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        碳排放政策下煤化工生產(chǎn)工藝技術(shù)路線優(yōu)化研究與應(yīng)用

        2021-09-26 02:51:38衛(wèi)海濤
        煤炭與化工 2021年8期
        關(guān)鍵詞:汽包焦爐氨水

        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(shù)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(shè)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(yīng)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(zhì)的量/t;ECO2-燃燒為企業(yè)邊界內(nèi)化石燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放;EGHG-過程為企業(yè)邊界內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的各種溫室氣體CO2物質(zhì)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(jié)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(shù)路線

        3.1.1 生產(chǎn)過程碳輸入減少

        煤炭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(nèi)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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(guān)。傳熱面積和傳熱溫差在煤氣凈化設(shè)備中都是固定不變的。

        污垢熱阻隨著設(shè)備運行時間的加長,逐漸增大,是阻礙設(shè)備換熱的主要因素。因此,應(yīng)降低冷卻器的結(jié)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(guān)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(yīng)使用優(yōu)質(zhì)洗油,同時采取定期檢測和排渣等措施,來延緩洗油的變質(zhì),以保證粗苯產(chǎn)率。

        3.2 變頻設(shè)備替代高能耗設(shè)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(yīng)采用節(jié)能的電動機。使用新工藝、新材料,調(diào)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(diào)速技術(shù)后,取消了原來開旁通打回流及氣動調(diào)節(jié)閥頻繁調(diào)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(yù)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(shù)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(jié)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(shè)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(lǐng)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(qū)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(zhì)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(nèi)相關(guān)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(yīng)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(yīng)用上升管換熱器余熱利用技術(shù),已經(jīng)屬于相對成熟的技術(shù)流程。

        除鹽水箱內(nèi)的水通過除氧給水泵(一用一備)恒壓供水,由PID 調(diào)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(nèi)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(yīng)用

        管式爐作為燃燒煤氣的碳輸入設(shè)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(jié)構(gòu)富有管線和蒸汽管線,不易結(jié)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(dǎo)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(shè),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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(yù)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(jié) 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(shù),才能推動低碳綠色產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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