓力1.7 MPaG的過熱蒸

汽。工廠最低壓力等級的蒸汽管網(wǎng)是壓力1.6 MPaG

的飽和蒸汽管網(wǎng)，壓縮機出口的過熱蒸汽需噴水減

溫成為飽和蒸汽，再并入蒸汽管網(wǎng)。減溫后的飽和

蒸汽流量為11 t/h，多出的1.0 t/h飽和蒸汽熱量由壓

縮機的壓縮功轉(zhuǎn)換而來。

5 結(jié)語

高速、高負荷徑流透平填補了兆瓦量級沒有高

效率原動機的空白。作為能量轉(zhuǎn)換的核心機械，它

可以廣泛地應用于余熱、余壓、乏汽回收等各類節(jié)

能項目，在煤化工行業(yè)有廣闊的應用場景。從三個

應用實例可看出，以高速、高負荷徑流透平作為原

動機或從動機的各類節(jié)能項目，均具有良好的經(jīng)濟

效益和節(jié)能減排的社會效益。

參考文獻

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項目 參數(shù) 數(shù)據(jù) 單位 備注或說明

經(jīng)濟指標

年回收蒸汽 9.24 ×104 t 工作 350 天

年回收收益 2 319 萬元 蒸汽價格 251 元 /t

年耗電量 823 ×104

kW·h

年耗電費用 551 萬元 電價 0.67 元 /kW·h

年凈效益 1 768 萬元

節(jié)能減排

年節(jié)約標煤 5 196 t

年減排 CO2 12 822 t

續(xù)表

八面來風

2023 年全球化工行業(yè)衰退

據(jù)報道，2023年全球化工行業(yè)出現(xiàn)衰退。2023年全球化工50強的合計化工銷售收入為10 360億美

元，下降10.7%；而2022年增長17%。全球化工50強中公開利潤數(shù)據(jù)的38家公司合計利潤544億美元，

較2022年下降44.1%；其中29家公司利潤下降，7家虧損。歐洲的化工公司因能源成本高企和資產(chǎn)老化

而一直缺乏競爭力。俄烏沖突后，歐洲切斷與俄羅斯豐富天然氣的供應關(guān)系，加劇了行業(yè)衰弱。巴斯

夫、英力士、Covestro、Arkema和贏創(chuàng)工業(yè)等歐洲公司化工銷售收入大幅下滑。歐洲許多公司正在削減

成本或關(guān)閉低效產(chǎn)能。

（廖?。?/p>

摘? 要：氫能優(yōu)化利用是石化企業(yè)實現(xiàn)雙碳目標的重要途徑之一。以現(xiàn)有的千萬噸級煉廠為例，結(jié)合煉廠供

氫品質(zhì)及壓力，按照氫氣分級分質(zhì)利用原則，給出氫氣管網(wǎng)優(yōu)化方案。優(yōu)化后每年可為企業(yè)節(jié)省成

本2 560.53萬元，碳排放減少9.41×104

t/a。

關(guān)鍵詞：氫氣網(wǎng)絡(luò) 分級利用 優(yōu)化利用 碳排放量 成效分析

煉廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化改造及成效分析

王曉玲

（洛陽瑞澤石化工程有限公司，河南洛陽 471003）

收稿日期：2024-04-14

作者簡介：王曉玲，碩士研究生，工程師。2010 年畢業(yè)于天津大學化工學院核燃料循環(huán)與材料專業(yè)。現(xiàn)從事石油化工工藝設(shè)

計工作。

通訊聯(lián)系人：王曉玲，13526910259@163.com。

Optimization and Improvement of Hydrogen

System in Refinery and Effect Analysis

Wang Xiaoling

（Luoyang Ruize Petrochemical Engineering Co., Ltd.，Luoyang，Henan 471003，China）

Abstract: Optimal utilization of hydrogen energy is one of the important ways for petrochemical enterprises to

achieve the goal of carbon peaking and carbon neutrality goals\". Taking the existing ten-million-ton refinery as

an example, combining the quality and pressure of hydrogen supply in the refinery, according to the principle of

hydrogen grading and mass utilization, the optimization scheme of hydrogen pipeline network is given. According to

the CO2 emission calculation model of the hydrogen production unit, the carbon emission of the hydrogen production

unit before and after the optimization of the hydrogen pipeline network is estimated. After optimization, the cost of

the enterprise can be saved by 25.6053 million yuan per year, and the carbon emission can be reduced by 94 100 t/a.

Keywords: hydrogen network；grading utilization；optimal utilization；carbon emission；effectiveness analysis

隨著人們對燃料清潔性要求的日益提高，含硫

原油和重質(zhì)原油加工比例的增大，對氫氣的需求也

越來越大，氫氣已成為油品加工過程中不可或缺的

一種重要原料。在各類加氫裝置的加工成本中，氫

氣成本約占50%，其中加氫裂化裝置的氫氣成本更

是達到了55%[1]。因此，優(yōu)化氫源氫阱的匹配，提

高氫資源利用效率，已成為發(fā)展加氫技術(shù)、提高煉

廠效益的關(guān)鍵，同時也是石化企業(yè)實現(xiàn)雙碳目標的

重要途徑之一[2]。

國內(nèi)某千萬噸級煉廠擁有常減壓、催化裂化、

延遲焦化、連續(xù)重整、加氫裂化、航煤加氫精制、

汽油加氫精制、芳構(gòu)化等裝置。氫氣需求量大，為

2024 年 8 月·第 9 卷·第 4 期 >> 過程優(yōu)化 <<

石油石化綠色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

引用格式：王曉玲 . 煉廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化改造及成效分析 [J]. 石油石化綠色低碳，2024，9（04）：64-67.

2024 年.第 4 期 王曉玲．煉廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化改造及成效分析 - 65 -

此全廠配套了大規(guī)模的制氫裝置。制氫裝置采用的

原料為煉廠干氣，導致全廠燃料供應不足，需要外

購天然氣作為補充，增加了煉廠的加工成本。該文

對煉廠現(xiàn)有氫氣系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造，減少了外購

天然氣的用量，達到了提高煉廠經(jīng)濟效益的目的。

1 氫氣系統(tǒng)現(xiàn)狀

該煉廠主要的耗氫裝置包括蠟油加氫裂化裝

置、柴油加氫裂化裝置、汽油加氫裝置、煤油加氫

裝置、烷基化裝置、重整預加氫單元、對二甲苯裝

置。各裝置氫氣消耗量見表1。

表 1 各裝置氫氣消耗量

裝置名稱 純氫數(shù)量 /（萬噸 / 年）

蠟油加氫裂化裝置 6.64

柴油加氫裂化裝置 10.31

預加氫單元 0.34

航煤加氫裝置 0.04

汽油加氫裝置 0.23

烷基化裝置 0.01

對二甲苯裝置 1.79

合計 19.36

該煉廠的氫源可分為純氫、重整富氫、低分氣

富氫、芳構(gòu)化富氫。純氫由制氫裝置提供；重整富

氫由連續(xù)重整裝置提供；低分氣富氫由加氫裂化裝

置提供；芳構(gòu)化富氫由芳構(gòu)化裝置提供。各氫源組

成如表2所示。

表 2 各氫源組成 %（v）

序號 組分 純氫 重整氫 低分氣富氫 芳構(gòu)化富氫

1 H2 99.9 93.55 78.8 61.63

2 C1 0.1 2.15 8.48 22.78

3 C2 0 2.35 1.76 12.73

4 C3 0 1.38 3.21 1.55

5 NC4+ 0 0.57 7.75 1.31

煉廠在重整裝置和加氫裂化裝置設(shè)置了PSA單

元，用于回收重整氫和低分氣中的氫氣，供全廠的

加氫裝置使用。煉廠的氫氣管網(wǎng)現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 氫氣管網(wǎng)現(xiàn)狀

重整預加氫

PSA 裝置 航煤加氫裝置

制氫裝置

汽油加氫裝置

對二甲苯裝置

蠟油加氫裂化

柴油加氫裂化

烷基化

0.34 萬噸/年

0.04 萬噸/年

0.23 萬噸/年

1.79 萬噸/年

6.64萬噸/年

10.31萬噸/年

14.41萬噸/年

4.95萬噸/年

0.01 萬噸/年

重整氫 28.08 萬噸 / 年

煉廠干氣

15.52 萬噸 / 年

低分氣

4.40 萬噸 / 年

氫氣管網(wǎng)

2 氫氣系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化原則

根據(jù)各氫源組成（氫氣純度、雜質(zhì)含量等）、壓

力等品質(zhì)差別，對各氫源進行優(yōu)化匹配、梯級利用，

實現(xiàn)不同品質(zhì)氫氣的“高質(zhì)高用、低質(zhì)優(yōu)用”[3]

；

優(yōu)化耗氫裝置用氫，滿足工藝要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量

及催化劑長周期運行；對于具有相同純度需求、相

同壓力等級的氫氣管線進行合并，以簡化氫氣管

網(wǎng)，并做到氫氣穩(wěn)定集中供應。

2.2 用氫要求

氫分壓是加氫反應過程中的一個重要操作參數(shù)，

它由補充氫與循環(huán)氫組成的混合氫濃度決定，循環(huán)

氫濃度受補充氫純度和反應生成的甲烷等輕烴量影

響。為減少氫資源損失，一般盡量不考慮排放廢氫。

高壓加氫裂化裝置要求氫分壓≥12 MPa，中壓加氫

裂化裝置要求氫分壓≥8 MPa。據(jù)測算，新氫中CH4

含量每升高1個體積百分點，其循環(huán)氫的純度下降

約6個百分點[3]，嚴重影響需要的氫分壓值。因此

對蠟油加氫裂化和柴油加氫裂化裝置應使用高純

氫，確保滿足工藝要求。重整氫雖然氫氣純度比不

上純氫，但C2以上組分在耗氫裝置反應產(chǎn)物液態(tài)烴

中溶解性較好，對循環(huán)氫純度的影響較小，因此重

整氫也可以直接供給加氫壓力不高的裝置使用[4]。

2.3 優(yōu)化方法

結(jié)合上述優(yōu)化原則和各裝置的用氫需要，可以

將全廠氫氣系統(tǒng)分為兩個管網(wǎng)，即純氫管網(wǎng)和富氫

- 66 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

管網(wǎng)。根據(jù)加氫處理不同的氫分壓要求，將加氫處

理分為兩級。第一級用氫裝置的氫濃度要求較低，

直接使用重整含氫氣體，如石腦油加氫、航煤加氫

等。剩余的重整富氫和經(jīng)脫硫處理的加氫低分氣一

起進入PSA裝置回收提濃，得到體積分數(shù)為99.9%

的氫氣。提純后的純氫與制氫裝置產(chǎn)生的純氫則作

為二級利用，一起供中、高壓加氫裂化裝置使用。

加氫干氣中氫氣含量一般在65%（體積含量）左右，

但是壓力等級較低，不適合作為PSA的原料，可以

考慮直接作為制氫裝置的原料[5]。

2.4 優(yōu)化結(jié)果

重整預加氫、航煤加氫裝置、汽油加氫裝置、

對二甲苯裝置直接采用重整富氫，根據(jù)純氫質(zhì)量不

變確定富氫氣使用量，優(yōu)化后富氫氣消耗量見表3。

表 3 優(yōu)化前后不同等級氫氣消耗對比

裝置名稱 純氫數(shù)量 （萬噸 / / 年） 富氫氣數(shù)量 /（萬噸 / 年）

預加氫 0.34 0.58

航煤加氫 0.04 0.07

汽油加氫 0.23 0.40

對二甲苯 1.79 3.09

合計 2.40 4.14

優(yōu)化后的氫平衡如圖2所示。由于制氫裝置的

原料是煉廠副產(chǎn)干氣，故全廠氫氣平衡和燃料氣平

衡密切相關(guān)，降低制氫裝置的規(guī)模就意味著降低全

廠干氣的消耗，因此評價方案的優(yōu)劣應充分結(jié)合全

廠燃料的供需情況。此外，制氫裝置的產(chǎn)氫量降

低，公用工程消耗量降低。由對比結(jié)果可知：氫氣

管網(wǎng)優(yōu)化后每年可節(jié)省成本2 531.64萬元，故含氫

氣體的分級使用能有效提高煉廠經(jīng)濟效益。

3 綜合效益測算

制氫裝置采用的是烴類蒸汽轉(zhuǎn)化法制氫，水碳

比為3.2，以采用煉廠干氣作為原料，采用烴類蒸汽

轉(zhuǎn)化＋中溫變換＋PSA的流程，變換氣中一氧化碳

干基含量低于0.5%，即認為輸入裝置的碳最終都以

二氧化碳的形式排放。故可以采用公式（1）計算

碳排放量[6-11]。

表 4 優(yōu)化對比

項目 優(yōu)化前 優(yōu)化后 差值 單價 /（元 / 噸） 總價 /（萬元 / 年）

全廠燃料氣 /（萬噸 / 年） 44.58 43.76 -0.82 3 800.00 -3 116

電 /（萬千瓦） 1 824.00 1 464.80 -359.2 0.50 -179.60

循環(huán)水 /（萬噸 / 年） 231.20 185.60 -45.6 0.90 -41.04

外輸蒸汽 /（萬噸 / 年） -22.62 -18.16 4.46 200.00 892

除鹽水 /（萬噸 / 年） 81.60 65.60 -16.00 8.00 -128.00

PSA 改造費用 /（萬元 / 年） 16.00

管網(wǎng)改造費用 /（萬元 / 年） 25.00

總計 -2 531.64

圖2 優(yōu)化后氫氣管網(wǎng)

預加氫

航煤加氫裝置

PSA 裝置

制氫裝置

汽油加氫裝置

對二甲苯裝置

蠟油加氫裂化

柴油加氫裂化

烷基化

0.58萬噸/年

0.07萬噸/年

0.40萬噸/年

3.09萬噸/年

6.64萬噸/年

10.31萬噸/年

4.00萬噸/年

12.96萬噸/年

20.94萬噸/年

25.08萬噸/年

12.67萬噸/年

燃料氣系統(tǒng)

0.01萬噸/年

低分氣 4.40萬噸/年

加氫干氣 1.51萬噸/年

煉廠干氣 10.79萬噸/年

芳構(gòu)化富氫7.52萬噸/年

富氫氣

純氫氣（99.9%）

2# 管網(wǎng)

1# 管網(wǎng)

2024 年.第 4 期 王曉玲．煉廠氫氣系統(tǒng)優(yōu)化改造及成效分析 - 67 -

ECO2

＝1.964 3（VM–CH4

＋VF–CH4

）＋0.583 9×P＋

2.726 8×MH2O＋0.064 2×CH2O＋0.081 7×Vins （1）

式中：ECO2

為二氧化碳排放量，kg/h；VM–CH4

為

原料的甲烷當量消耗量（標準狀況），m3

/h；VF–CH4

為燃料氣的當量甲烷消耗量（標準狀況），m3

/h；P

為裝置耗電量，kW；MH2O為原料水的消耗量，t/h；

CH2O為循環(huán)水的消耗量，t/h；Vins為儀表風的消耗量

（標準狀況），m3

/h。

根據(jù)上述公式，可計算出優(yōu)化前后制氫裝置的

碳排放量，優(yōu)化后的碳排放量減少11 764.38 kg/h，

折合9.41×104

t/a。

表 5 碳排放計算

項目

優(yōu)化前 優(yōu)化后

消耗量 碳排放量 /

（kg/h） 消耗量 碳排放量 /

（kg/h）

原料 /（m3

/h） 27 160 53 350.39 21 894 43 006.38

燃料 /（m3

/h） 2 818 5 535.40 2 258 4 435.39

電耗 /kW 2 280 1 331.29 1 831 1 069.12

除鹽水 /（t/h） 102 278.13 82 223.60

循環(huán)水 /（t/h） 289 18.55 232 14.89

儀表風 /（m3

/h） 400 32.68 400 32.68

合計 60 546.44 48 782.06

4 結(jié)論

對于典型煉廠，一般有多個裝置提供不同純

度的氫氣，同樣有多個加氫裝置需要不同純度的氫

氣。在滿足氫氣的供需平衡、實現(xiàn)制氫裝置供氫最

小的優(yōu)化目標時，需要綜合考慮氫氣流量、純度、

壓力、有害雜質(zhì)等因素，選擇最有效的氫氣供應方

式，實現(xiàn)全系統(tǒng)氫氣的穩(wěn)定可靠供應。該文介紹的

含氫氣體的分質(zhì)、分壓利用，以簡單的氫氣網(wǎng)絡(luò)實

現(xiàn)了氫氣的最大程度利用；每年可以為煉廠節(jié)省

成本2 531.64萬元，制氫裝置的碳排放減少9.41×

104

t/a，一定程度上提高了煉廠的經(jīng)濟效益，同時

降低了企業(yè)的碳排放。

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節(jié)能監(jiān)測技術(shù)要求：DB43/T746-2013[S]．2013.

摘? 要：為提高重整輕石腦油附加值，充分回收戊烷組分，利用流程模擬軟件建立戊烷發(fā)泡劑分離裝置的隔

壁塔流程，對相應操作參數(shù)進行了分析優(yōu)化。進料溫度80 ℃，進料位置和側(cè)線采出位置（自上而

下）為26#

、12#

，進料側(cè)液體和氣體分配比例為0.4時，發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)最高?；亓鞅却笥?/p>

20時，即可得到合格的戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)品。將建立的隔壁塔流程與常規(guī)兩塔分離流程進行對比，結(jié)

果表明，隔壁塔流程的精餾塔、回流罐、機泵數(shù)量均減少1，減少了設(shè)備投資費用和占地面積；隔

壁塔流冷凝器負荷下降了14.9%，再沸器負荷下降了12.1%，具有一定的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：戊烷發(fā)泡劑 隔壁塔 流程模擬 節(jié)能 分離 應用研究

隔壁塔在戊烷發(fā)泡劑分離過程的應用研究

蘇佳林，劉瓊，王韌韌

（北洋國家精餾技術(shù)工程發(fā)展有限公司，天津 300072）

收稿日期：2023-11-10

作者簡介：蘇佳林，碩士研究生，工程師。2015 年畢業(yè)于河北工業(yè)大學化學工程專業(yè)，目前從事化工工藝設(shè)計工作。

通訊聯(lián)系人：蘇佳林，tj_sujialin@163.com。

Simulation of a Dividing Wall Column Process for Separating Pentane Foaming Agent

Su Jialin，Liu Qing，Wang Renren

（Pei-yang National Distillation Technology Co., Ltd.，Tianjin 300072，China）

Abstract: In order to improve the added value of reformed light naphtha and fully recover the pentane component,

the dividing wall column process of the pentane foaming agent separation device was established using process

simulation software. The operating parameters of the dividing wall column process of the pentane foaming agent

separation device were analyzed and optimized, the results showed that the total mass fraction of the pentane was the

highest when the feed temperature was 80℃; the feed position and the side draw position (from top to bottom) were

26#

and 12#

, and the liquid and gas distribution ratio (feed side) was 0.4. For the reflux ratio, the qualified pentane

foaming agent product was obtained when reflux ratio was greater than 20. The established dividing wall column

process was compared with the conventional two-column separation process, the results showed that the number of

column, reflux tanks, and pumps in the next-door tower process was reduced by 1, which reduced the equipment

investment cost and floor space; the condenser duty of the dividing wall column process was reduced by 14.9%, and

the reboiler duty was reduced by 12.1%. The energy-saving effect was satisfying.

Keywords: pentane foaming agent；dividing wall column；process simulation；energy saving；separation；

applied research

2024 年 8 月·第 9 卷·第 4 期 >> 過程優(yōu)化 <<

石油石化綠色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

引用格式：蘇佳林，劉瓊，王韌韌 . 隔壁塔在戊烷發(fā)泡劑分離過程的應用研究 [J]. 石油石化綠色低碳，2024，9（04）：68-72.

2024 年.第 4 期 蘇佳林，等．隔壁塔在戊烷發(fā)泡劑分離過程的應用研究 - 69 -

近年來，隨著國內(nèi)煉油工業(yè)的飛速發(fā)展，煉

油企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，燃料油產(chǎn)能出現(xiàn)過剩趨

勢[1]。重整裝置中預加氫單元的輕石腦油中C5組分

含量高，且經(jīng)預加氫裝置的加氫反應，其中烯烴含

量很低，基本為飽和烷烴，性質(zhì)穩(wěn)定，若只用作汽

油組分，其利用值較小。輕石腦油中 C5組分主要

是正戊烷、異戊烷和環(huán)戊烷，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣

泛應用，特別是用做戊烷發(fā)泡劑。戊烷發(fā)泡劑因其

具有溫室效應潛能小、毒性小、安全環(huán)保等優(yōu)勢，

是傳統(tǒng)的氟氯烴類發(fā)泡劑的優(yōu)良替代品 [2]。因此

研究利用重整輕石腦油生產(chǎn)戊烷發(fā)泡劑，可進一

步提高產(chǎn)品的附加值，具有一定的經(jīng)濟性。國內(nèi)

關(guān)于戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)品已頒布相關(guān)的執(zhí)行標準 GB/T

22053-2020。

精餾裝置是當前應用最為廣泛和成熟的分離技

術(shù)之一，其能耗和設(shè)備投資巨大。據(jù)估計，化工過

程中40%～70%的能耗用于分離，而精餾能耗又占

其中95%[3]。在當前能源價格持續(xù)上漲和國家節(jié)能

減排的背景下，精餾過程的節(jié)能技術(shù)研究具有重要

的意義，其中隔壁塔作為節(jié)能研究熱點，在工業(yè)裝

置上得到迅速應用[4-6]。

1 建立戊烷發(fā)泡劑分離流程

戊烷發(fā)泡劑原料采用重整裝置輕石腦油，其原

料見表1。

隔壁塔中部設(shè)置垂直的隔板將塔分為預分離

段和主分離段，隔板上段為共有精餾段，下部為共

有提餾段，節(jié)省了設(shè)備投資和能耗費用。當中間組

分含量較高時，隔壁塔具有較好的分離效果[7]。由

表1可以看出，中間組分戊烷質(zhì)量分數(shù)較高，適于

隔壁塔的使用。為充分利用裝置熱量，按照熱量逐

級利用原則，利用側(cè)線發(fā)泡劑產(chǎn)品、塔底物料及

再沸器蒸汽凝液逐級預熱進料，達到較好的熱量回

收效果。

隔壁塔流程如下：輕石腦油原料依次與側(cè)線

發(fā)泡劑產(chǎn)品、塔底重石腦油、再沸器蒸汽凝液換熱

后，進入發(fā)泡劑分離塔中部，塔頂為不凝氣及液化

氣組分；側(cè)線為發(fā)泡劑產(chǎn)品，依次經(jīng)輕石腦油原料

換熱和水冷后出裝置；塔底為重石腦油，依次經(jīng)輕

石腦油原料換熱和水冷后出裝置；隔板上方液相全

部采出，經(jīng)泵加壓后按照設(shè)定比例分別進入隔板兩

側(cè)，簡化流程如圖1所示。常規(guī)兩塔分離流程如下：

輕石腦油原料依次與脫輕塔塔底、再沸器蒸汽凝液

換熱后，進入脫輕塔，脫輕塔塔頂為不凝氣及液化

氣組分，塔底與輕石腦油原料換熱后進入發(fā)泡劑分

離塔；發(fā)泡劑分離塔塔頂為發(fā)泡劑產(chǎn)品，塔底為重

石腦油，經(jīng)水冷后出裝置，簡化流程如圖2所示。

表 1 發(fā)泡劑分離塔原料

序號 組分 含量，%（w）

1 C3 組分 0.02

2 C4 組分 8.45

3 正戊烷 33.88

4 異戊烷 26.36

5 環(huán)戊烷 1.35

6 C5 其他組分 3.68

7 C6+ 組分（重組分） 26.26

圖1 隔壁塔流程

価?

??

????

???/?

????

???

???н

???

圖2 常規(guī)兩塔分離流程

価?

??

????

???/?

???н

??? ????

????

??? ??????

- 70 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

2 建立模擬流程

由于輕石腦油組分為碳氫化合物，屬于非極性

或弱極性物系，采用狀態(tài)方程較為合適。該文采用

Peng-Rob方程。隔壁塔的設(shè)計自由度較常規(guī)精餾大

幅增加，數(shù)學模型復雜。目前國內(nèi)外對隔壁塔的模

擬大多采用三塔模型和Petlyuk塔模型[8-9]，但以上

模型缺乏對汽、液配比的考慮，為分析塔內(nèi)汽、液

的影響，該文采用了四塔模型，T1～T3采用文獻中

的估算方法給定理論板數(shù)16、38、24，其簡化模型

如圖3所示[10]。

圖3 隔壁塔四塔模型

T1

T2 T2

T3

F

V3 L3

V3 L3

V4 L4

V2 L2

V2 L2

S

D

V1 L1

W

圖4 進料溫度與發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)關(guān)系

99.4

99.2

99.0

98.8

98.6

98.4

70 75 80 85 90 95 100

進料溫度 /℃

總質(zhì)量分數(shù)，

%

量分數(shù)的關(guān)系。隨進料位置的下移，發(fā)泡劑中戊烷

總質(zhì)量分數(shù)先增大后減小，進料位置為 26#

時發(fā)泡

劑中戊烷總質(zhì)量分數(shù)最高；隨側(cè)線采出位置的下

移，發(fā)泡劑中戊烷總質(zhì)量分數(shù)先增大后減小，其中

在側(cè)線采出位置為12#

時發(fā)泡劑中戊烷總質(zhì)量分數(shù)

最高。因此進料位置和側(cè)線采出位置分別設(shè)置為

26#

和12#

。

3 分析優(yōu)化隔壁塔流程操作條件

3.1 進料溫度

一般來說，進料溫度提高可降低塔釜再沸器負

荷，但過高的進料溫度會造成塔頂冷凝器的負荷增

大，經(jīng)分析了進料溫度對發(fā)泡劑分離塔的影響，保

持塔回流比等參數(shù)不變。圖4為進料溫度與發(fā)泡劑

產(chǎn)品中戊烷總質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系，可以看出，隨進料

溫度的提高，發(fā)泡劑產(chǎn)品中戊烷總質(zhì)量分數(shù)先增大

后減?。贿M料溫度為80 ℃時發(fā)泡劑中戊烷總質(zhì)量分

數(shù)最高，此時進料溫度接近進料板處溫度，也說明

對進料進行預熱有利于戊烷分離。

3.2 進料位置和側(cè)線采出位置

圖5為進料位置和側(cè)線位置與發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)

3.3 液體、氣體分配比例

隔壁塔通過隔板將塔體分為互不相同的兩部

分，因此兩側(cè)的液體和氣體分配對于精餾的效果影

響很大，通過在隔板上方設(shè)置全抽出，由外部調(diào)節(jié)

閥進行隔板兩側(cè)的液體比例控制，氣體則主要是通

過隔板兩側(cè)的塔內(nèi)件壓差進行比例控制。

圖6為進料側(cè)液體、氣體分配比例與發(fā)泡劑戊

烷總質(zhì)量分數(shù)的關(guān)系?？梢钥闯觯S液體分配比

例（進料側(cè)）的增大，發(fā)泡劑中戊烷總質(zhì)量分數(shù)先

圖5 進料位置和側(cè)線采出位置

與發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)關(guān)系

99.5

99.0

98.5

98.0

97.5

97.0

96.5

99.3

99.2

99.1

99.0

98.9

0 2 4 6 8 101214161820222426283032343638

進料位置（自上而下）

總質(zhì)量分數(shù)，

%

總質(zhì)量分數(shù)，

%

進料位置的影響

側(cè)線采出位置的影響

2024 年.第 4 期 蘇佳林，等．隔壁塔在戊烷發(fā)泡劑分離過程的應用研究 - 71 -

增大后減小，在液體分配比例（進料側(cè)）為 0.4 時

發(fā)泡劑中戊烷總質(zhì)量分數(shù)最高；隨氣體分配比例增

大，發(fā)泡劑中戊烷總質(zhì)量分數(shù)先增大后減小，比例

為0.4 時發(fā)泡劑中戊烷總質(zhì)量分數(shù)最高；氣體的分

配比例對于產(chǎn)品的純度影響更大，因此在塔內(nèi)件設(shè)

計時應注意水力學計算的準確。綜上所述，進料側(cè)

液體和氣體分配比例均為0.4。

4 隔壁塔流程與常規(guī)兩塔分離流程的對比

輕石腦油組分的分離為常規(guī)碳氫化合物分離，

常規(guī)精餾工藝流程即可實現(xiàn)并得到滿足指標的發(fā)泡

劑產(chǎn)品。從表1發(fā)泡劑分離塔原料中可以看出，其

中含有輕組分，如C3、C4組分，也含有重組分，如

C6+以上組分。因此為得到戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)品，常規(guī)

分離流程需先脫輕后脫重，需設(shè)置兩臺塔。同時為

考慮熱量回收，對常規(guī)的兩塔熱量進行了回收，同

時考慮塔頂?shù)臏囟龋瑢膳_塔的操作壓力、進料溫

度、進料位置、回流比也進行了優(yōu)化調(diào)整，其流程

見圖2。為保證兩種流程對比條件相同，對常規(guī)兩

塔流程總理論板設(shè)置為與隔壁塔流程隔壁塔總塔板

數(shù)相同，隔壁塔流程與常規(guī)兩塔分離流程主要操作

參數(shù)見表2。

圖7 回流比與發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)和

再沸器負荷關(guān)系

99.8

99.6

99.4

99.2

99.0

98.8

98.6

98.4

13.0

12.5

12.0

11.5

11.0

10.5

10.0

9.5

9.0

8.5

8.0

7.5

7.0

17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

回流比

總質(zhì)量分數(shù)，

%

再沸器負荷 /MW

發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)

再沸器負荷

表 2 隔壁塔流程與常規(guī)兩塔分離流程主要操作參數(shù)

項目

隔壁塔流程 常規(guī)兩塔分離流程

發(fā)泡劑

分離塔 脫輕塔 發(fā)泡劑

分離塔

理論板數(shù) 78 39 39

進料位置（自上而下） 26# 18 25

側(cè)線采出位置 12# – –

塔頂壓力 /MPaG 0.5 0.5 0.1

塔頂溫度 /℃ 56.6 56.8 54.1

塔底溫度 /℃ 132.1 109.0 89.7

進料溫度 /℃ 80 95.0 92.3

回流比 20.0 7.0 2.0

戊烷發(fā)泡劑總質(zhì)量分數(shù)，% ≥99 ≥99

塔頂冷負荷 /MW 7.78 3.00 6.14

塔底熱負荷 /MW 8.45 3.79 5.82

3.4 回流比影響

圖7為回流比與發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)和再沸

器負荷關(guān)系?？煽闯鲭S回流比增大，發(fā)泡劑中戊

烷總質(zhì)量分數(shù)增大，但戊烷總質(zhì)量分數(shù)增長速率

變緩，同時塔釜再沸器負荷也相應增加。按照GB/

T 22053-2020要求，戊烷總質(zhì)量分數(shù)為≥99%（w），

在回流比為20時即可滿足，若再增大回流比則再沸

器負荷也相應增加，會造成能量浪費。

從表2可看出，隔壁塔流程相較于常規(guī)兩塔分

離流程，冷凝器負荷降低14.9%，再沸器負荷降低

12.1%，具有一定的節(jié)能效果。常規(guī)兩塔流程中由于

可以分別設(shè)置操作壓力，因此可降低發(fā)泡劑分離塔

的操作壓力，壓力降低有利于組分的分離，因此可

以降低其回流比，從而降低能耗；由于隔壁塔將兩

塔合為一塔，因此塔的壓力只能設(shè)置為一個值，這

也使得塔下部重組分的分離難度增大，熱負荷增大，

但總體來看，隔壁塔流程的能耗更低。

圖6 氣體、液體分配比例（進料側(cè)）與

發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)關(guān)系

100

99

98

97

96

95

94

93

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

分配比例（進料側(cè)）

發(fā)泡劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)，

%

液體分配

氣體分配

- 72 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

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表 3 隔壁塔流程與常規(guī)兩塔分離流程主要設(shè)備數(shù)量

項目 隔壁塔流程 常規(guī)兩塔分離流程

精餾塔數(shù)量 1 2

換熱器數(shù)量

（含冷凝器再沸器） 7 7

回流罐數(shù)量 1 2

機泵數(shù)量 2 3

從表3可看出，隔壁塔流程相較于常規(guī)兩塔分

離流程，精餾塔、回流罐、機泵數(shù)量均減少 1，隔

壁塔流程設(shè)備數(shù)量更少，從而減少了設(shè)備投資費用

和占地面積。

5 結(jié)語

（1）為提高重整輕石腦油附加值，充分回收其

中戊烷組分，利用流程模擬軟件，采用四塔模型，

建立了戊烷發(fā)泡劑分離裝置的隔壁塔流程，并對裝

置內(nèi)熱量進行了充分回收。

（2）對戊烷發(fā)泡劑分離裝置的隔壁塔流程操作

參數(shù)進行了分析優(yōu)化。測算結(jié)果表明，在進料溫度

為80 ℃；進料位置和側(cè)線采出位置（自上而下）為

26#

、12#

；進料側(cè)液體和氣體分配比例為0.4時發(fā)泡

劑戊烷總質(zhì)量分數(shù)最高；回流比大于20時，即可得

到合格的戊烷發(fā)泡劑產(chǎn)品，再增大回流比雖然可以

提高戊烷總質(zhì)量分數(shù)，但再沸器負荷也相應增大，

造成能量浪費。

（3）將建立的隔壁塔流程與常規(guī)兩塔分離流程

進行對比，結(jié)果表明，隔壁塔流程的精餾塔、回流

罐、機泵數(shù)量均減少1，從而減少了設(shè)備投資費用

和占地面積；隔壁塔流冷凝器負荷減少14.9%，再

沸器負荷減少12.1%，具有一定的節(jié)能效果。

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望[J]．當代石油石化，2020，28（06）：10-15．

（上接第 26 頁）

摘? 要：針對某石化公司環(huán)己酮裝置脫氫加熱爐運行中存在的熱效率低、熱媒熔鹽介質(zhì)危害性大、系統(tǒng)安全

性差等問題，分析原因并采取相應措施。爐體結(jié)構(gòu)不合理、燃燒器低效、爐管積灰、排煙溫度高導

致脫氫加熱爐運行熱效率低；熔鹽為危險化學品且高溫運行下熱媒熔鹽介質(zhì)危害性大；熔鹽存在堵

塞管道、泄漏風險和明火安全距離不足，系統(tǒng)安全性差。通過優(yōu)化設(shè)計脫氫加熱爐主體結(jié)構(gòu)、應用

新型熱媒介質(zhì)、更新燃燒器及控制系統(tǒng)、優(yōu)化工藝系統(tǒng)流程等多項升級改進措施，脫氫加熱爐平均

熱效率由88.13%提升至94.32%，燃料氣消耗降低0.010 t/t環(huán)己酮，系統(tǒng)自動化水平大幅提升，滿足

了節(jié)能降耗和設(shè)備安全可靠運行要求，對化工生產(chǎn)中采用熔鹽作為熱傳遞介質(zhì)的工藝裝置改造具有

借鑒和推廣意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)己酮 脫氫加熱爐 技術(shù)升級 改造 效果

環(huán)己酮裝置脫氫加熱爐系統(tǒng)改造探究

但加飛，周衛(wèi)

（中石化湖南石油化工有限公司，湖南岳陽 414014）

收稿日期：2024-03-04

作者簡介：但加飛，高級工程師。2010 年畢業(yè)于長江大學機械工程學院過程裝備與控制工程專業(yè)。從事設(shè)備管理工作。

通訊聯(lián)系人：但加飛，danjf2.hnsh@sinopec.com。

Study on Revamp of Cyclohexanone Dehydrogenation Heating Furnace System

Dan Jiafei，Zhou Wei

（SINOPEC Hunan Petrochemical Co., Ltd.，Yueyang，Hunan 414014，China）

Abstract: Aiming at the problems such as low thermal efficiency, great harm of molten salt medium and poor

system safety in the dehydrogenation furnace of cyclohexanone unit in a petrochemical company, the causes are

analyzed and corresponding measures are taken with good effect. The results show that the main reasons for the low

operating thermal efficiency of dehydrogenation furnace are unreasonable furnace structure, low burner efficiency,

ash accumulation in furnace tube and high smoke exhaust temperature. The main reason for the great harm of the

heat medium molten salt is that it is a dangerous chemical and operates in a high temperature environment for a long

time. The main reason for the poor safety of the system is that the molten salt has the hidden danger of blocking

the pipeline, the risk of leakage and the insufficient safety distance of the open flame. By optimizing the main

structure of the dehydrogenation furnace, applying new thermal media, updating the burner and control system,

optimizing the process system and other upgrading and improvement measures, the average thermal efficiency of

the dehydrogenation furnace is increased from 88.13% to 94.32%, the fuel gas consumption is reduced by 0.010 t/

t, and the system automation level is greatly improved. It meets the requirements of energy saving and safe and

2024 年 8 月·第 9 卷·第 4 期 >> 過程優(yōu)化 <<

石油石化綠色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

引用格式：但加飛，周衛(wèi) . 環(huán)己酮裝置脫氫加熱爐系統(tǒng)改造探究 [J]. 石油石化綠色低碳，2024，9（04）：73-78.

- 74 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

某石化公司環(huán)己酮脫氫裝置加熱爐的主要作用

是通過在爐內(nèi)燃燒燃料氣對熱媒介質(zhì)加熱升溫，將

高溫熱媒介質(zhì)輸送至用熱設(shè)備供熱。在環(huán)己酮脫氫

裝置設(shè)備中，脫氫加熱爐屬于關(guān)鍵設(shè)備，同時也是

高耗能設(shè)備，運行能耗在整套裝置中占比最大。多

年來該加熱爐運行熱效率低、熱媒熔鹽介質(zhì)危害性

大、系統(tǒng)安全性較差等問題一直影響裝置的安全穩(wěn)

定運行。

1 脫氫加熱爐概況

環(huán)己醇脫氫是環(huán)已酮裝置運行過程中最關(guān)鍵工

序，所需能耗由脫氫加熱爐供給。該脫氫加熱爐為

R–QXY（Q）系列直流式燃氣爐，使用可燃氣體作

為燃料，借助熔鹽循環(huán)泵進行強制液相循環(huán)并將熔

鹽中的熱量傳遞給脫氫裝置用熱設(shè)備，從而完成熱

能供應，熔鹽熱系統(tǒng)運行機制如圖1所示。該爐型

配套高溫脫氫工藝設(shè)置，可獲得400～450 ℃的高溫

熱源，設(shè)計熱功率1.8 MW，設(shè)計運行效率88%，燃

料介質(zhì)為煉廠干氣或液化氣，以煉廠干氣為主。爐

內(nèi)熔鹽熱媒介質(zhì)自下而上在爐內(nèi)流動取熱；燃燒器

裝設(shè)在爐頂，采用自上向下噴火方式以優(yōu)化爐內(nèi)溫

度分布。

88.13%，與集團標準要求的工況狀態(tài)下低于10 MW

熱負荷的加熱爐熱效率必須達到規(guī)定標準的91%以

上不符。分析原因如下。

2.1.1 爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理

原裝置脫氫加熱爐使用時間較久，且爐膛內(nèi)部

換熱管采取沿爐膛內(nèi)壁盤旋對稱布設(shè)的傳統(tǒng)設(shè)計模

式，使得爐內(nèi)熱量不能充分傳遞給熔鹽介質(zhì)，降低

了熱效率。

2.1.2 燃燒器燃燒效率低

原脫氫加熱爐燃燒器采用G9/1–D型WeishauPt1.0

版技術(shù)，經(jīng)多年更新迭代，該套燃燒系統(tǒng)技術(shù)已相

對落后。主要表現(xiàn)在燃燒系統(tǒng)控制和燃燒噴嘴結(jié)構(gòu)

形式方面?？刂葡到y(tǒng)采用遠傳調(diào)節(jié)閥進行流量單線

控制，未與風門及緊急切斷閥關(guān)聯(lián)，安全性弱，且

動態(tài)控制效果差，在空氣與燃料比例控制、進風速

度、進風預熱溫度等方面與當前行業(yè)內(nèi)先進技術(shù)相比

差距較大；燃燒噴嘴的結(jié)構(gòu)形式也不滿足氮氧化物

（NOx）排放要求。此外，燃料氣的質(zhì)量及供應穩(wěn)定

性直接影響了燃燒器的燃燒效率，裝置運行期間因

燃料氣波動造成爐膛燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象時有發(fā)生。

2.1.3 脫氫加熱爐管積灰

脫氫加熱爐內(nèi)部積灰有多方面因素[1]。主要是

燃料氣質(zhì)量不好、燃燒器燃燒不充分、爐內(nèi)換熱管

道設(shè)計布置不合理等原因，同時有燃料氣與預熱空

氣配比操作調(diào)整不當?shù)挠绊憽?/p>

2.1.4 排煙溫度高

通過收集匯總過往脫氫加熱爐熱效率測試報

告中排煙溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該套加熱爐熱負荷低于 5

MW，排煙溫度一直處于 200～230 ℃，與集團標

準，即最終排煙溫度一般不大于170 ℃不相符。排

煙溫度高，燃料氣燃燒后的煙道氣直接排放進入大

氣，導致大量熱能隨煙道氣被排出，不僅熱效率非

常低，還增加了能耗成本。

2.2 熱媒熔鹽介質(zhì)危害性大

該套脫氫加熱爐主要利用熔鹽作為熱媒傳導介

質(zhì)，主要組成物質(zhì)包括亞硝酸鈉、硝酸鈉、硝酸鉀

等，自身具有極大危害性；其熔點為142.3 ℃，處

reliable operation of equipment. It has the significance of reference and popularization in chemical production plant,

especially in molten salt heating process plant.

Keywords: cyclohexanone；dehydrogenation furnace；technology upgrading；revamp；effect

圖1 熔鹽供熱系統(tǒng)運行原理示意

熔鹽釋

放熱能

熔鹽由固態(tài)加熱為

液態(tài)；并兼顧貯鹽

和排氣功能

熔鹽不斷

得到熱能

強制循環(huán)

熔鹽

主循環(huán)回路

熱用戶熔鹽槽 循環(huán)泵加熱爐排氣

2 存在問題及原因分析

2.1 脫氫加熱爐熱效率低

改造前環(huán)己酮脫氫裝置加熱爐熱效率均值為

2024 年.第 4 期 但加飛，周衛(wèi)．環(huán)己酮裝置脫氫加熱爐系統(tǒng)改造探究 - 75 -

理難度較大[2]。為確保熔鹽熔點穩(wěn)定，裝置每次大

修采用人工更換熔鹽，勞動強度大且有職業(yè)危害。

在裝置運行過程中溫度控制不當，高溫下熔鹽易氧

化產(chǎn)生氰化物、氯化物等毒害介質(zhì)。不僅如此，因

熱媒熔鹽持續(xù)在高溫下運行存在泄漏傷人風險，故

對熔鹽設(shè)備本身要求更高，如增加雙端面機械密封

并設(shè)置狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等設(shè)備，投資成本較高。

2.3 系統(tǒng)安全性較差

脫氫加熱爐存在爆炸風險，一直被該石化公

司列為十大安全風險隱患之一。環(huán)己酮裝置依山而

建，自山坡由上而下階梯布置有氧化、脫氫、加氫

工段。加熱爐作為脫氫主要設(shè)備布置在山坡中部，

距離西側(cè)中心控制室不足30 m。一旦氧化工段易燃

易爆介質(zhì)泄漏容易向該爐區(qū)聚集，遇加熱爐明火極

易發(fā)生著火爆炸，可能引發(fā)重大人身傷亡。

脫氫加熱爐運行不穩(wěn)定影響整套裝置的平穩(wěn)運

行。原加熱爐熔鹽介質(zhì)為無機熱載體，在溫度控制

較低或波動較大的情況下，熔鹽介質(zhì)易堵塞管道；

同時熔鹽長軸液下泵長期在高溫惡劣工況下運行，

故障頻發(fā)，有可能引起熔鹽供應中斷，從而導致用

熱設(shè)備供熱不足，引起產(chǎn)品質(zhì)量不合格或非計劃停

工，進而影響氧化、精餾生產(chǎn)進程。

3 改造方案

3.1 優(yōu)化設(shè)計脫氫加熱爐主體結(jié)構(gòu)

針對原脫氫加熱爐熱效率較低的情況，對爐主

體進行整體更換。新型脫氫加熱爐主機采用立式底

燒圓筒螺旋盤管結(jié)構(gòu)[3]，設(shè)置內(nèi)、中、外3層盤管；

盤管間并聯(lián)分布[4]，如圖2所示。熱媒介質(zhì)在盤管

內(nèi)底進上頂出，與爐內(nèi)煙氣進行逆向換熱，改善換

熱效果。煙氣走兩回程，降低爐內(nèi)煙氣阻力，同時

在吹掃階段縮短了可燃氣體在爐內(nèi)停留時間，提高

系統(tǒng)安全性[5]。爐體頂部設(shè)置錐形盤管，降低爐頂

外壁高度的同時，保證了高溫工況下爐頂耐火澆筑

材料不會塌陷。爐管選用20 GB3087鍋爐管，腐蝕

裕量 2 mm，爐管的設(shè)計使用壽命要求大于 20 年。

爐頂耐火材料采用陶瓷纖維模塊，隔熱保溫效果

好，同時保證爐體在使用多年后，仍不會因為耐火

材料的脫落損壞底部燃燒器；且陶瓷纖維的維修更

換非常方便。爐底耐火材料屬高溫不定型澆注料，

對高溫耐受性極強，熱傳導率非常低，能夠大幅延

長高溫工況下爐底使用壽命。內(nèi)盤管支撐件采用

310耐熱不銹鋼，頂部吊掛件采用304不銹鋼，確保

了內(nèi)部換熱盤管的穩(wěn)固性。爐身外部保溫材料采用

200 mm厚度優(yōu)質(zhì)硅酸鋁纖維氈，以保證在低溫環(huán)境

下，盡可能降低脫氫加熱爐散熱損失。爐膛內(nèi)部尺

寸的設(shè)計與燃燒器火焰相匹配，既不會有火焰沖刷

爐管的狀況，同時又保證不會因煙氣溫度過高產(chǎn)生

過量NOx。

圖2 立式底燒結(jié)構(gòu)爐

3.2 應用新型熱媒介質(zhì)

隨著低溫脫氫新技術(shù)的開發(fā)并投入運行，工藝

需用的主流體工作溫度可降至240～260 ℃，對熱

媒介質(zhì)的溫度需求大大降低。根據(jù)工藝溫度條件和

最高溫度下的熱傳導關(guān)系，選用適宜的低溫熱載體

導熱油作為熱傳導介質(zhì)[6]，使之取代高溫熱媒熔鹽。

但在實際選擇中必須充分考慮導熱油的極限高溫耐

受性，溫度與比熱、黏性、導熱系數(shù)的相關(guān)性，禁

止超溫使用。據(jù)此將導熱油最高耐受溫度設(shè)計為

主流體最高工況溫度＋40 ℃。綜合各方面因素分

析，選用L–QC320牌號導熱油。此種導熱油特性主

要體現(xiàn)在安全穩(wěn)定、無臭、無污染、極低揮發(fā)性等

方面，其閃點160 ℃左右，自燃點溫度大于350 ℃，

pH值為中性，無腐蝕性，對設(shè)備材料壽命無負面影

響；操作溫度下運行黏度不大于3 mm2

/s，流動阻力

損耗較熔鹽介質(zhì)大大降低[7]。同時，該導熱油在含

氧量較高的環(huán)境中具有較強的抗氧化特性，在最高

工作溫度下的穩(wěn)定性較高。導熱油質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)如

表1所示。

3.3 更新燃燒器及控制系統(tǒng)

應用高效節(jié)能型燃燒器能夠更加精準控制導熱

- 76 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

表 1 L-QC320 導熱油性能

項目 指標 參數(shù) 試驗方法

運動黏度（25℃）/（mm2

/s） ≤25 8.200 GB/T 265

運動黏度（250℃）/（mm2

/s） 報告 1.732 GB/T 265

閃點（閉口）/℃ ≥100 164.9 GB/T 261

水溶性酸或堿 無 無 GB/T 259

自燃點 /℃ ≥320 430 SH/T 0642

油溫度，確保熱設(shè)備穩(wěn)定性。新型燃燒器[8]實現(xiàn)流

入量動態(tài)控制。其中，管路上裝配有檢漏泵，能夠

實時監(jiān)測管路泄漏情況，以免氣體持續(xù)泄露引發(fā)安

全事故。由于燃燒器進入工作狀態(tài)之前，燃料氣體

必須達到一定濃度和壓力，故需要在管路上安裝一

個用于壓力控制的開關(guān)裝置[9]，在燃氣壓力達到燃

燒器工況壓力需求時，進料電磁閥自動開啟，燃燒

器才能正常運行。

3.4 優(yōu)化工藝系統(tǒng)降風險

基于風險管控，對導熱油循環(huán)工藝流程進行優(yōu)

化[10]。供熱系統(tǒng)導熱油流程是由脫氫加熱爐、導熱

油循環(huán)泵、導熱油膨脹罐、導熱油儲罐、閥門、過

濾器等設(shè)備通過特定線路和管道連接而成。導熱油

首先流入循環(huán)泵，經(jīng)升壓并通過爐體進口集合管到

達爐管內(nèi)，通過爐管壁與煙氣換熱轉(zhuǎn)換成高溫導熱

油，并由出口集合管流出，最后分配至各用熱源進

行換熱，實現(xiàn)閉路循環(huán)工作。整個導熱油流程中，

導熱油膨脹罐設(shè)在超出整個系統(tǒng)設(shè)備、管線最高標

高的1.5 m以上位置，主要負責臨時存儲供熱系統(tǒng)

中的導熱油，系統(tǒng)運行至最高工作溫度時會產(chǎn)生體

圖3 導熱油循環(huán)工藝流程

導熱油膨脹罐

用熱

設(shè)備區(qū)

導熱油爐

導熱油循環(huán)泵

儲油罐

2024 年.第 4 期 但加飛，周衛(wèi)．環(huán)己酮裝置脫氫加熱爐系統(tǒng)改造探究 - 77 -

積膨脹，兼具導熱油供應量緩沖、導熱油氣排出、

循環(huán)泵汽蝕余量維護等功能；儲油罐安裝在供熱系

統(tǒng)底部[11]，主要負責收集膨脹罐在最大工況溫度溢

流的導熱油、為全系統(tǒng)貯存和提供導熱油、補償膨

脹罐導熱油量；導熱油循環(huán)泵主要負責調(diào)節(jié)閉路循

環(huán)狀態(tài)下的導熱油流量和揚程，使工藝運行參數(shù)始

終保持適宜狀態(tài)，確保導熱油閉路循環(huán)動力穩(wěn)定。

導熱油循環(huán)泵選用無密封耐高溫屏蔽泵，在系統(tǒng)的

配置兩臺，一臺常用，另一臺為維修備用泵。

3.5 合規(guī)設(shè)計空間布局

將加熱爐設(shè)置在裝置邊緣區(qū)域，與中心控制室

距離由原15 m擴大到現(xiàn)50 m，滿足明火間距安全距

離要求。爐體設(shè)置在主導風向的下風側(cè)，且有較好

的自然通風和采光，并對空間布局采用整體壓縮優(yōu)

化設(shè)計。

4 改造效果

4.1 脫氫加熱爐熱效率提高運行成本降低

脫氫加熱爐技術(shù)改造項目投用至今已超過一

年，根據(jù)使用監(jiān)測數(shù)據(jù)和熱效率測試結(jié)果，排煙溫

度始終控制在150 ℃以下；平均熱效率較改造前高

6%，最低為93%。低能耗燃燒器系統(tǒng)的應用，使天

然氣消耗下降0.010 t/t環(huán)己酮，改造前后熱效率和

煉廠干氣消耗對比見表2。爐體導熱油阻力降小于

0.2 MPa，低阻力降意味著泵耗能減少；不僅如此，

無密封屏蔽泵使用長周期穩(wěn)定運行工況良好，較之

前立式長軸熔鹽離心泵故障率大大降低，節(jié)省了設(shè)

備使用維護成本。

通過一年運行效果比對，干氣消耗成本和故障

維修成本降低顯著。具體計算如下（根據(jù)財務(wù)報表

數(shù)據(jù)，全年環(huán)己酮產(chǎn)量為86 857.4 t）。

干氣消耗下降帶來增效：86 857.4×0.010×

1 630.49＝141.62萬元。（干氣價格取2022年全年平

均不含稅價1 630.49元/t）。

故障維修平均減少2次/年，按照每次維修消耗

軸承2套，機封1套計算，配件消耗下降帶來增效：

（2 180×2＋7 182×1）×2＝2.31萬元。

綜上，改造投用后增效為：141.62 ＋ 2.31 ＝

143.93萬元。

4.2 自動化水平提升

新型燃燒器系統(tǒng)集成了燃燒過程自動監(jiān)測、燃

燒熱量自動調(diào)控、進氣量自動控制、安全風險自動

監(jiān)測、供熱溫度自動調(diào)節(jié)等功能，能夠在不同工況

狀態(tài)下保持最佳熱效率。整體而言，自控系統(tǒng)的自

動化調(diào)控能力較強，能夠使脫氫加熱爐始終處于最

佳運行狀態(tài)，發(fā)揮更高性能。

4.3 脫氫加熱爐運行可靠性提升

首先，脫氫加熱爐熱媒介質(zhì)改為導熱油液相循

環(huán)，320 ℃時系統(tǒng)運行壓力不到1.0 MPa，下調(diào)整個

系統(tǒng)的承壓等級；其次，導熱油介質(zhì)對高溫和低溫

耐受性較強，不同溫度下的黏度和流動性非常穩(wěn)定，

不存在堵塞管道風險；新導熱油投用和廢油處理難

度降低，減少人員傷害和環(huán)境污染的風險；最后，

整套脫氫加熱爐系統(tǒng)既減少了占地面積，也保留了

足夠的明火安全距離，徹底消除了安全風險隱患。

5 結(jié)語

（1）脫氫加熱爐運行熱效率低的主要原因是爐

體結(jié)構(gòu)不合理、燃燒器低效、爐管積灰、排煙溫度

高；熱媒熔鹽介質(zhì)危害性大的主要原因是熔鹽為危

險化學品且高溫運行；系統(tǒng)安全性差的主要原因是

熔鹽存在堵塞管道、泄漏風險和明火安全距離不足

的安全隱患。

（2）通過優(yōu)化脫氫加熱爐主體結(jié)構(gòu)設(shè)計、應

用新型熱媒介質(zhì)、更新燃燒器及控制系統(tǒng)、優(yōu)化工

藝系統(tǒng)流程等多項技術(shù)改進措施，脫氫加熱爐平均

熱效率由88.13%提升至94.32%，燃料氣消耗降低

表 2 改造前后熱效率和煉廠干氣消耗對比

項目 時間 熱效率，% 干氣消耗 /（t/t 環(huán)己酮）

改造前

2021.5 87.61 –（使用液態(tài)）

2021.6 88.32 0.056

2021.7 88.25 0.049

2021.8 88.33 0.046

均值 88.13 0.053

改造后

2022.5 93.94 0.045

2022.6 94.19 0.039

2022.7 – 停車

2022.8 94.84 0.044

均值 94.32 0.043

備注：干氣消耗均值均已剔除異常工況消耗值。

- 78 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

0.010 t/t環(huán)己酮，系統(tǒng)自動化水平大幅提升，滿足

了設(shè)備節(jié)能降耗和安全可靠運行要求。對化工生產(chǎn)

中采用熔鹽作為熱傳遞介質(zhì)的工藝裝置改造具有借

鑒和推廣意義，符合新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展需要。

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作用及其設(shè)計[J]．研究與探討，2019（3）：10-11．

八面來風

活性炭“海綿”直接捕集空氣中二氧化碳

據(jù)報道，劍橋大學研究人員利用帶電活性炭開發(fā)出一種低能耗碳捕集技術(shù)，能夠比傳統(tǒng)方法更有

效地直接從空氣中吸收二氧化碳。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過給活性炭“海綿”充電，使其與二氧化碳形成

可逆鍵，可成功從空氣中直接捕集二氧化碳。與目前的碳捕集工藝相比，由于活性炭“海綿”去除捕

集的二氧化碳需要的溫度更低，所以更節(jié)能。直接空氣捕集通常使用海綿狀材料從大氣中去除二氧化

碳，但目前價格昂貴，需要高溫并使用天然氣，而且缺乏穩(wěn)定性。研究人員表示，活性炭廉價、穩(wěn)定，

而且可以大規(guī)模生產(chǎn)?；钚蕴坑糜谠S多凈化應用，例如水過濾器，但通常不能用于捕集空氣中的二氧

化碳。研究人員表示，如果活性炭可以像電池一樣充電，將是一種合適的碳捕集材料。當電池充電

時，帶電離子被插入電池的一個電極。由于氫氧化物與二氧化碳形成可逆化學鍵，假設(shè)給活性炭注入

氫氧化物將使其適合于碳捕集。研究人員使用了類似電池的充電過程，用氫氧化物離子給廉價的活性

炭布充電。布料與電池中的電極相似，氫氧化物離子積聚在活性炭的微小孔隙中。由于氫氧化物的結(jié)

合機制，活性炭“海綿”可以成功地直接從空氣中捕集二氧化碳，二氧化碳捕集率已經(jīng)與現(xiàn)有材料相

當。此外，該工藝的能耗更低，不需要高溫來捕集二氧化碳并再生活性炭“海綿”。加熱材料可以逆轉(zhuǎn)

氫氧化物-二氧化碳鍵，從活性炭“海綿”中收集二氧化碳，使其凈化和儲存。目前用于空氣捕集二氧

化碳的大多數(shù)材料都需要使用天然氣加熱至900 ℃高溫。而活性炭“海綿”只需利用可再生電力加熱至

90 ～100 ℃，能耗更低。但活性炭“海綿”也存在局限性，其捕集的二氧化碳數(shù)量以及潮濕環(huán)境下的性

能還需進一步提高。研究人員表示，該工藝可以擴展到碳捕集以外的領(lǐng)域，通過微調(diào)活性炭上的孔和

插入其中的離子以捕集一系列分子。

摘? 要：某煉廠擬將來自污水處理場的浮渣/油泥和活性污泥送至煤制氫裝置氣化爐協(xié)同處置，以實現(xiàn)“三

泥”的資源化利用。其中浮渣 / 油泥設(shè)計處理量 4.2 萬噸 / 年，活性污泥設(shè)計處理量 2.1 萬噸 / 年。

根據(jù)摻配比例實驗結(jié)果，浮渣/油泥、活性污泥按一定比例混合后，與水煤漿的摻配比例不宜大

于12%。根據(jù)測算，項目實施后，裝置進出料變化不明顯，改造后硫含量比改造前增加約 24噸/

年。浮渣/油泥、活性污泥摻燒后產(chǎn)生廢渣量較之前增加約0.2萬噸/年?？蓽p少能耗折算成標油為

882.18噸/年，減少碳排放量399.41噸/年，環(huán)境效益明顯。

關(guān)鍵詞：浮渣 油泥 活性污泥 水煤漿氣化 摻燒

煤制氫裝置氣化爐協(xié)同處置“三泥”探討

張成

（中國石油化工股份有限公司九江分公司，江西九江 332004）

收稿日期：2024-02-27

作者簡介：張成，碩士研究生，助理工程師。2020 年畢業(yè)于武漢工程大學化學工程專業(yè)。目前從事技改管理工作。

通訊聯(lián)系人：張成，1426446833@qq.com。

Discussion on Co-Disposal of \"Three Muds\" in Coal-to-Hydrogen Gasification

Zhang Cheng

（SINOPEC Jiujiang Company，Jiujiang，Jiangxi 332004，China）

Abstract: A refinery intends to send the scum/sludge and activated sludge from the sewage treatment plant to the

coal-to-hydrogen gasification to achieve the resource utilization of \"three muds\".The designed annual processing

capacity is 42,000 tons/year for floating sludge/oil sludge and 21,000 tons/year for activated sludge. Based on

blending ratio experiments, the blending ratio of floating sludge/oil sludge and activated sludge should not exceed

12% when mixed with water-coal slurry. According to calculations, after project implementation, there are no

significant changes in the feed and discharge of the unit before and after modification. The sulfur content increases by

approximately 24 tons/year after modification. The amount of waste slag generated from co-burning floating sludge/

oil sludge and activated sludge increases by about 2,000 tons/year compared to before modification.The annual

energy savings are equivalent to 882.18 tons of standard coal, and carbon emissions can be reduced by 399.41 tons

per year, demonstrating significant environmental benefits.

Keywords: floating sludge；oil sludge；activated sludge；water-coal slurry gasification；co-burning

2024 年 8 月·第 9 卷·第 4 期 >> 過程優(yōu)化 <<

石油石化綠色低碳

Green Petroleum & Petrochemicals

引用格式：張成 . 煤制氫裝置氣化爐協(xié)同處置“三泥”探討 [J]. 石油石化綠色低碳，2024，9（04）：79-84.

- 80 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

隨著“十四五”綠色低碳發(fā)展理念的提出，環(huán)

保要求日益嚴格[1]，實現(xiàn)有機廢物無害化處置、資

源化利用[2]，成為各大石油、環(huán)境院所和石化生產(chǎn)

企業(yè)亟需解決的重大課題[3]。目前某煉油企業(yè)污水

處理場產(chǎn)生的浮渣/ 油泥和活性污泥主要通過第三

方油泥減量化設(shè)施干化后外委處置，費用高且現(xiàn)

場異味明顯，亟需采用更加成熟可靠的路線加以處

理，降低費用的同時環(huán)保達標，實現(xiàn)浮渣/ 油泥和

活性污泥的資源化綜合利用[4]。結(jié)合該企業(yè)廠區(qū)實

際生產(chǎn)情況，可利用煤制氫裝置的氣化爐協(xié)同處置

浮渣/油泥和活性污泥。

將含水率高的固體廢物作為原料配制水煤漿，

利用氣化爐協(xié)同處置[5]，廢物中的有機成分轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

以H2和CO為主的合成原料氣[6]，可實現(xiàn)固體廢物

的資源化利用[7]。該技術(shù)屬于《國家先進污染防治

技術(shù)目錄（固體廢物處理處置領(lǐng)域）》（環(huán)境保護部

公告 2018 年第 5 號）推廣的先進技術(shù)（12. 水煤漿

氣化爐協(xié)同處置固體廢物技術(shù)），也屬于《產(chǎn)業(yè)結(jié)

構(gòu)調(diào)整指導目錄（2024年本)》中的第一類鼓勵類

第四十二條（10.工業(yè)“三廢”循環(huán)利用）[8]。采用

氣化爐協(xié)同處置固體廢物技術(shù)符合環(huán)保政策、產(chǎn)業(yè)

政策要求，可實現(xiàn)危險廢物的無害化處理和資源化

利用[9]。

1 “三泥”的組成和來源

某企業(yè)污水處理場產(chǎn)生的“三泥”主要指含油

污泥、浮渣和剩余活性污泥。含油污泥主要為隔油

池、浮選池排出的油泥、浮渣等，其組成大致可分

為水、乳化油或吸附油、固體異物、無機鹽、少量

烴類化合物、硫化物、酚類等，并伴隨惡臭[10]。浮

渣主要是浮選過程中產(chǎn)生的含油類和固體顆粒的混

合物。剩余活性污泥的主要由生化曝氣池排出。生

化曝氣采用粉末活性碳處理及濕式氧化再生技術(shù)

[11]，其排出的生化污泥為濕式氧化排出的污泥灰分

以及廢活性碳，其組成主要為水、廢碳、生化污泥

及其代謝產(chǎn)物。

油泥和剩余活性污泥含水率高且變動幅度較

大。目前污水預處理單元產(chǎn)出的浮渣/ 油泥（含水

率 97%）約 4.2 萬噸 / 年，濕式氧化再生（WAR，

wet air regeneration）單元產(chǎn)出的剩余活性污泥（含

水率97%）為2.1萬噸/年。

因此，浮渣/油泥的設(shè)計處理量為4.2萬噸/年；

活性污泥的設(shè)計處理量為2.1萬噸/年?！叭唷钡?/p>

設(shè)計處理量共計6.3萬噸/年。

2 “三泥”綜合利用處置分析

目前，該煉廠的浮渣 /油泥和活性污泥等危廢

外委處置，費用較高?；谏鲜銮闆r，該企業(yè)擬將

上述“三泥”送至煤制氫裝置氣化爐摻燒，利用水

煤漿氣化爐還原氣氛、高溫熔融、快速激冷的技術(shù)

特點[12]，將廢物中的有機物轉(zhuǎn)化為以CO和H2為主

的合成原料氣[13]。

2.1 摻燒比例的確定

將浮渣 /油泥、活性污泥按一定比例通入磨煤

機中，與原料煤、添加劑水溶液共磨制漿，制得符

合生產(chǎn)要求的水煤漿，經(jīng)高壓料漿泵加壓后送至氣

化爐。

該企業(yè)煤制氫裝置的原料煤工業(yè)分析結(jié)果如表

1所示。根據(jù)原料煤的特性，在原料煤粉中加入制

漿用水和水煤漿添加劑（2.0% 干劑 / 干煤），混合

后充分攪拌，制得水煤漿樣品[6]，樣品目標濃度在

60%以上。

表 1 某煤制氫裝置原料煤樣工業(yè)分析

原料煤 全水 Mt，

%

內(nèi)水 Mad，

%

灰分 Aad，

%

揮發(fā)分 Vad，

% 可磨性指數(shù) 硫，% 固定碳，% 灰流動溫度

（FT）/℃

神優(yōu) 2 號煤 12.89 8.80 6.43 29.09 61 0.44 55.68 1 169

浮渣 / 油泥與活性污泥分別按 0:1、1:1、1:2、

2:1 的比例混合，后與水煤漿樣品按照摻配比例

5%、10%、12%混合，分析摻混后煤漿的濃度、粘

度、流動性和穩(wěn)定性等性能參數(shù)，實驗結(jié)果如表 2

所示。

當摻混比例依次增加時，煤漿粘度增大，流動

性變差，24小時析水率增高。根據(jù)實驗結(jié)果可知，

當活性污泥與水煤漿樣品的摻混比例達到12%時，

有軟沉淀產(chǎn)生。浮渣 / 油泥與活性污泥分別按 0:1、

1:1、1:2、2:1比例摻混后，再與水煤漿樣品混合比

2024 年.第 4 期 張成．煤制氫裝置氣化爐協(xié)同處置“三泥”探討 - 81 -

例至12%時，均無沉淀。

實驗表明，在水煤漿樣品中摻配浮渣 / 油泥、

活性污泥會對水煤漿的成漿性能造成影響，摻混后

會增大煤料與水的接觸角，降低煤漿流動性[15]。因

此，建議浮渣/ 油泥、活性污泥與水煤漿的摻配比

例不宜大于12%。

2.2 摻燒實施方案

根據(jù)裝置運行情況，增設(shè)污水處理場浮渣 /油

泥和活性污泥送至煤制氫摻燒的流程，包括在污水

處理場設(shè)置2臺油泥輸送螺桿泵、2臺活性污泥輸送

螺桿泵，以及污水處理場與煤制氫裝置制漿單元磨

煤機之間的浮渣/油泥、活性污泥輸送管線。

浮渣 /油泥與活性污泥在流量控制下與原料煤

（干煤）按5%～12%質(zhì)量比制取水煤漿，送入煤制

氫氣化爐進行摻燒。浮渣/ 油泥摻燒的工藝流程簡

述如下：來自污水處理場浮渣罐的浮渣/ 油泥（含

水量 97% 左右），經(jīng)新增浮渣泵加壓至 1.0 MPa 左

右，通過管道（DN50）輸送至煤制氫裝置磨煤機

下料管處。來自污水處理場活性污泥罐的活性污泥

（含水率97%），經(jīng)新增活性污泥泵加壓至1.0 MPa

左右，通過管道（DN50）輸送至煤制氫裝置磨煤機

下料管處。

浮渣 / 油泥和活性污泥送入煤制氫氣化爐摻

燒流程后，污水處理場的污泥干化設(shè)施停止運行。

2.3 環(huán)保治理措施

廢氣治理方面，項目改造過程中封閉磨煤機觀

察口，并將磨煤機放空管引至磨煤廠房頂樓，因此

廢氣量不發(fā)生變化。在開停工及操作不正常時排放

的氣體密閉送入火炬系統(tǒng)。

廢水治理方面，項目實施后，正常工況下無清

洗廢水，僅在設(shè)備檢修時會產(chǎn)生少量的清洗廢水，

排至裝置污水池處理。該項目無新增員工，無生活

污水產(chǎn)生。

噪聲治理方面，該項目優(yōu)先選用低噪聲電機，

以減少噪聲污染。

固廢治理方面，項目實施后，對該裝置產(chǎn)生的

粗渣及濾餅進行屬性鑒別，結(jié)果為一般固廢方可按

現(xiàn)有工程處理措施處理；若鑒別結(jié)果為危險廢物，

則將該項目產(chǎn)生的濾渣及濾餅委托給有資質(zhì)的單位

處置。

3 項目預期實施效果

該企業(yè)煤制氫裝置設(shè)計產(chǎn)氫量10×104 Nm3

/h，

投煤量1 700噸/天（干煤）。煤制氫裝置的產(chǎn)品氫

氣組成見表 3，副產(chǎn)品酸性氣組成見表 4。該改造

后，煤制氫裝置產(chǎn)品方案不變。

表 2 摻混后煤漿的成漿性能參數(shù)

序號 浮渣 / 油泥：

活性污泥

摻配比例

（水煤漿樣品），% 濃度，% 表觀粘度／（MPa·s） 流動性 24 小時析水率，% 穩(wěn)定性

1

0:1

5 60.08 715 A- 2.0 無沉淀

2 10 60.16 867 B 3.5 無沉淀

3 12 60.16 950 C 4.0 軟沉淀

4

1:1

5 60.10 625 A 1.5 無沉淀

5 10 60.22 712 A- 1.5 無沉淀

6 12 60.11 766 A- 2.0 無沉淀

7

1:2

5 60.13 679 A 1.5 無沉淀

8 10 60.25 796 B+ 2.5 無沉淀

9 12 60.20 854 B 3.0 無沉淀

10

2:1

5 60.15 637 A 1.5 無沉淀

11 10 60.18 750 A- 2.0 無沉淀

12 12 60.05 795 B+ 3.0 無沉淀

注：摻混后煤漿流動性采用目測方法，根據(jù)煤漿的流動狀態(tài)將流動性分為四個等級：A 級，線狀流動；B 級，滴狀流動；C 級，借助外力流動；D 級，

不流動。并分別用“+”、“-”加以區(qū)分某一等級中的較好較差者 [14]。

- 82 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

表 3 產(chǎn)品氫氣組分 %（v）

產(chǎn)量 以純 H2 計 104

Nm3

/h

H2 mol% 98.27

CH4 mol% 0.881

Ar mol% 0.192

N2 mol% 0.385

H2O mol% 0.271

CO＋CO2 wt% ＜ 10 mg/m3

表 4 副產(chǎn)品酸性氣組成 %（v）

CO2 H2 N2 H2S CO CH4

64.97 0.14 2 32.73 0.16 0.003

3.1 物料平衡

表5為煤制氫裝置改造前后物料平衡情況，改

造前入方除鹽水用量為 131.7 萬噸 / 年，改造后浮

渣/油泥、活性污泥攜帶的水量可減少除鹽水用量，

表 5 煤制氫裝置改造前后物料平衡 萬噸 / 年

類別 項目 改造前 改造后

入方

原料煤 43.2 43.2

氧氣 32.3 32.3

氮氣 11.2 11.2

新鮮水 0.8 0.8

除鹽水 131.7 125.6

蒸汽 4.5 4.5

浮渣 / 油泥、

活性污泥 – 6.3

合計 223.6 223.8

出方

氫氣 5.8 5.8

廢氣 95.8 95.8

酸性氣 2.2 2.2

粗渣（濕 6.8 7.0

細渣（濕 1.3 1.3

外排污水 71.4 71.4

蒸汽 31.8 31.8

蒸汽凝結(jié)水 8.5 8.5

蒸發(fā)、損耗及

參與反應 25.2 25.2

合計 223.6 223.8

表 6 煤制氫裝置改造前后年總用水量平衡

萬噸 / 年

類別 項目 改造前 改造后

入方

新鮮水 0.8 0.8

除鹽水 131.7 125.6

蒸汽 4.4 4.4

“三泥”攜帶水 – 6.1

合計 136.9 136.9

出方

蒸汽 31.8 31.8

蒸汽凝結(jié)水 8.5 8.5

外排污水 71.4 71.4

蒸發(fā)、損耗及

參與反應 25.2 25.2

合計 136.9 136.9

除鹽水用量為125.6萬噸/年，減少6.1萬噸/年。

改造后入方新增浮渣 /油泥、活性污泥年用量

6.3萬噸，該項目在改造過程中封閉磨煤機觀察口，

并將磨煤機放空管引至磨煤廠房頂樓，因此廢氣量

不發(fā)生變化。出方新增粗渣及濾餅產(chǎn)生量為 0.2 萬

噸/年。

表6為改造前后煤制氫裝置水平衡。改造前裝

置總用水量為136.9萬噸/年，改造后仍為136.9萬

噸/年。改造后處理的浮渣/油泥、活性污泥攜帶的

水量可減少除鹽水用量，因此煤制氫裝置改造前后

廢水產(chǎn)生量不發(fā)生變化。

表7為改造前后煤制氫裝置硫平衡。改造前總

硫量為0.193 2 萬噸/年，改造后總硫量為0.195 6 萬噸/

年，改造后硫含量較改造前增加了0.002 4萬噸/年。

3.2 能耗

該項目中新增設(shè)備的電消耗量如表8所示。新

增設(shè)備的年用電量為109 200 kW·h/a。

根據(jù)《石油化工設(shè)計能耗計算標準》（GB/

T50441-2016），按照年操作時間8 400 h計算，項目

實施后的綜合能耗計算結(jié)果如表9所示。統(tǒng)計中未

包括開工、停工、事故、消防和臨時吹掃的能耗，

合計能耗為137.08噸標油/年。

目前，該企業(yè)污水處理場的浮渣 / 油泥、活

性污泥送至污泥干化單元處理后外委處置。污泥干

化設(shè)施能耗見表10。污水處理場的污泥干化單元處

2024 年.第 4 期 張成．煤制氫裝置氣化爐協(xié)同處置“三泥”探討 - 83 -

表 8 新增設(shè)備耗電量

序號 用電設(shè)備 工作數(shù) /（h/a） 用電量 /（kW·h /a） 備注

1 活性污泥螺桿泵 8 400 46 200 一開一備 / 連續(xù)

2 油泥螺桿泵 400 63 000 一開一備 / 連續(xù)

5 小計 109 200

表 9 項目主要能耗

序號 能耗類型 數(shù)值 單位

折合標油

噸標油 / 年

1 電 109 200 kgeo/（kW·h） 24.02

2 0.4 MPa 飽和蒸汽 2 184 kgeo/t 144.14

3 凈化風 67 200 kgeo/Nm3 2.55

4 0.4 MPa 凝結(jié)水 -2 184 kgeo/t -33.63

合計 137.08

表 10 污泥干化設(shè)施主要能耗

序號 能耗類型

年耗量 折合標油

數(shù)值 單位 噸標油 / 年

1 電 140.15 kW·h/a 308.33

2 1.0 MPa 飽和蒸汽 9.43 t/a 716.68

合計 1 025.01

表 7 改造前后煤制氫裝置硫平衡

入方

名稱 加工量 /（萬噸 / 年 ) 硫含量，% 改造前 改造后

原料煤 43.2 0.42 0.193 2 0.193 2

石油焦 0 0 0 0

浮渣 / 油泥、活性污泥 6.3 0.038 – 0.002 4

合計 – – 0.193 2 0.195 6

出方

克勞斯氣 1.209 6 11.56 0.139 44 0.139 44

汽提酸性氣 0.974 4 1.65 0.005 88 0.005 88

尾氣 95.76 0.48（mg/kg） 0.015 96 0.015 96

損失 – – 0.031 92 0.032 3

合計 – – 0.193 2 0.195 6

理浮渣/油泥，能耗折算成標油為1 025.01噸/年。

項目實施后，污水處理場的浮渣 /油泥和活性

污泥送至煤制氫氣化爐處理，新增能耗折算成標油

為 137.08 噸 / 年。污水處理場停運污泥干化設(shè)施，

減少能耗折算成標油為1 025.01噸 / 年。預計項目

實施后，可減少能耗887.93噸/年，減少碳排放量

421.06噸/年。

4 結(jié)語

目前，某煉廠的浮渣/油泥和活性污泥等危廢通

過外委方式處置，效果并不理想采用氣化爐協(xié)同處

置方法，將含水率約97%的浮渣/油泥、活性污泥作

為原料配置水煤漿，送至煤制氫氣化爐摻燒，屬于

先進污染防治技術(shù)，具有明顯的環(huán)境效益。

（1）按照浮渣 / 油泥設(shè)計處理量 4.2 萬噸 / 年、

活性污泥設(shè)計處理量2.1萬噸/年，進行摻配后與煤

制氫原料煤混合燃燒，其中浮渣/ 油泥、活性污泥

分別按0:1、1:1、1:2、2:1的比例混合后，與水煤漿

- 84 - 石油石化綠色低碳 2024 年.第 9 卷

的摻配比例不宜大于12%。

（2）項目實施后，裝置物料平衡保持基本一致，

總硫量較改造前增加約0.0 024萬噸/年，浮渣/油

泥、活性污泥摻燒后產(chǎn)生廢渣量較改造前增加約0.2

萬噸/年。

（3）停用污水處理場的污泥干化設(shè)施后，核減

新增能耗，預計減少887.93噸標油/年，即421.06

噸/年的碳排放量，環(huán)境效益明顯。

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貿(mào)易，2020．012（13）：194-196．

八面來風

預計 2050 年全球電力需求將翻一番

據(jù)報道，未來25年全球電力需求將翻一番。2022年電力占全球最終能源使用量的20%，預計2050

年將達到37%。同時，綠電占比將提高。2023年風能和太陽能發(fā)電占比為 13%，預計2040年將達到

50%，2050年增至70%。預計2050年82%的電力將來自可再生能源（太陽能、風能、水力、地熱和生

物質(zhì)能）。預計2050年核能發(fā)電將只占總發(fā)電量的6%（目前為9%），但2050年核能發(fā)電量將增長41%。

預計2050年全球只有12%的電力來自化石能源，但與凈零排放的要求仍存在較大差距。全球各地區(qū)能

源轉(zhuǎn)型存在差異。2050年大部分地區(qū)的太陽能和風能在其電力結(jié)構(gòu)中的比例都遠高于50%，只有歐亞

大陸東北部仍嚴重依賴化石燃料發(fā)電。由于政策以及風能和太陽能發(fā)電成本的持續(xù)大幅下降，中國、

北美和歐洲綠電不斷增長。預計從現(xiàn)在到2050年太陽能發(fā)電的平準化能源成本（LCOE）將減少一半，

使太陽能成為最廉價的電力來源，價格約為21美元/兆瓦時。預計2050年風電的LCOE將分別下降44%

（陸上）、36%（海上固定式）和75%（海上浮動式）。

（鐘涵軒）

《石油石化綠色低碳》期刊

征訂啟事

《石油石化綠色低碳》是由中國石油化工集團

有限公司主管、中國石化集團經(jīng)濟技術(shù)研究院有

限公司主辦，國內(nèi)公開發(fā)行的科技學術(shù)期刊，被

中國知網(wǎng)、萬方、超星、維普以及美國《化學文摘》

（CA）等學術(shù)資源庫收錄，是立足石化、輻射

上下游及相關(guān)能源化工領(lǐng)域的綜合學術(shù)期刊。

期刊為大 16 開，逢雙月 20 日出版，郵發(fā)代號 : 80-399，每期定價 30 元，全年 6 期

共計 180 元。

“雙碳”目標確立以來，石油石化行業(yè)掀起踐行綠色低碳發(fā)展熱潮?！妒褪G色低碳》

（CN10-1378/TE）緊跟綠色低碳發(fā)展前沿，對國家綠色低碳政策導讀、石油石化行業(yè)熱

點問題透視、行業(yè)綠色科技、企業(yè)綠色低碳發(fā)展理念及經(jīng)驗、國內(nèi)外綠色低碳技術(shù)發(fā)展狀況

等內(nèi)容進行重點報道，以更好地支持石油石化企業(yè)實現(xiàn)雙碳目標。

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