曾維鵬，王晴東，王光華，李文兵，王國(guó)成，張 彤，蔡文軒

（武漢科技大學(xué)，湖北 武漢 430081）

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，中國(guó)提出二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的雙碳目標(biāo)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)每年排放CO2超過19.6 億t，鋼鐵行業(yè)是國(guó)內(nèi)除了能源行業(yè)之外，碳排放量最大的工業(yè)行業(yè)，其碳排放量占全國(guó)總量的15%，焦化行業(yè)和鋼鐵行業(yè)聯(lián)系密切，因此焦化行業(yè)的碳達(dá)峰、碳中和任務(wù)緊迫、挑戰(zhàn)嚴(yán)峻[2-3]。

國(guó)家工信部數(shù)據(jù)顯示，2021年中國(guó)焦炭產(chǎn)量為46400 萬(wàn)t，其中鋼鐵聯(lián)合焦化企業(yè)焦炭產(chǎn)量為11000 萬(wàn)t，獨(dú)立焦化企業(yè)焦炭產(chǎn)量35400 萬(wàn)t[3]。根據(jù)焦化企業(yè)的二氧化碳排放系數(shù)可以估算出2021年中國(guó)焦化行業(yè)CO2排放量約為18334 萬(wàn)t[4-5]。相比于其他領(lǐng)域（如生活、交通、農(nóng)業(yè)等）的碳減排，焦化行業(yè)碳減排的潛力很大，但需要新的技術(shù)體系支持。

焦化行業(yè)碳減排可以從三方面入手：提高煉焦過程產(chǎn)品產(chǎn)率、降低焦化過程能耗、降低化產(chǎn)回收（煤氣凈化）過程能耗。目前配煤-搗固煉焦技術(shù)已經(jīng)較為成熟，煉焦過程產(chǎn)率和能耗的提升空間有限，而主流的化產(chǎn)回收工藝流程長(zhǎng)、工段多，未形成能量流網(wǎng)絡(luò)及過程余能的循環(huán)高效利用，可優(yōu)化空間巨大[6]。

傳統(tǒng)凈化流程為：初冷- 鼓風(fēng)- 預(yù)冷- 脫硫- 預(yù)熱- 硫銨- 終冷- 苯回收，煤氣溫度變化頻繁且無(wú)序，工藝流程冗長(zhǎng)，浪費(fèi)了大量的能源介質(zhì)，排放大量CO2。針對(duì)現(xiàn)有化產(chǎn)回收流程存在的溫度分布不合理、重復(fù)加熱、重復(fù)冷卻的不足，王光華等[7]提出改進(jìn)的煤氣負(fù)壓能量流凈化流程：初冷- 苯回收- 脫硫- 鼓風(fēng)-硫銨，該流程有效地降低了化產(chǎn)回收過程的能耗和碳排放。

本文以傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收流程和能量流焦化化產(chǎn)回收流程為基礎(chǔ)，給出現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)限定條件，運(yùn)用Aspen Plus 模擬軟件模擬全工藝流程，通過軟件模擬獲取計(jì)算參數(shù)，計(jì)算出流程的能量利用率及對(duì)應(yīng)的二氧化碳排放量，所得結(jié)果可為企業(yè)焦化工序的節(jié)能減排提供理論支撐，為綠色化、生態(tài)化、低碳化、智能化焦化流程的構(gòu)建提供了可行性。

1 參數(shù)與方法

1.1 傳統(tǒng)工藝模擬

根據(jù)物性方法的不同，將傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收流程分為3 個(gè)模塊：（a）煉焦-熄焦-初冷- 電捕- 鼓風(fēng)、（b）蒸氨- 脫硫- 硫銨、（c）終冷- 洗苯- 脫苯，流程模擬示意圖如圖1 所示。圖1 中（a）模塊的原料及產(chǎn)物主要是煤、焦炭、煤氣等混合物，采用PR-BM 的物性方法；（b）模塊的原料及產(chǎn)物主要為復(fù)雜的電解質(zhì)溶液，采用ELECNRTL 的物性方法；（c）模塊的原料及產(chǎn)物主要是苯、洗油等有機(jī)溶液，采用Wlison 物性方法[8-9]。

圖1 傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收流程模擬示意圖

利用工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)的模型參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的校正，建立了某300 萬(wàn)t/a 焦化廠的全流程模型。對(duì)傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收流程分析，該過程中的焦?fàn)t煙氣余熱未進(jìn)行回收。選取工業(yè)和文獻(xiàn)中的關(guān)鍵參數(shù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，工業(yè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，數(shù)據(jù)吻合良好。

表1 流程關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

1.2 能量流工藝模擬

能量流焦化化產(chǎn)回收流程模擬示意圖如圖2 所示，對(duì)比傳統(tǒng)流程，其在以下方面作出了優(yōu)化：（1）取消了預(yù)冷、預(yù)熱、終冷等煤氣重復(fù)加熱冷卻環(huán)節(jié)，流程較短，煤氣的溫度變化曲線較為合理[10]。（2）由于鼓風(fēng)安排在較后的工段，因此采用了負(fù)壓蒸氨、負(fù)壓脫硫、負(fù)壓苯回收等節(jié)能降耗工藝。負(fù)壓蒸餾具有相對(duì)揮發(fā)度高、分離效果好、分離能耗低的優(yōu)點(diǎn)[11]。（3）將煉焦工段焦?fàn)t煙氣納入公用工程，煉焦后排出的煙氣溫度在260 ℃～280 ℃，蒸氨工段中的塔底回流再沸器的熱量由煙氣余熱提供，不再需要從塔底加入低壓蒸汽，可節(jié)省大量低壓蒸汽。（4）負(fù)壓情況下，脫苯塔塔頂苯蒸汽溫度較低，在與富油換熱后，粗苯無(wú)需再用循環(huán)水換熱，節(jié)約循環(huán)水和換熱器投入。

圖2 能量流焦化化產(chǎn)回收流程模擬示意圖

1.3 能量計(jì)算方法

能量效率定義為最終產(chǎn)出的產(chǎn)品能量與全部輸入能量之比，所有的輸入能量包括物料和公用工程的能量[12]。計(jì)算系統(tǒng)輸入、輸出能量時(shí)，可以借助Aspen Plus 的物性工具，在stream result 中添加物性參數(shù)Mass heat capacity mixture，直接獲取各種物質(zhì)在系統(tǒng)所處的環(huán)境中的熱容以及焓值。熱平衡以0 ℃為基準(zhǔn)，以此計(jì)算系統(tǒng)輸入和輸出的能量[13]。由于環(huán)境溫度與熱平衡溫度相差不大，并且輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)的物流主要是液體和固體，可知環(huán)境溫度下的該部分物流的比熱容變化不大，可采用平均比熱容計(jì)算熱量[8]。根據(jù)公式(1)可以計(jì)算進(jìn)出系統(tǒng)的能量。式中：H0為基準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)物質(zhì)的焓值，kJ/kg；H 為系統(tǒng)中物質(zhì)的焓值，kJ/kg；Cp為物質(zhì)的比熱容，kJ/（kg·K）；T 為系統(tǒng)溫度，K。

而對(duì)于有相變的物質(zhì)，例如低壓蒸汽和過熱蒸汽，可以通過查詢蒸汽表來(lái)計(jì)算進(jìn)出系統(tǒng)的熱量，對(duì)于輸入系統(tǒng)中的公用工程的電能，通過查閱文獻(xiàn)估算[14]。

1.4 用計(jì)算方法

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，高品位能總是能夠自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)榈推肺荒?，而低品位能卻不能自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺荒埽苜|(zhì)的降低意味著的減少[15]。

創(chuàng)建一個(gè)以Heater 模塊為基礎(chǔ)的流程，將物流的初始溫度、壓力設(shè)置為環(huán)境溫度和環(huán)境壓力，將物流的種類和流量輸入，把進(jìn)出系統(tǒng)物流的溫度和壓力參數(shù)輸入到Heater 中，運(yùn)行查看結(jié)果，該模擬工具可以表現(xiàn)出流股相比于基準(zhǔn)環(huán)境下的溫度、壓力可以利用的能量。通過公式可以算出進(jìn)出系統(tǒng)物流相比于基準(zhǔn)環(huán)境下的物理。

1.5 碳排放計(jì)算方法

CO2排放核算的主要方法有碳平衡法、排放系數(shù)法和實(shí)測(cè)法，實(shí)測(cè)法目前未在焦化企業(yè)碳排放量化中使用，故本文采用碳平衡法和排放系數(shù)法[17]核算。焦化化產(chǎn)回收流程的CO2排放量（ECO2）包括直接CO2排放量（ECO2,direct）、間接CO2排放量（ECO2,indirect）和碳抵扣量（ECO2,offset）3 部分[18]，具體見公式（4）。

依據(jù)IPCC 的碳平衡法，提出焦化廠直接碳排放量的計(jì)算公式見式（5），即CO2所含碳元素為輸入焦化過程的碳元素與未以CO2形式排放到大氣的碳元素的差值。間接CO2排放是指焦化過程所使用、但CO2排放發(fā)生在煤氣生產(chǎn)外的排放量，源自因動(dòng)力消耗公用工程引起的CO2排放[19]。碳抵扣是指紅焦顯熱以蒸汽的形式回收而抵扣的CO2量。焦?fàn)t煤氣用于發(fā)電和外送煉焦外使用而排放的CO2不計(jì)入煉焦生產(chǎn)CO2排放內(nèi)[20]。間接CO2排放和抵扣量的計(jì)算見公式（6）。

式中：ECO2為焦化化產(chǎn)回收流程的CO2排放量，kg；mcc為焦化廠生產(chǎn)焦炭所消耗的洗精煤量，kg；ma為添加劑a 的用量，kg；mBFG為煉焦?fàn)t中消耗的高爐氣體量，kg；mCP為焦化廠焦炭產(chǎn)量，kg；mCOG為煉焦?fàn)t中產(chǎn)生的焦?fàn)t氣體量，kg；mCOB為焦?fàn)t副產(chǎn)物b 的產(chǎn)量，主要是煤焦油和粗苯，kg；Cx為投入或產(chǎn)出物質(zhì)x 的碳含量，kg/kg，這里主要是洗精煤、添加劑、高爐煤氣、焦炭、焦?fàn)t氣體、副產(chǎn)品。P 為消耗或者回收的公用工程的量，t 或MJ；EFCO2為CO2排放系數(shù)，kg/t 或kg/MJ。其中主要工質(zhì)的CO2排放系數(shù)見表2。

表2 主要工質(zhì)的CO2 排放系數(shù)

在計(jì)算CO2直接排放量的過程中，可以借助Aspen Plus 的物性工具，在stream result 中添加物性參數(shù)Mass flow of carbon atom，直接獲取結(jié)果物流中的碳原子質(zhì)量。

2 工藝能耗分析

2.1 傳統(tǒng)工藝能量分析

將焦化- 化產(chǎn)回收流程作為一個(gè)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)確立邊界[2]，對(duì)進(jìn)入和流出該系統(tǒng)的物質(zhì)能量進(jìn)行分析，物質(zhì)的狀態(tài)以進(jìn)出系統(tǒng)邊界時(shí)的狀態(tài)為準(zhǔn)，輸入的能量有：洗精煤、焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣、空氣、堿液、硫酸、補(bǔ)充洗油、低壓蒸汽、循環(huán)冷卻水、低溫冷卻水、除氧水、電力。輸出的能量有：焦炭、焦油、粗苯、硫酸銨、硫磺、過熱蒸汽（用于發(fā)電）[8]、焦?fàn)t煤氣。計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的能量效率時(shí)，僅考慮循環(huán)水和低溫水的升溫過程，僅將其當(dāng)作輸入系統(tǒng)的能量。傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收工藝能量分析見表3，表3 中煤、焦炭、煤氣、焦油、苯族烴的輸入輸出能量均以低位發(fā)熱量計(jì)算[8]。

表3 傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收工藝能量分析

由表3 可以看出，傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收工藝中，除去煤、煤氣等能源原料，在能量輸入方面，循環(huán)冷卻水和低溫冷卻水的能量占比較大，因此傳統(tǒng)工藝有很大的節(jié)能空間。而化產(chǎn)回收過程中煤氣換熱頻繁，升溫降溫環(huán)節(jié)多，是公用工程冷卻水耗費(fèi)較多的主要原因。

2.2 能量流工藝能量分析

在工藝流程的煤、高爐煤氣、壓縮空氣等原料消耗良好和焦炭、焦油、粗苯等產(chǎn)品輸出量近似的情況下，對(duì)能量流工藝的能量進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。能量流焦化化產(chǎn)回收工藝在冷卻水和蒸汽上的消耗相對(duì)減少，可提升工藝過程的能量利用率。

2.3 傳統(tǒng)工藝和能量流工藝能耗對(duì)比

對(duì)比表3、表4 可以看出，在系統(tǒng)輸入輸出物流相差不大的情況下，焦化化產(chǎn)能量流工藝所消耗的公用工程更少，循環(huán)冷卻水消耗減少11.55%，低溫冷卻水消耗減少9.35%，低壓蒸汽消耗減少56.12%，相應(yīng)的鍋爐供熱消耗的煤氣和制冷站消耗的煤氣也可以減少，在苯回收工段的管式爐煤氣可以節(jié)省12.97%。這是由于能量流工藝中大部分工段（蒸氨、脫硫、苯回收）均處于負(fù)壓環(huán)境下，分離效果較正壓環(huán)境下會(huì)更好、公用工程耗費(fèi)更低。且由于調(diào)整了各工段順序，使得能量流工藝相較傳統(tǒng)工藝而言，減去了兩個(gè)冷卻和一個(gè)加熱過程，節(jié)約了流程中的加熱介質(zhì)和冷卻介質(zhì)。

表4 能量流工藝的能量分析

根據(jù)進(jìn)出系統(tǒng)的能量可以計(jì)算出整個(gè)傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收系統(tǒng)的能量效率為88.42%，能量流焦化化產(chǎn)回收系統(tǒng)的能量效率為89.83%，能量效率得到提高。

表5 兩種工藝系統(tǒng)的計(jì)算

表5 兩種工藝系統(tǒng)的計(jì)算

物流輸入傳物4712387.264682238.81洗精煤壓縮空氣高爐煤氣焦?fàn)t煤氣堿液硫酸補(bǔ)充洗油低壓蒸汽循環(huán)冷卻水低溫冷卻水除氧水公用工程電能輸出用焦炭焦油粗苯硫酸銨0020521.37401.220.03011.130.031257.771565.78813.901772.1911986.314137541.676437.36290565.89206976.0010.5023378.592292.786854.734137541.676437.36290569.89179413.2810.5024787.123536.113007.81000020521.37401.220.03011.800.05551.901384.87737.841772.1911557.8000004105323.934110192.97過熱蒸汽（發(fā)電）硫磺煤氣循環(huán)冷卻水低溫冷卻水16237.9630.210.804.2237200.422.030.154922.17305.272853883.33181756.3662054.601203.780.002527.96945194.642853883.33183639.5859959.781279.740.002503.26950820.740016237.9630.530.784.4937200.422.020.154353.45276.7400效率/%87.1287.78

根據(jù)工廠公用工程費(fèi)用[21]，按煤氣價(jià)格1 元/m3，洗油價(jià)格2.5 元/kg、蒸汽價(jià)格150 元/t、循環(huán)水價(jià)格0.4 元/t、低溫水價(jià)格1.2 元/t、電價(jià)格0.6 元/（kW·h）估算，300 萬(wàn)t/a 焦化廠采用能量流工藝比傳統(tǒng)工藝在上述能源投入方面每年可節(jié)省4316 萬(wàn)元。

3 碳排放分析

兩種工藝流程的CO2排放對(duì)比結(jié)果見表6。

表6 兩種工藝流程的CO2 排放對(duì)比kg/h

鋼鐵聯(lián)合焦化企業(yè)CO2排放系數(shù)為0.73 t/t～0.90 t/t 焦炭，獨(dú)立焦化企業(yè)CO2排放系數(shù)為0.13 t/t～0.28 t/t[4]。本案例中焦化廠為鋼鐵聯(lián)合焦化廠，計(jì)算出傳統(tǒng)工藝流程的CO2排放系數(shù)為0.7879 t/t，能量流工藝排放系數(shù)為0.7539 t/t，在理論范圍內(nèi)，故該計(jì)算模型可較好地預(yù)測(cè)焦化廠的碳排放。

由表6 可知，能量流化產(chǎn)回收工藝對(duì)比傳統(tǒng)化產(chǎn)回收工藝在碳減排的作用，主要體現(xiàn)在公用工程的用量節(jié)約，也就是CO2間接排放的減少。根據(jù)表6 計(jì)算出的CO2排放量，可以計(jì)算出傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收流程和能量流流程的碳排放量，得出碳排放的情況。經(jīng)過能量流優(yōu)化后，每年可減少碳排放101868.29 t，根據(jù)全國(guó)碳市場(chǎng)交易系統(tǒng)首日碳配額開盤價(jià)48 元/t計(jì)算，300 萬(wàn)t/a 焦化企業(yè)在碳排放方面可以提高489 萬(wàn)元/a 的經(jīng)濟(jì)效益。

2021年我國(guó)全年焦炭產(chǎn)量為46400 萬(wàn)t，焦化行業(yè)排放CO2約18334 萬(wàn)t。假設(shè)全國(guó)焦化企業(yè)都進(jìn)行能量流焦化化產(chǎn)工藝的優(yōu)化，每年焦化行業(yè)可以減少CO2排放約1600 萬(wàn)t，可以降低整個(gè)焦化行業(yè)碳排放8.60%，對(duì)我國(guó)的雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著積極的促進(jìn)意義。

4 結(jié)論

4.1 利用Aspen Plus 對(duì)傳統(tǒng)焦化化產(chǎn)回收工藝和能量流焦化化產(chǎn)回收工藝進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果顯示，能量流工藝相比于傳統(tǒng)工藝，循環(huán)冷卻水消耗減少11.55%，低溫冷卻水消耗減少9.35%，低壓蒸汽消耗減少56.12%，在苯回收工段的管式爐煤氣可以節(jié)省12.97%。

4.3 計(jì)算出300 萬(wàn)t/a 焦化廠采用傳統(tǒng)工藝流程的CO2排放系數(shù)為0.7879 t/t，能量流工藝排放系數(shù)為0.7539 t/t，在鋼鐵聯(lián)合焦化企業(yè)碳排放的理論范圍之內(nèi)，故該模型可以很好地預(yù)測(cè)焦化廠的碳排放；能量流焦化化產(chǎn)回收工藝相對(duì)于傳統(tǒng)工藝每年可以減少CO2排放101868.29 t，相應(yīng)可提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益489 萬(wàn)元。能量流焦化化產(chǎn)工藝的優(yōu)化，對(duì)我國(guó)雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有著積極的促進(jìn)意義。