碳排放政策下煤化工生產(chǎn)工藝技術路線優(yōu)化研究與應用

陳 恒，衛(wèi)海濤

（陜西神渭煤炭管道運輸有限責任公司，陜西 渭南 714000）

0 引 言

十三五以來，我國在節(jié)能降耗、低碳排放等方面取得了顯著成效。基于不斷完善的國家政策支持，和各企業(yè)針對各生產(chǎn)環(huán)節(jié)、工序全覆蓋的工業(yè)低碳發(fā)展理念，從碳核算國際標準的計算方法出發(fā)，針對焦化企業(yè)直接節(jié)能減排、工藝技術路線優(yōu)化、能源管理項目不斷更新等方面進行改進，逐步建立企業(yè)全生命周期的減少碳排放管理理念，助力企業(yè)碳減排、碳達峰、碳中和發(fā)展目標。

1 煤化工中焦化生產(chǎn)流程

目前，我國煤化工焦化行業(yè)主要是以生產(chǎn)焦炭后提取煤氣中的粗苯、焦油產(chǎn)品，凈化后的煤氣合成甲醇、合成氨、LNG 為主。我國煤化工在多年運行過程中，不斷針對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱利用、變頻設備技改提升、現(xiàn)有生產(chǎn)工藝原料等方面進行優(yōu)化。近年來實施了廠區(qū)系統(tǒng)優(yōu)化綜合節(jié)能改造項目，充分利用回收的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的余熱資源，同時增加了產(chǎn)品輸出、降低了用電量、煤氣使用量等各類能源消耗。

2 企業(yè)碳排放核算辦法

碳排放總量應等于燃料燃燒CO2加上工業(yè)生產(chǎn)過程CO2當量排放，減去生產(chǎn)過程中回收外送CO2量，再加上外購電力消耗量的CO2排放量。

公式如下：

式中：EGHG為主體的溫室氣體排放總量， CO2物質的量/t；ECO2-燃燒為企業(yè)邊界內化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放；EGHG-過程為企業(yè)邊界內工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的各種溫室氣體CO2物質的量排放；RCO2-回收為企業(yè)回收且外供的CO2量；ECO2-凈電為企業(yè)凈購入的電力消費引起的CO2排放。

3 煤化工中焦化企業(yè)各生產(chǎn)單元在降低碳排放和增加碳輸出的路線

根據(jù)碳排放計算方法分析，廠區(qū)所謂碳中和就是 “二氧化碳凈排放量降為零”，即通過節(jié)能減排等形式抵消掉自身產(chǎn)生的CO2排放量。采取的方法是降低碳輸入，提高碳輸出數(shù)據(jù)。

煤焦產(chǎn)線的節(jié)能減排主要是煉焦耗熱量的降低、余熱的回收利用、煤塵的減少、焦塵的排放及煤焦塵的綜合利用。

結合本公司近年來采取的各項措施，焦化企業(yè)碳中和主要有以下路徑和研究方向。

3.1 優(yōu)化現(xiàn)有工藝技術路線

3.1.1 生產(chǎn)過程碳輸入減少

煤炭轉換過程中的能耗占焦化工序能耗的70%～80%，而煤的干餾和焦化能耗占80% ～90%，用電能耗約占8%，水、蒸汽、壓縮空氣占2%～4%。因此，降低煤炭轉換過程中加熱煤氣消耗和熱消耗量，對減少焦炭生產(chǎn)的碳輸入的意義十分重大。

企業(yè)中一般都會通過控制入爐煤水分，來降低加熱煤氣的消耗量。配合煤水分煤變化1%，1 kg煤的煉焦耗熱量相應增減約60～80 kJ，且水分過高，還會增加剩余氨水量，增加后續(xù)系統(tǒng)的蒸汽消耗量和污水處理量，間接的增加各類能耗。

同時，采取合理的加熱制度、大循環(huán)生產(chǎn)、提高焦爐空氣溫度、降低焦餅中心溫度等多項措施，均可降低煉焦煤氣消耗。

3.1.2 煤氣凈化產(chǎn)品碳輸出提升

（1） 煤氣凈化過程中溫度優(yōu)化。

煤焦化生產(chǎn)過程中，煉焦產(chǎn)生的荒煤氣從上升管逸出，溫度為650～750 ℃。經(jīng)循環(huán)水氨水噴灑后，煤氣溫度降為80 ℃，之后進入初冷器中，在初冷器內煤氣溫度降至23 ℃。

較低的煤氣溫度，也是保證煤氣凈化效果及煉焦化學產(chǎn)品回收率和質量的先決條件。因此，需提高2 次降溫效率，以提高焦油、粗苯等后續(xù)化產(chǎn)品的產(chǎn)量。

降低煤氣溫度后，煤氣體積減少，從而降低了煤氣鼓風機的做功功率。第一次降溫，應保持噴灑氨水壓力在0.2～0.25 MPa，以提高循環(huán)氨水霧化效果和降低氨水含油；第二次降溫，應提高各級冷卻器的換熱效率。

冷卻，為凈化區(qū)域最主要的操作工序，從傳熱速率的基本方程Q=K×A×t 可以看出，傳熱速率與傳熱面積A、傳熱溫度差t 以及傳熱系數(shù)K 有關。傳熱面積和傳熱溫差在煤氣凈化設備中都是固定不變的。

污垢熱阻隨著設備運行時間的加長，逐漸增大，是阻礙設備換熱的主要因素。因此，應降低冷卻器的結垢率，并且定期采用機械或化學方法去除污垢或更換換熱器。

（2） 優(yōu)化提升吸收劑。

吸收劑的好壞是焦化生產(chǎn)吸收過程中的重要因素，起著至關重要的作用，尤其是在煤氣洗苯、脫硫等過程中。

以洗苯工序在日常的生產(chǎn)過程中為例，適當提高洗油中有效洗苯組分，如甲基萘、2- 甲基萘等，可以提高洗油洗苯的效果。因此，應使用優(yōu)質洗油，同時采取定期檢測和排渣等措施，來延緩洗油的變質，以保證粗苯產(chǎn)率。

3.2 變頻設備替代高能耗設備

（1） 煤化工企業(yè)電耗量大，且電耗碳輸入偏高，耗電量大的主要是電動機。電動機的用電量達到企業(yè)工業(yè)用電量的60%，由此，企業(yè)應采用節(jié)能的電動機。使用新工藝、新材料，調整級數(shù)，增大定子線圈，電機的能量損耗將明顯下降。

采用變頻調速技術后，取消了原來開旁通打回流及氣動調節(jié)閥頻繁調節(jié)的操作方式。在工況條件相同的情況下，系統(tǒng)耗電比以前下降40%，節(jié)電效果十分顯著。

在煤氣鼓風機控制方式的改變后，電耗量統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 1# 煤氣鼓風機日平均運行參數(shù)（變頻）Table 1 Daily average operating parameters of 1# gas blower (frequency conversion)

3#煤氣鼓風機日平均運行參數(shù)（液偶） 見表2。

表2 3# 煤氣鼓風機日平均運行參數(shù)（液偶）Table 2 Daily average operating parameters of 3#gas blower (hydraulic coupling)

（2） 由于污水處理過程中模糊的不確定因素較多（如人們的工作經(jīng)驗），需通過人工測量和記錄污水處理過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，但人工的過多干預會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并對企業(yè)的經(jīng)濟效益產(chǎn)生負面影響。

為有效解決以上問題，可在污水處理廠實施基于變頻節(jié)能技術的污水處理自動控制系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)污水信息的實時監(jiān)控管理，還能有效降低能耗，為污水處理廠帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

根據(jù)原鼓風機需求參數(shù)總風量為340 m3/min，壓力為70～90 kPa，結合現(xiàn)場風機開啟、備用等實際情況，實施選用2 臺磁懸浮離心式鼓風機即可滿足設計參數(shù)要求，替代原有6 臺羅茨風機，以達到節(jié)能的效果。

污水處理系統(tǒng)曝氣風機改造對比參數(shù)見表3。

表3 污水處理系統(tǒng)曝氣風機改造對比參數(shù)Table 3 Comparison parameters of aeration fan transformation in sewage treatment system

針對以上節(jié)能效果，煤化工企業(yè)可以在循環(huán)流化床引風機、循環(huán)水泵、高壓氨水泵等不同領域開展變頻電機的更新。

3.3 探索實施技改項目

3.3.1 循環(huán)氨水余熱利用

循環(huán)氨水溫度約為75 ℃，作為噴灑荒煤氣的氨水，其熱源可作為溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的驅動源，不僅替代蒸汽動力的制冷機，還能很好地滿足生產(chǎn)工藝的用水要求，改善化產(chǎn)生產(chǎn)工藝指標，實現(xiàn)了節(jié)能減排。

減少生產(chǎn)使用蒸汽，意味著減少了生產(chǎn)蒸汽或煤氣時各項污染物的排放，間接的實現(xiàn)了電煤的碳輸入，為焦化企業(yè)開辟了一條大膽的節(jié)能減排之路。以循環(huán)經(jīng)濟理念實施節(jié)能降耗和污染源頭的有效控制，不僅推動了清潔生產(chǎn)的深入開展，還進一步提升了企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的能力。

在實際運行過程中，該項目一方面實現(xiàn)了荒煤氣顯熱高效安全回收，另一方面還能對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝進行改善。

提高產(chǎn)能，主要表現(xiàn)在降低了焦爐橋管和集氣管噴灑循環(huán)氨水的溫度，提高了循環(huán)氨水作為吸熱介質霧化時吸收高溫荒煤氣余熱的能力。不僅降低了初冷器前荒煤氣的溫度（降低2～4 ℃），還降低了煤氣初冷器的負荷。

3.3.2 上升管余熱利用

焦爐荒煤氣的溫度約為750 ℃，存在大量的余熱回收潛力。國內相關企業(yè)經(jīng)過多年的研發(fā)，已研究開發(fā)出一種穩(wěn)定高效的上升管換熱器，回收利用焦爐荒煤氣顯熱，產(chǎn)生參數(shù)穩(wěn)定的蒸汽，并實現(xiàn)其在工業(yè)上的應用。

先后在三鋼閩光焦化4.3 m 焦爐、河鋼耶鋼焦化6 m 焦爐、安鋼焦化6 m 焦爐進行了整體改造，在新鋼焦化廠6 m 焦爐應用上升管換熱器余熱利用技術，已經(jīng)屬于相對成熟的技術流程。

除鹽水箱內的水通過除氧給水泵（一用一備）恒壓供水，由PID 調節(jié)閥控制除氧器液位打入除氧器進行除氧加熱，產(chǎn)生的除氧水經(jīng)汽包鍋爐給水泵送入汽包，水在汽包與夾套式上升管換熱器之間通過強制循環(huán)泵進行強制循環(huán)。

在上升管換熱器內與溫度為650～950 ℃的焦爐荒煤氣進行換熱，汽水混合物引回汽包進行汽水分離，水繼續(xù)循環(huán)，進入上升管夾套換熱器中，進行再次熱量交換，最終產(chǎn)生飽和蒸汽輸送廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)。

經(jīng)近2 a 運行分析，該項目能夠有效降低廠區(qū)蒸汽用量，間接降低電煤的低碳輸入。

上升管余熱回收裝置參數(shù)見表4。

表4 上升管余熱回收裝置參數(shù)Table 4 Parameters of riser waste heat recovery unit

3.3.3 節(jié)能管式爐在洗脫苯系統(tǒng)的應用

管式爐作為燃燒煤氣的碳輸入設備，燃燒煤氣后存在大量的煙氣，利用煤氣燃燒后的廢氣和進管式爐空氣進行換熱。提高空氣溫度，降低煤氣用量，即可降低該工序的碳輸入。

新型管式爐加熱火嘴的改造，可以優(yōu)化富油和過熱蒸汽盤管，提高加熱效率。其配套強制送風系統(tǒng)與煤氣燃燒后的廢氣進行換熱，提高空氣溫度和空氣流速，大大地提高了燃燒效率，降低了煤氣消耗量。

投用后的雙螺旋結構富有管線和蒸汽管線，不易結焦，使得富油溫度提高到180 ℃。相比160 ℃的富油溫度，每t 粗苯降低了蒸汽約0.5 t，間接降低了碳輸入。

在富油溫度提升之后，不僅降低了脫苯后的貧油含苯量，同時也確保了洗苯塔后煤氣中的苯含量為0.5～1 g/m3，增產(chǎn)粗苯為400～800 t/a，增加了碳輸出。

根據(jù)生產(chǎn)分析，節(jié)能管式爐煤氣消耗較舊管式爐下降約30%，節(jié)約煤氣約520 萬m3/a。

余熱利用節(jié)能管式爐運行參數(shù)見表5。

表5 余熱利用節(jié)能管式爐運行參數(shù)Table 5 Operation parameters of energy saving tubular furnace for waste heat utilization

3.3.4 甲醇副產(chǎn)中壓蒸汽余壓利用

由于甲醇合成汽包系統(tǒng)的低壓蒸汽富裕，從而導致了汽包蒸汽的連續(xù)放空，不僅造成熱量、蒸汽、脫鹽水等多重浪費，同時還形成了噪音等環(huán)境污染。

為改變這一現(xiàn)狀，加快推進公司循環(huán)經(jīng)濟建設，堅持綠色發(fā)展，充分利用生產(chǎn)系統(tǒng)蒸汽資源，對甲醇轉化工序、合成工序的減溫減壓系統(tǒng)，以及公司蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)富余蒸汽進行綜合利用。

從甲醇轉化廢鍋和合成汽包來的中壓蒸汽，經(jīng)過蒸汽管道引至壓差發(fā)電區(qū)域，通過汽水分離器后，進入背壓式螺桿機做功，經(jīng)螺桿機做功后的乏汽進入低壓蒸汽管網(wǎng)供用戶使用。

疏水管道按壓力等級分別接入相應母管，疏水母管接到附近的脫鹽水站進行回收。經(jīng)過核算，甲醇轉化壓差發(fā)電機組節(jié)約標煤3 906.68 t/a，甲醇合成壓差發(fā)電機組節(jié)約標煤4 876.28 t/a，整套余熱發(fā)電預計節(jié)約標煤8 782.96 t/a。

壓差發(fā)電機組運行參數(shù)見表6。

表6 壓差發(fā)電機組運行參數(shù)Table 6 Operation parameters of differential pressure generator set

4 結 語

綜述了在碳中和政策下，企業(yè)已采取和可采取的低碳發(fā)展的路線和改進措施，為煤化工企業(yè)提供了一定的經(jīng)驗。

在深度了解生產(chǎn)系統(tǒng)的前提下，持續(xù)創(chuàng)新，持續(xù)研發(fā)新技術，才能推動低碳綠色產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。