某石化企业余热梯级利用技术方案及经济效益分析

　　

作者简介：

曹建伟（1987-12），男，汉族，山东临淄人，大学学历，工程师，研究方向：化学工程

蔡田龙（1989-10），男，汉族，山东沂水人，大学学历，工程师，研究方向：化学工程

某石化企业余热梯级利用技术方案及经济效益分析

曹建伟，蔡田龙

（山东能源集团新材料有限公司,山东淄博,255000）

摘要：针对炼化企业余热分散、品位错配及低温热量利用不足等问题，以某炼化企业为对象，分析余热梯级利用技术。按热源温度构建高温做功、中温供汽与给水预热、低温发电及冷热联供的三级体系，提出设备选型和运行控制方案。按年运行8000 h测算，项目年净收益928万元，静态投资回收期4.61 a；年减排CO₂约1.07×10⁴t、节水约2.40×10⁴m³。敏感性分析表明，能源价格下浮20%时回收期仍不超过5.25a，方案具有推广价值。

关键词：余热梯级利用；炼化企业；有机朗肯循环（ORC）；经济效益分析；节能降碳

Technical Scheme and Economic Benefit Analysis of Cascade Utilization of Waste Heat in a Petrochemical Enterprise

Cao Jianwei，Cai Tianlong

(Shandong Energy Group New Materials Co.,Ltd.,Zibo 255000,Shandong,China)

Abstract:Aiming at the problems of scattered waste heat,grade mismatch and low utilization rate of low-temperature waste heat in refining enterprises,this paper constructs a three-stage cascade utilization system of high-temperature power generation,medium-temperature steam supply and water preheating,as well as low-temperature power generation and combined cooling and heating,and optimizes equipment selection and operation control strategies.The calculation results show that the annual net benefit is 9.28 million yuan with a static payback period of 4.61 years,achieving annual CO₂emission reduction of 1.07×10⁴tons and water saving of 2.40×10⁴m³.Sensitivity analysis verifies the scheme has stable economy and popularization value.

Keywords: cascade utilization of waste heat;Refining and chemical enterprise;Organic Rankine Cycle(ORC);Economic benefit analysis;Energy saving and carbon reduction

引言

化工生产装置连续运行，热物流多、能量品位跨度大，烟气、冷却介质、冷凝水及循环水等均蕴含可回收热量。受管网割裂、热源波动及季节负荷变化影响，部分企业存在高品位余热低效使用、中低温余热直接排散的问题，增加补汽、购电和循环水系统能耗^[1]。余热梯级利用强调按温度品位匹配做功、供汽、预热及冷热需求，是提升能源利用效率的重要路径。本文以某炼化企业为例，分析余热资源特性及利用痛点，设计三级技术路线并评价经济与环境效益，为同类企业改造提供参考。

1化工生产余热特性与案例背景

依据GB/T 39091—2020，化工余热按温度分为三级并实行梯级利用：500℃以上高温余热主要为加热炉烟气，用于产高压蒸汽发电及设备拖动；150～500℃中温余热源自工艺产物与再生烟气，用于工艺供汽与给水预热；150℃以下低温余热以循环水、冷凝液为主，可用于ORC发电、采暖及制冷。本文以千万吨级炼化一体化企业为研究对象，其余热存在布局分散、跨温区调配不足等问题，年余热排放量达126万GJ，近70%未有效利用，存在严重能级错配与能量浪费，构建余热梯级利用系统具备较强工程应用价值^[2]。

2化工生产余热梯级利用技术方案设计与实施

2.1余热梯级利用技术路线设计

本技术路线遵循“温度对口、梯级利用”原则，结合热源参数与生产用能需求，构建高温做功、中温供汽、低温综合利用的三级余热回收体系，通过各类管网及电力系统实现能量耦合，具体流程见图1。系统在保障生产装置安全稳定运行的前提下精准分配余热，杜绝热能能级错配损耗。高温段回收500℃以上加热炉、催化裂化装置烟气，经余热锅炉产超高压蒸汽，驱动汽轮机带动工艺压缩机与发电机组，排汽并入中压蒸汽母管；中温段收集150℃~500℃工艺余热，补充生产中压蒸汽并预热锅炉给水^[3]。低温段回收150℃以下低温介质余热，稳定热源用于有机朗肯循环发电，其余热量冬季供厂区采暖、非采暖期驱动溴化锂机组制备工艺冷量。各级系统配备调控组件，可动态调节支路负荷，保障余热梯级高效利用与系统稳定运行。

图1某石化企业余热梯级利用技术路线流程图

Fig.1 Flow chart of cascade utilization technology route of waste heat in a petrochemical enterprise

2.2关键设备选型与系统集成

本次设备选型结合热源腐蚀、含尘及负荷波动特性匹配选型，关键参数见表1。高温段采用耐硫腐蚀合金钢鳍片管余热锅炉，入口烟温 560 ∘ C 、 额定蒸发量

35t/h 、蒸汽压力9.8MPa，配套吹灰与旁路保障装置稳定运行；中温段选用316L不锈钢可抽芯管壳式换热器，换热负荷12.5MW、换热效率≥92%；低温段配置1200kW有机朗肯循环发电机组，采用环保R1233zd-E工质，发电效率≥8.5%。系统采用分级母管并联集成模式，通过三通阀实现采暖、制冷工况切换，依托PLC联动调控，搭配安全防护构件，可有效阻隔负荷波动，设备适配石化工程标准化应用场景。

2.3方案实施流程与运行控制策略

方案实施按照施工准备、停产接入和试运营3个阶段推进，第一阶段采用不停产作业方式，完成现场管线测绘、管廊承载校核、设备基础浇筑及养护，并预留蒸汽、热水、烟气和冷却介质接口，同步敷设动力电缆、控制电缆及仪表桥架，对动火、高处作业和交叉施工实施分区管理，减少改造活动对现有生产装置的干扰；第二阶段利用装置计划停产窗口完成余热锅炉、换热器及ORC机组吊装，依次开展管线对接、焊缝无损检测、压力试验、系统吹扫和保温施工，并完成PLC控制回路组态、信号核对及安全联锁调试。

2.4方案优化与调整建议

针对试运营低温余热负荷季节性失衡问题，需在低温热源母管、ORC机组及采暖支路增设切换阀组与联锁控制点，实行冬夏差异化分配：夏季关停采暖支路，余热全部用于ORC发电；冬季优先保障厂区采暖供热，富余热量再用于发电，消除季节性能量错配问题。针对装置工况波动导致的热源参数不稳问题，增设模块化蓄热缓冲装置与多点监测系统，通过蓄放热调节及旁路控制稳定设备入口参数，配置安全联锁规避工艺扰动影响。同时优化运维模式，推行预防性维护，定期开展设备清灰、渗漏检测与机组状态监测，建立设备台账与考核机制，动态优化运行参数，保障系统高效、稳定、长效运行。

3余热梯级利用方案的经济效益分析与优化

3.1直接经济效益核算

本次经济效益核算以项目正常生产年为基准，年运行时长8000h，不计融资、税费及残值。项目总投资4280万元，包含设备购置、安装及其他相关费用。在既定电价与蒸汽单价条件下，项目年总收益1070万元，年运行成本142万元，具体投入产出数据见表1。

表1余热梯级利用项目直接经济效益核算明细表

Tab.1 Detailed account of direct economic benefits of the cascade waste heat utilization project

以年收益扣除年运行成本形成的净收益作为年度回收额，项目静态投资回收期按下式计算。

（1）

其中，为静态投资回收期，单位为；为项目总投资，单位为万元；为年收益，单位为万元；为年运行成本，单位为万元；代入数据后，项目年净收益为928万元，静态投资回收期为4.61 a，折合约4年7个月，年投资收益率为21.68%，说明项目在不考虑资金时间价值时可于第5个运行年度内收回初始投资，并在后续正常生产年份持续形成直接收益。

3.2间接效益与环境效益评估

项目投运后，高温余热用于发电和工艺蒸汽生产，低温余热用于ORC发电及热水供应，按年运行8000 h测算，可减少外购电力600万kWh/a，替代蒸汽2.80万t/a，折合节约标准煤约4100tce/a，为企业降低综合能耗和单位产品能耗提供支撑。按照燃料燃烧排放折算系数估算，项目年减排CO₂约1.07×10⁴t、SO₂约49t、NOₓ约33t和烟尘约12t，余热回收同步减少凉水塔运行负荷及蒸发飘水损失，年节约水资源约2.40×10⁴m³，能够降低循环水补水量和相关处理药剂消耗。项目通过提高自产能源比例，降低对外购电力和集中蒸汽的依赖，增强能源系统对价格波动、供能中断及装置负荷变化的适应能力，并将余热资源消纳、能源消费强度控制与碳排放总量管理相衔接，为企业落实能耗双控、碳排放核算及碳达峰路径提供持续支撑，兼顾经济运行与绿色低碳转型目标^[4]。

3.3多维度敏感性分析与项目可行性总结

为识别关键经济参数对项目收益稳定性的影响，以4.61 a基准回收期开展单因素敏感性分析，分别将电力价格、蒸汽价格、初始投资和年运行成本在基准值上下20%范围内调整，其余参数保持不变；测算表明，电价下降20%或上升20%时，回收期分别为5.07 a和4.23 a，蒸汽价格相同幅度波动时分别为5.25 a和4.12 a。初始投资上下浮动20%时，回收期为3.69—5.53 a，年运行成本上下浮动20%时为4.48—4.76 a；比较变化幅度可知，初始投资对建设期资金控制要求较高，而收益端以蒸汽价格和电价最为敏感，应通过控制设备采购成本、优化负荷分配及签订中长期能源结算协议降低不确定性。结合工业能源价格走势、节能降碳政策导向和企业连续稳定的余热资源条件，即使电价或蒸汽价格下降20%，项目回收期仍不超过5.25 a，且可同步获得节能、减排和节水效益，表明该方案技术路径成熟、经济风险可控，具备在同类炼化企业复制推广的可行性^[5]。

4结语

本文以某炼化企业为对象，梳理余热特性与利用痛点，设计高温做功、中温供汽预热、低温ORC发电及冷热联供的三级体系，完成关键设备选型、系统集成、实施流程与运行控制方案。据此核算年收益、运行成本与静态回收期，评估减排节水效果，并分析电价、汽价及投资等参数波动影响。项目年净收益928万元，静态投资回收期4.61a，兼具节电、节气、减排和节水效益。敏感性分析表明项目抗能源价格波动能力较强，可为同类企业节能降碳改造提供参考。

参考文献

[1]朱俊霖.低浓度瓦斯预热直流催化氧化装置研发及性能研究[D].南宁：广西大学,2024.

[2]韩颖,单非凡,张飞燕,等.“双碳”目标下煤矿瓦斯全浓度区间梯级利用技术研究[J].中国煤炭,2025,51(05):96-104.

[3]王永立,侯一波,庄恒亚,等.“智慧热岛”余热利用技术在低温热系统的应用[J].现代化工,2025,45(07):254-259.

[4]张吉雄,顾晓薇,周楠,等.煤气化灰渣规模化分质梯级利用与高效处置技术研究[J].中国矿业大学学报,2025,54(03):471-484.

[5]杜亚东,王海媚,张涵之.基于空气反应器入口分流加热的化学链燃烧系统热力学性能研究[J].北京理工大学学报,2025,45(12):1259-1265.

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