彭 娜,李佐鵬,侯小鵬
(陜西延長中煤榆林能源化工有限公司,陜西 榆林 718500)
習近平總書記強調,實現(xiàn)碳達峰、碳中和是一場廣泛而深刻的經濟社會系統(tǒng)性變革,要把碳達峰、碳中和納入生態(tài)文明建設整體布局,拿出抓鐵有痕的勁頭,如期實現(xiàn)2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標。而節(jié)能是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的關鍵支撐,是推動產業(yè)結構調整優(yōu)化的重要舉措,是緩解能源供需矛盾的必然選擇,是培育高質量發(fā)展新動能的重要源泉。
能源消耗特別是化石能源消耗是我國二氧化碳排放最主要的來源。如期實現(xiàn)碳達峰、碳中和,必須堅定不移地把節(jié)約能源資源放在首位,充分發(fā)揮節(jié)能的源頭把控作用,以較低峰值水平實現(xiàn)碳達峰,推動我國能效水平提升至世界一流乃至全球領先水平,形成有效的碳排放控制閥門。
陜西延長中煤榆林能源化工有限公司(以下簡稱榆能化)是一家大型煤、氣、油綜合利用化工企業(yè),建有2套年產180萬t的煤-天然氣綜合利用制甲醇裝置,該裝置利用煤氣化“氫少碳多”和天然氣轉化“氫多碳少”的特點,實現(xiàn)了“碳氫互補”和能源的綜合利用,并不斷優(yōu)化改進,挖掘了較多具有節(jié)能潛質的項目,大幅降低了噸甲醇產品綜合能耗。本文探討了榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項目在“雙碳”政策下的節(jié)能優(yōu)勢和節(jié)能措施。
榆能化甲醇聯(lián)合裝置主要由煤氣化、凈化、天然氣轉化及甲醇合成等4部分組成[1],以煤、天然氣和渣油催化熱裂解(DCC)富氫氣為原料,通過煤氣化和天然氣蒸汽轉化制備合成氣生產MTO級甲醇。其中煤氣化采用多元料漿加壓氣化技術,所生產的粗煤氣經部分變換后,進入凈化單元,經過脫硫、脫碳,得到凈化煤基合成氣。凈化采用了低溫甲醇洗技術。天然氣經過一段蒸汽轉化,生成含氫、一氧化碳和二氧化碳的轉化氣,與凈化煤基合成氣和DCC富氫氣混合得到甲醇合成氣,并經甲醇合成、多效蒸發(fā),生成MTO級甲醇產品。甲醇合成采用戴維低壓甲醇合成技術。甲醇裝置部分膜分離富氫氣通過變壓吸附(PSA)制取高純度氫氣作為副產品,并通過氫氣壓縮機加壓后送出界區(qū)。硫回收主要處理來自凈化單元和DCC裝置的酸性氣,回收硫磺作為副產品。
甲醇聯(lián)合裝置主要的耗能設備有高壓煤漿泵、氣化爐、洗滌塔、脫鹽水加熱器、磨煤機、低壓及真空閃蒸器、廢熱鍋爐、變換爐、除氧器、甲醇洗滌塔、熱再生塔、甲醇水分離塔、二氧化碳洗滌塔、尾氣洗滌塔、為低溫甲醇洗提供冷量的丙烯壓縮機、預轉化爐、轉化爐、鼓風機、引風機、高壓鍋爐給水泵、甲醇合成塔、煤基合成氣壓縮機、合成氣壓縮機、循環(huán)壓縮機以及所有機泵[2]。
因為整個工藝過程溫度、壓力的變化環(huán)節(jié)較多,導致能源的消耗與損失較大,所消耗的能源產品包括原煤、氧氣、天然氣、中低壓鍋爐水、脫鹽水、生產水、S1蒸汽(9.8 MPa、535℃)、S2蒸汽(4.0 MPa、435℃)、電等。
依據(jù)2021年國家發(fā)改委等部門發(fā)布的《高耗能行業(yè)重點領域能效標桿水平和基準水平》煙煤制甲醇標桿值1 400 kgce/t及GB 29436.2—2015《甲醇單位產品能源消耗限額》天然氣制甲醇標桿值1 150 kgce/t,按照榆能化甲醇項目裝置設計負荷比例(煤制甲醇40%,天然氣制甲醇60%)折算,裝置綜合能耗標桿值應為1 250 kgce/t。
榆能化甲醇聯(lián)合裝置能耗值見表1。該項目采用煤和油田氣為原料生產甲醇,甲醇聯(lián)合裝置1線單位甲醇能耗值連續(xù)3年(2019年、2020年、2021年)分別為1 226 kgce/t、1 221 kgce/t、1 205 kgce/t,持續(xù)降低,已達到業(yè)內領先水平;2020年底甲醇聯(lián)合裝置2線開車成功,2021年全年單位甲醇能耗值為1 184 kgce/t,兩期裝置能耗值均介于天然氣制甲醇企業(yè)單位能耗標桿值(1 150 kgce/t)和煤制甲醇企業(yè)單位能耗先進值(1 700 kgce/t)之間,且低于按比例折算的單位能耗標桿值(1 250 kgce/t)。
表1 榆能化甲醇聯(lián)合裝置能耗值
榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項目利用煤氣化“氫少碳多”和天然氣轉化“氫多碳少”的特點,實現(xiàn)了“碳氫互補”和能源的綜合利用,有效提高了碳元素的回收利用率,大幅降低了CO2排放量,同時也降低了單位產品能耗。
3.2.1 完善企業(yè)能源管理機制
為了提高企業(yè)的能源管理效果,必須重視企業(yè)管理模式,要健全生產過程中的節(jié)能環(huán)保管理機制。榆能化主要采取以下措施:第一,建立全面的企業(yè)能源管理系統(tǒng)以及管理網(wǎng)絡,將管理網(wǎng)絡擴展到各個生產中心的分管領導以及車間的能源管理專職員身上,確保能夠充分發(fā)揮生產過程中的基層監(jiān)管人員的作用,從而形成全員齊抓共管節(jié)能降耗工作的格局。第二,為了提高企業(yè)的節(jié)能降耗效果,建立節(jié)能工作小組,對各生產車間的節(jié)能降耗工作進行嚴格監(jiān)督和管理;定期召開節(jié)能降耗交流會議,對生產過程中的節(jié)能降耗工作進行分析和總結,吸取其中存在的失敗經驗,同時制定科學有效的措施,解決節(jié)能降耗過程中的問題。第三,建立健全能源消耗臺賬及能源計量器具臺賬,定期對能源消耗數(shù)據(jù)進行分析討論,尋找突破口,調整生產運行,確保工藝操作最優(yōu)化,并定期對計量器具進行維護保養(yǎng),確保能耗數(shù)據(jù)的準確性。第四,建立考核管理機制,針對不同車間制定能源消耗定額指標,明確管理職責,劃分區(qū)域,對水、電、氣、風浪費現(xiàn)象進行嚴格監(jiān)管,并嚴格控制“三廢”排放,確保節(jié)能目標落到實處。
3.2.2 優(yōu)化操作,節(jié)能減排,增產增效
為了提高企業(yè)的節(jié)能降耗效果,榆能化甲醇項目根據(jù)生產過程中所使用的生產設備以及生產工藝情況,在不違背操作規(guī)程的前提下,對耗蒸汽、耗電、耗水、耗燃料的工藝、設備進行優(yōu)化。因榆能化目前建成并投產運行的有兩期甲醇項目,對部分介質進行了互聯(lián)互通改造。在生產運行過程中充分發(fā)揮一、二期裝置大系統(tǒng)互聯(lián)互通優(yōu)勢,對原料天然氣、DCC干氣、DCC富氫氣等進行內部平衡,優(yōu)化運行工況,提高裝置運行效率和甲醇產量,特別是在氣化裝置低負荷運行、倒爐或者故障停車時,系統(tǒng)氫氣富裕,經過合理分配可有效減少DCC富氫氣放空,提高氫氣利用率,增加甲醇產量;也可在部分設備檢修過程中發(fā)揮互聯(lián)互通優(yōu)勢,在不停車的工況下完成檢修工作,大幅降低有效氣或者有效資源的排放,避免造成能源浪費,影響產量。
3.2.3 技術改造,解決運行難題,提高運行效率
榆能化甲醇項目自2015年8月由試生產轉入正式運行以來,面對多種運行困難:一是氣化爐燒嘴霧化效果差,導致煤漿燃燒效果變差,有效氣產量變低,粗、細渣中殘?zhí)假|量分數(shù)偏高(粗渣35%,細渣60%),同時煤漿量高于設計值,致使燒嘴磨損加劇,使用壽命縮短;二是長期以來轉化裝置一直存在煙氣溫度較高、引風機振動偏高(水平振動7 mm/s)等問題,制約轉化裝置負荷;三是合成裝置精餾頂部不凝氣分離罐氣相出口設計流量為2 819 m3/h,排放至火炬,實際運行氣相流量約3 500 m3/h,甲醇體積分數(shù)約13%,導致甲醇損失較多;四是進入夏季以后,循環(huán)水溫度升高,最高達到31℃,合成粗甲醇分離器入口溫度達到45℃、穩(wěn)定塔塔頂冷凝液溫度達到55℃,造成合成系統(tǒng)反應效率下降,甲醇聯(lián)合裝置運行效率持續(xù)下降,甲醇產量降低。
榆能化甲醇項目通過以下技術改造及工藝優(yōu)化,來解決運行困難,探索節(jié)能降耗路徑:一是針對氣化爐燒嘴霧化效果差的問題,依據(jù)氣化裝置燒嘴使用情況對燒嘴尺寸進行優(yōu)化、調整,穩(wěn)定煤漿濃度,提高煤基合成氣產量;二是針對轉化裝置負荷受限問題,通過對轉化爐對流段改造,在原料天然氣預熱器之后增加換熱模塊(第三預轉化進料加熱器和燃料氣預熱器),同時針對轉化裝置引風機振動高的問題,通過技改增加煙氣噴淋降低煙氣溫度和加強運行監(jiān)控等措施,進一步降低引風機振動,提升轉化裝置負荷;三是針對夏季循環(huán)水溫度升高的問題,采取在氣化倒爐時對合成部分水冷器(合成氣壓縮機透平冷凝器、穩(wěn)定塔回流冷卻器等換熱器)進行反沖洗、增加合成系統(tǒng)除蠟頻率、投用降溫噴淋等措施,確保裝置夏季高負荷運行;四是針對精餾不凝氣排放至火炬,造成甲醇浪費問題,在精餾頂部不凝氣分離罐后設計洗滌裝置,將排放至火炬的精餾不凝氣中的甲醇回收,此舉同時還可降低富氫火炬凝液量,減少環(huán)境污染,增加甲醇產量;五是充分發(fā)揮氫碳互補優(yōu)勢,降低二氧化碳排放,經過測算,榆能化甲醇項目生產1 t甲醇約排放CO20.92 t,而單純采用煤炭生產甲醇的同規(guī)模裝置,其噸甲醇CO2排放量為2.61 t,此項目(兩期產能共計372萬t/a)較同規(guī)模煤制甲醇裝置減排CO2約628萬t/a,減排幅度達65%。3.2.4 余熱回收,綜合利用能源
煤化工工廠的余熱較多,在滿足工藝和裝置要求的前提下,減少能源浪費的同時,可將余熱進行回收利用,達到節(jié)能降耗的目的。榆能化甲醇項目通過實施甲烷轉化裝置S4蒸汽(1.0 MPa、250℃)回收項目、合成裝置富產S3蒸汽(1.9 MPa、245℃)余熱發(fā)電項目等多個項目來提高余熱利用效率,降低能耗。S4蒸汽回收項目于2021年4月實施,平均每小時可回收蒸汽8.457 t,年節(jié)約標煤約5 400.8 t;S3蒸汽余熱發(fā)電項目于2020年11月建成,目前已累計發(fā)電11 425.96萬kWh。榆能化將進一步挖掘低溫余熱綜合利用項目來實現(xiàn)節(jié)能降耗,比如通過轉化氣余熱加熱變換裝置脫鹽水來實現(xiàn)節(jié)約蒸汽,降低除氧槽蒸汽用量,初步估算,此項目可節(jié)約0.5 MPa蒸汽22 t/h,折合標煤約
16 594 t/a。
3.2.5 科技創(chuàng)新,促進行業(yè)進步
為不斷提升企業(yè)競爭力,克服目前煤漿濃度低、碳轉化率低、能源浪費等問題,榆能化通過設立氣化水煤漿提濃、氣化爐渣綜合利用等示范項目來提高轉化效率、促進節(jié)能減排、降低環(huán)境影響,探索煤炭高效清潔轉化的發(fā)展途徑。氣化水煤漿提濃項目采用西北化工研究院高濃度料漿制備技術,新增水煤漿提濃系統(tǒng)部分與原棒磨機制漿系統(tǒng)配合制漿,可使煤漿質量分數(shù)在原濃度基礎上提高3個百分點以上。經預測,氣化裝置干煤消耗降低2.52 t/h,預計年節(jié)約標煤1.77萬t,此項目計劃2022年9月建成投入運行;氣化爐渣綜合利用項目預計每年可回收粗、細渣中含水分35%、熱值0.571 4 t ce/t的動力煤21萬t(渣產量70萬t/a,回收率按照30%計算),折標煤12萬t。
榆能化煤-天然氣綜合利用制甲醇項目單位產品能耗值已達國內先進水平,但在“雙碳”政策的驅動下,仍需不斷探索新的節(jié)能降碳路徑,降低能耗值,提高生產過程中能源的綜合利用率。下一步,榆能化將根據(jù)《高耗能行業(yè)重點領域節(jié)能降碳改造升級實施指南(2022年版)》相關要求,持續(xù)優(yōu)化操作、技術改造、挖掘利用余熱余壓、淘汰高能耗落后設備,保證企業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。