早在人们形成环保意识之前就形成的石油化工传统，从产品布局、设计实施到开工投运、事故及废弃物处理等均把地球当成一个“垃圾桶”， 本文将以具体事例、数据揭示目前中国石化领域存在的节能减排问题，并提出了改造的设想，同时预期了石化领域的一些研发方向。

报载，今年八国峰会的主要议题是保护人类生存环境的节能减排，美国首当其冲。中国正成为石化大国，而把地球当成垃圾桶的石化生产从产品布局、设计实施、开工投运、事故及废弃物等的传统处置，无疑是节能减排的首要对象。这些传统处置不但要从观念上，而且要从具体实施上予以革除。

石化工业在产品布局中对附产物的处理

现以石化工业多见的制H2流程予以叙述。众所周知，H2在石化产品中是常见而用量很大的原料（气），空气中的H2含量是远远不够的，而必须人工制H2，这不外乎两种方法。一是电解水，产生有益于人类的O2和H2，然而，因电能消耗太大而不宜工业化。另一种是用煤炭作原料（例如煤气厂或早期的化肥厂）或烃类物料（例如天然气、油田气、炼厂气甚或柴油、渣油等）与水蒸汽发生转化反应产生部分H2及大量的CO，这是第一步。第二步是把CO与水（蒸汽）进行变换反应，把水（H2O）中的H2完全释放出来的同时O与CO结合成CO2。这样，现在的工业制氢流程都是在得到产物H2的同时伴有大量的副产物CO2。CO2是双键的无机物，性能十分稳定，如何在工业生产中处理这种附产物？

1.H2（氢）作为合成NH3（氨）的原料，而NH3又是作为化肥的主要原料，其处理附产物CO2采取以下3种途径。

■在尿素未投产的上世纪70年代中期以前，化肥主要是酸性肥料。50年代中后期苏联援建的吉林102厂、太原202厂及兰化的302厂以及国产的吴泾化工厂、衢州化工厂、广州氮肥厂等6万吨 NH3/年全是把制H2所产生的CO2“借天”排空。

■1958年国产的小化肥厂合理利用了附产物CO2，开创了环保的先例。

1958年，身为化工部副部长的侯德榜院士，从方案设计、具体实施及技术统筹都亲历亲为，成功生产出碳酸氢铵化肥，就成为后来遍及全国的小化肥厂的样榜。这不但充分利用了合成氨的附产物CO2的“变废为宝”；而且对于流程最后的碳化塔因结晶堵塞，对主要化工设备开创先河的予以“冗余”设置，采用并联的两个碳化塔，使从制氢到出化肥产品的生产流程连续运行，撤除了后面停车而波及到前面CO2放空。由于当时设备制造能力的限制，全国普及的小化肥厂大多为3000~6000吨NH3/年，最大也不过12000吨NH3/年，又加之碳酸氢铵肥效不如后来出现的尿素（脲），现可能全被淘汰。

■约在70年代中后期，以NH3与其附产物CO2为原料而合成为尿素（脲）已产业化。

由2个NH3（分子）与1个CO2（分子）合成1个尿素分子，它不但打破了化学上严格划分的有机物和无机物的界限，是介于有机（分子）和无机（分子）之间的化合物（2NH3+CO2=CO（NH2）2+H2O）；而且几乎把合成氨的附产物CO2近于完全“变废为宝”予以利用。这种科技进步不但使尿素的肥效远高于上述的酸性肥料且不“板结”土地，而且对减排CO2发挥了极大作用。

脲的分子量是60，NH3的分子量17，CO2的分子量是44；30万吨NH3/年对应尿素的产量是52.94 万吨尿素/年，对应的CO2耗量是38.82万吨 CO2/年；按每年300个有效生产日计算，则每天CO2耗量是1294.44 吨CO2/年，和53.92 吨 CO2/小时。然而，在实际生产中却并非如此完美。从制H2到合成NH3再到合成尿素，都是由大容量、单机组的动、静设备构成典型的串联流程。这种串联流程中，其中任一设备故障不但影响最终产品产量，而且会使该设备前的反应物和未反应物全部“借天借地”排放。在尿素生产流程中，合成NH3部分生产流程要长得多而且要2个NH3才能合成一个脲，且早已形成的合成NH3部分少有停产，而尿素合成部分流程虽短但因尿素溶融液强腐蚀致尿素合成塔钛衬底常需补漏而停产。

为保年产量，以合成氨储罐为界线的合成氨流程仍可继续正常生产，但其中的附产物既无储罐贮存也难以贮存而只能是“借天”排空。如此，合成NH3部分正常生产时，附产物CO2中有用于合成尿素的1294.11吨CO2/天，在尿素停产时也只得排到大气中。1个大型化肥厂至少有20天次的钛衬底补漏，则每家大型化肥厂因钛衬底补漏多“借天”排放25882.2 吨CO2/每厂年。现全国至少有20家大化肥厂，则全国仅大型化肥厂因设备补漏而多“借天”排放的CO2达51.765 万吨 CO2/年，加上合成NH3正常生产时附产物CO2的产能大于合成尿素的用量而“借天”的排放，按1.2倍计算，约62.12万吨 CO2/年“借天”排放。应当指出的是，上述计算的排放量不包括转化炉燃烧从其烟囱中排放的CO2。

这一问题的解决办法非常简单。仿我国化工界泰斗在化工流程中采取的关键设备冗余配置，在流程中设置两个并联的尿素合成塔予以后备冗余或错时在线冗余，除不增加副产物CO2的排放量之外，还可提高尿素产量，使其产量的“瓶颈”全取决于合成NH3的产量。

约在20多年前，仅换尿素合成塔上的一台耐腐蚀的高压调节阀，日本一著名厂家报价就是10万美元。如果尿素合成塔采取冗余配置，则一次投资增加幅度可想而知，因此企业必然会问，仅仅解决CO2适量排放就增加这么多的投资是否值得？这不是笔者应当回答的问题。但笔者提出如下合理的推断：如果在目前全套进口的大容量、单机组的串联流程中因容能达不到而采用二台并联的机组设备，或者在进口的全套大型化肥厂原本就对尿素合成塔予以冗余配置，会提出这种投资增加值不值得的问题吗？

2.炼油厂及现代化石化采用以烃类物料制H2的副产物CO2的处置。

毋庸置疑，以烃类原料与水蒸汽的转化制H2的CO含量比率小于以煤炭为原料制氢的CO含量比率，因而其相应变换所产生的附产物CO2含量也少些。

炼油厂对常减压分馏的一些侧线半成品油的二次加工分为两种情况。一是把短碳链的烷烃加长，C-（碳键）与C-相连会有H2多出来。例如把初项汽油（主要含C4~C7烷烃）进行铂重整，除环化生产成C6的芳烃之外，还产出C8高辛烷值重整汽油和释放出来的H2。另一种是把重组分半成品油轻化，即把长碳链截短，这样多出的C-有两种处置技术。一种是重油用催化裂化办法截短，而多出来的C在催化剂再生时烧掉，所产生的CO2从烟囱排放；另一种是近年增长迅速的加H2裂化，把重油的长碳链截短之后变成加氢汽油、加氢柴油等，其截短所露出C-用氢去接续。由初顶汽油重整处理的附产物H2远远不能满足这种加氢裂化（解）所需的H2量，须使用烃类原料制氢。

在现代乙烯工程中必然有芳烃厂，而芳烃也是由重油的加氢裂解而成，仅是所用的催化剂与运行工况不同于产加氢汽、柴油的而已，但都必须使用烃类原料制氢流程提供H2。

遗憾的是，据笔者了解，炼油或芳烃厂的制氢流程的附产物CO2现全是“借天借地”排放。看来，石化部门应对CO2的综合利用的研发予以高度重视，以尽量减少向天空排放。对此，笔者在技术上有新的构思，可协商实施。

石化生产流程开工投运逐一达标的排放应予解决

1.炼油部分的开工投运比较快捷而除加热燃烧的CO2排放外，无多余的其他排放。这是基于以下原因。

■如[2]所述，对原油进行一次加工（分馏）的常减压分馏各侧线半成品油都是通过油罐送至下游并联（行）的各二次加工生产流程；这主要是从防火安全角度考虑，不但任一生产流程停工不影响其他正常生产运行，而且一次加工与二次加工的各流程都不长而易于开工投产。

■各加工流程投运中，即使不达标，则液相物料可返回重新处理或回炼，气相物料作为炼厂气并入全厂燃料管网。

2.化工部分各（串联）生产流程开工投运按逐一达标打通的传统习惯的“借天借地”应予改变。

按笔者所接触到的生产流程，在乙烯部分聚氯乙烯生产流程最长，涉及的生产单元及设备最多；芳烃部分的重油加氢裂化前的制H2流程也不短。前者从电解工业盐（NaCl氯化钠）开始生产出原料之一的氯气（Cl2）；继之，Cl2与来自烯烃厂贮罐的乙烯进行一系列反应、分离后得到氯乙烯单体，这些氯乙烯单体送至多个并联的反应釜进行（间歇式）聚合反应后才生产出最终的聚氯乙烯。在以烃类原料制H2的流程中，若原料中含硫则在脱硫后与水蒸汽在一段转化炉内进行转化，是作为合成NH3的原料还要进行二段转化（主要作用是加入H2）后对其中的CO在变换反应器中进行变换得到更多的H2和附产物CO2，然后再送至甲烷化反应器把其中所含的未能变换的CO（微量）去掉达标以后再送至NH3合成塔或加氢裂化反应器。其中甲烷化反应器出来的CO含量应达到不使NH3合成塔或加氢裂化反应所用的催化剂中毒的微量标准。

在包括上述流程在内的所有化工产品生产流程，开工时都是从头开始（单体氯乙烯大概是逆向开车）投料待每一个单元（或反应器）出口（物料）达标后再逐次进入后继生产单元达标至全生产流程打通转入正常生产。从开工投料到转入正常生产这段时间内所有的反应物料与未反应物料全都是“借天借地”进行排放。

所谓每一生产单元逐一达标，有的是反应温度或操作压力达到预定设计值，有的是前面生产单元出料浓度达到后续生产单元处理的浓度标准。这其中包括上述制H2流程中从变模反应器出来物料中CO的浓度达到后即甲烷化反转化的处理要求（能力），不致使甲烷化后的H2中CO含量导致合成NH3或加氢裂化催化剂中毒。

这种按生产单元逐一达标的传统习惯使整个流程打通到正常运行需时不短；生产流程愈长，所含的生产单元或设备就愈多，开工投运的时间愈长。例如，在合成NH3生产流程中从烃原料脱硫开始至出NH3的整个流程打通，顺利时也需6~7天。如果其中有新装催化剂从“钝化”到激活，则这一反应器打通至少要36~48小时。如何破除开工投运时逐一达标打通整个流程的习惯，以减少开工打通整个生产（串联）流程期间的全（包括反应产物与未反应物料）量的“借天借地”排放，笔者有以下建议。

建议用惰性气体，例如约占空气的4/5的氮气（N2）代替实际原料逐一使各生产单元达到设计的操作指标后把其放空后并投用实际原料而进入正常生产运行。无疑，上述目睹因催化剂装填致压降太大可予解决，或者再装填后单独离线充N2测试予以解决，而N2的排放是回归大自然。

新装催化剂解除钝化、激活进入工作状态可否用N2按程序升温、保温等予以解决。催化剂在下生产线前最后予以钝化处理，以等待销售、运输等致使用再激活可达到预期的使用寿命。

关于串联流程中各生产单元（设备）达标后再依序逐一启动下一生产单元的处置则视不同情况分别对待。总的来说，除掉会使后续反应器内催化剂中毒的指标外，其他都可不予考虑。例如，制H2装置从投料至NH3合成塔或加氢裂化反应器前这一段流程都可用N2一并打通，各生产单元达到预定操作状态再实际投料，待甲烷化反应器出口的微量CO达标后再进入最终生产单元，这不但缩短了开工投运时间，也在很大程度上减少了有害物的排放。

石化生产运行发生事故时紧急处理的排放

石油化工生产所处理的物料是各种各样的。有的是有毒甚至是剧毒或强腐蚀性的，例如氯乙烯、四氯化碳中的Cl2（氯气），制H2中的CO等，大多是易燃易爆的烃类物料并常在高温、高压的操作条件下进行生产。笔者接触过同在高温高压操作下的生产装置当是美国德士古石油公司的专利——渣油汽化炉：用10MPa 的蒸汽把渣油（即铺马路的沥青或石油焦原料）雾化的同时，用10MPa 液态氧助燃产生1500℃ 高温使之裂解为短链烃再与H2O 转化为H2与CO等。所以，石化生产对于设备故障、原料成分大幅度变化招致设备故障、操作失误，尤其是生产设备更不能“千密一疏”，哪怕只有万分之一的出现概率，如不作紧急处理都可招致灾难性后果。

紧急事故处理就是紧急停车，以短时间停车损失来避免灾难性损失，其唯一途径是“借天借地”排放以泄压或降温等。视不同情况，这种紧急停车分局部停车和全流程停车。由大容量单机组形成的串联流程，后面生产单元停车不影响前面，但若为其提供原料的物料无贮存处时则又只能“借天借地”排放而使前面生产流程继续正常运行，其最典型的例子是前述的尿素生产全流程。相反，这种串联生产流程，若前端故障停车则必须全流程停车。勿须赘言，能局部停车决不全（流程）停，因为停车处理后的重新启动运行不仅耗能、耗时、耗原料，且在生产单元逐一达标前只能“借天借地”全排放；全流程停车处理后的重新启动与大修后的开工投运非常相似，唯独有的生产单元，倒如固定床反应器可以短时保温而已。显然，如能避免一次紧急停车，则是最有效的节能减排。

启动紧急停车的事故处理命令有两种途径：一是人工按钮启动联锁保护系统，另一个是由ESD（紧急事故停车装置）自动启动。前者的一次性投资约是后者的1/10；前者是由操作工根据生产设备运行情况决定是否按下按钮启动；后者是由ESD检测生产信息，依据是否达到联锁值（例如压力、温度或成分等）的综合逻辑处理自动决定是否启动联锁保护系统以进行紧急停车以及是局部停车还是全流程停车。

毋庸置疑，石化生产在事故处理中使用的联锁保护系统是一把“双刃剑”。这是因为对其的两个要求是：第一是该启动时必须启动（俗称它是“消防队”），否则将导致灾难性损失；第二个要求是不该启动时不能启动。在石化生产流程中ESD的配置及应用组态都是“量体裁衣”，即使同一流程甚至同一设计版本A、B，可能使用原料（例如天然气和油田气）的差别在联锁动作因素及数量上都不尽相同，联锁保护系统，尤其是ESD的配置及应用组态不但要求专业设计人员和调试维修人员具有责任心，在技术上更是要求全面而细致入微。

不但对联锁系统的动作对象——实际生产工艺有全面细致的了解，对导致联锁系统启动的各工艺参数相互关系（影响）有定性乃至定量的了解，甚至对这些参数的变化应设备（生产单元）的容量（包括热容量）所生产的容量滞后而导致它们之间在时间上错时互相关联与影响的动态关系，更使这些专业人员感到棘手。以致于他们在设计实施ESD应用组态或调试ESD时，宁愿对联锁系统的第二要求有所忽视，较之违背第一要求责任要轻些，国内外都是如此。

能否对石化生产必不可少的ESD在其应当动作之前把引发启动作的诱发因素扼杀于摇篮之中，在安全范围内阻遏联锁停车使生产继续运行，这就是下面介绍的智能型预联锁控制系统。

智能型预联锁控制是减少石化生产意外停车的节能减排的有效措施和发展方向

“预联锁”是指，对于配备有ESD的石化生产流程内各生产单元所用设备非器质性故障，由于原料有效成分大幅度变化、燃料管网或蒸汽管网的流量或压力大幅度快速变化、误操作等造成能引发ESD联锁动作的因素在向联锁值逼近而尚未到达时，不是“坐以待毙”等待ESD联锁，而是在这些因素已先期到达的预联锁值时“主动出击”。由执行正常平稳生产控制任务的控制站启动其预联锁控制方案取代正常平稳控制方案，采取非常动作（常是减小生产负荷而降压降温，部分卸压，减小供热或开启旁路等）有效抑制这些因素趋向联锁值，即把这些诱发ESD联锁动作的因素“扼杀”于摇篮之中，在安全范围内避免生产单元或整个流程停车而继续运行。但是，对于设备本身器质性故障，它是无能为力的。

显然，“预联锁”和“ESD联锁”任务是由安装在被控生产流程中两个不同的装置予以执行的。“预联锁”是在控制站内执行的，而“联锁”是由ESD执行的。这两种不同的装置本身无任何直接的外在联系。只有当“预联锁”未曾顾及到或设备器质性故障，“预联锁”未能制止住而使诱发因素达到联锁值时，必须出动“消防队”——ESD启动来避免灾难性损失。因此，不能因为有了“预联锁”功能而弃用ESD，对于易燃、易爆的石化生产流程，ESD是绝不能少的，并且要调整好而不应有任何“预联锁”无能为力的误联锁，如果“预联锁”能完全履行“职责”的话，则ESD可一直“休眠”状态。可是，要完美地设计“预联锁”方案进行“预联锁”控制并非易事，而有下述要求。

1.与前述设计、实施联锁保护系统（ESD内组态的应用程序是其主体）相同，“预联锁”方案设计、实施更要深入细致的“量体裁衣”。“预联锁”是正常生产平稳控制操作之外的非正常动作，常会大幅度削减全厂生产负荷，而这恰恰是全流程中机、泵负荷量的基准，而招致整个生产流程大波动，能不启动时应不予启动，而一旦从预联锁值退回来，则又回归正常的生产负荷并要求迅速平稳整个生产流程，无疑对控制站及其所采用的控制方案（即控制系统水平）有更高、更复杂的要求。

应予提及的是，预联锁动作大多是降低生产负荷，减小供热或打通换热器旁路的冷激管线或供热管线等，减负或减小供热也会带来降压、降温使被控参数从预联锁值退回。它与ESD联锁动作的区别是：

■ESD联锁系统是由ESD内应用组态程序决定是否启动以及是局部停车还是全流程停车，而预联锁是由控制站内预联锁组态程序决定启动与否。

■预联锁动作在时间和指标上（预联锁）抢在ESD动作之前动作，ESD的动作启动指标是由工艺设计指定的高-高或低-低报警值，而预联锁动作的预联锁值比前者的高-高报警值低些，较低-低报警值高些，究竟差值多少得视被控生产单元或设备的容量（包括热容量）及处理量而定。

■执行ESD动作的是一些双位式触点、开关和电磁伐，实施全开／全关的快速动作，而执行预联锁是正常生产平稳运行的调节阀等，按预联锁值要求启动预联锁改变其开度或启动换热器旁路的冷激流量或供热流量来降温、降压等。

2.对被检流程工艺必须透彻了解。

作为标称负荷的体积流量与表示有效成分的实际质量流量在不同工况下常需往返精确换算，对流程内各生产单元或出／入物流的换热引起单元内部正反馈而可能产生热不稳定性，应从容量滞后及时间常数长短等动态性能对预联锁控制方案的可行与欲稳定性予以慎重考虑与稳妥实施。这既涉及过程动态学和自控理论的知识，更有赖于实际经验的积累。在某种程度上，设计、实施预联锁控制系统是“如履薄冰”，一旦不谨慎，会引发ESD动作而前功尽弃。

3.对原设计的生产流程各单元配备的联锁回路全面逐一审核。

■既要对各回路引起ESD动作的各因素（参数）与被控生产单元的容量（包括热容量）引起的容量滞后及物流的纯滞后的因果关系及时间延迟的关联，也要对这些因素彼此间的因果及时间关联予以一一审定，后者既涉及ESD内的综合逻辑运算处理，也直接关系到是否达到联锁系统按轻重缓急确定的两个基本要求：该联锁时必须联锁及不该联锁的决不联锁（误动作）。尤其对于避免误联锁而有万分之一可能有碍该联锁时必联锁执行；也即在具体实施时的次序颠倒时，必须予以干净彻底地纠正。

■在设计、实施预联锁方案中，通过对各联锁回路的逐一审核，有碍预联锁执行的而并非必须的联锁回路（因素）应予取消；对于必须保护的联锁回路会因实施预联锁启动时导致ESD因该回路启动而联锁的，则在预联锁控制方案中予以考虑、落实。

4.对执行预联锁控制的控制站的要求。

■要对参与预联锁（控制）各因素的生产检测信号进行综合逻辑运算处理，根据结果判断是否切向预联锁控制。这就必须对这些信号进行同步、同拍采样与处理。

■当切换到预联锁控制时，会对该生产单元相关联的生产单元产生大扰动，执行平稳生产的控制站必须有足够的容量把这些生产单元（输入/输出回路）包括在一个控制站内进行综合、协调控制处理。一旦从预联锁值退回时应平滑切向正常的生产控制，平稳运行，确保石化生产要求的“安、长、稳”予以实现。

目前IEC（国际电工委员会）的21种（国际标准）FCS（现场总线控制系统）不能满足或不能同时满足上述两个基本要求。参与文献[4]中所介绍的中国发明专利“一种完全自治的现场集散型控制系统（FTDCS）”是完全满足石化控制要求的统一系统平台。其中，现场控制站（FCS）所包容的DDP（深度分散外围）是完全自治的、平行且自频采样生产信息，为ESD及预联锁按需及时、准确无误启动提供了快速的待用的同步、同拍处理。完全自治的现场控制站的I/O 容量是以包容一个工段或生产车间的控制所需 ，而其内的预联锁功能应用软件用已运行19年的工程数据仿真考核。总之，FTDCS是能完全满足石化生产独需的“预联锁”需求，是特别适用于石化生产控制作 DCS、ESD、PLC的统一系统平台。

总之，按石化生产3个最主要的、最基本要求“安、长、稳”予以全面、稳妥实施的智能型预联锁控制系统，必须从生产工艺、检测仪表、控制装置、过程动态学及自控理论与实践所构成的系统整体予以设计、实施，这对石化（控制）工作者无疑从系统高度提出了更高、更新的要求。

几个期待研发的问题

上面主要是议及石化生产减排，以下是就石化工业的节能和提高效能提出几个期待研发的问题。

1.用分子筛分离逐步取代相变的汽/液分离是最大的节能。

目前，石油化工无疑是耗能大户。[2]指出洋洋大观的石油化工仅涉及两种加工过程：化学反应过程和分离过程。后者包括除尘、结晶（液/固分离）等物理分离过程，但主要用于对前者的产物、附产物及未反应物作汽/液相变分离。以前使用塔板分离，现已大多被填料所取代，以增加进行传热/传质的接触面积使汽/液分离效率有所增加，但仍是相变分离。

石化传统的相变分离有以下两方面缺点。

■能耗大，可能在石化生产能耗中占不少份额；

■对于共沸点的同分异构的物质或沸点相近的物质很难分离，即使采用萃取作中间过渡也不一定有效。例如，芳烃生产中的对、邻、间三种二甲苯的分离只好采用模拟移动床用分子筛予以分离。

常见的气相色谱仪用分子筛把待分析的混合气先行全部吸入而后按时序逐一释放各种成分以进行测量其各自的含量。为什么不可把分子筛工业化用于化工反应器出口的混合物的分离；而现在用（计算机）控制站按时序的程控十分便捷、易行。

2.用接近微分式反应器取代积分式反应器可提高反应产率和效能

目前，要把现有的催化剂的转化效率再提高1%都是难事。为什么不可以从其使用场所（环境）——固定床反应器结构入手寻找提高产率的办法？

因便于加工，目前石化生产常见固定床反应器大都是单体直柱圆筒式，它是一种产物浓度随催化剂床层的深入而积累的积分式反应器。按公认的阿累尼斯方程原理，这种积分式反应器，其反应速率将按产物浓度的增加呈指数下降。文献[1]中提出用接近微分式的多个并联的薄催化剂床层予以纵向叠加形成的反应器堆取代传统的单体圆柱式的积分式反应器应当可以提高反应效能而节能。现代的机械加工能力不难造出这种叠加的反应器堆。

3.研发芷于聚合物内的高效且能控制聚合（反应）产物的分子量分布的催化剂，无疑较用反应温度或加阻聚剂的间接控制暴聚更为有效，其他诸如聚合物熔融指数等物理性能指标当全部达标。

参考文献

[1] 钟霖田“石化工艺流程设计的观念性突破”《流程工业》2007年7月刊

[2] 钟霖田“再论石化ERP和APC”《自动化博览》2006年9月刊 www.kongzhi.net资讯栏 >人物专访

[3] 钟霖田“兼预联锁的智能型水碳比控制系统的实施”《炼油化工自动化》1991年4月刊

[4] 钟霖田“致国际电工委员会的一封信”《自动化博览》2008年7月刊