双碳目标下化工设备助力化工生产低碳转型研究

樊丽梅 石香玉

（焦作大学化工与环境工程学院，河南 焦作 454000）

1.化工设备优化升级的背景

为实现1.5℃/2℃升温目标，我国在第七十五届联合国大会上提出“2030碳达峰，2060碳中和”的碳减排两阶段战略目标，即“双碳”战略目标。化工工业在世界各国的国民经济发展中都占有重要的地位，我国的化工工业起始于50年代，发展于70年代，在经历了迅速的崛起和腾飞之后，已经成为我国经济发展的重要支柱产业之一。碳达峰、碳中和为我国化工行业带来了发展和减排的双重压力和挑战。化工设备作为化工生产的基础，在工业生产中发挥着举足轻重的作用，影响了化工企业的核心竞争力。化工生产主要通过煤炭和原油获取能量，而化石或煤电的消费是一个大规模的碳排放过程。比如，俗有“电老虎”之称的电石(碳化钙)法聚氯乙烯(PVC)生产，其碳排放之多令人触目惊心。化工生产中的裂解反应(如乙烯工业)、电解反应(如氯碱工业)都属于强吸热反应，其能量消耗巨大。2020年，我国二氧化碳排放量达99亿吨，其中化工行业CO2排放量在5亿～6亿吨。双碳目标或将成为我国化工行业发展转型的助推剂和催化剂，要实现减排和发展的协同发展，我国的化工行业必将面临工艺和技术的改革及创新，要不断进行科技创新，加快绿色低碳技术改进，优化生产工艺，引进先进节能设备，提高能源效率。化工设备与化工机械作为现代大化工的三大核心技术之一，是化工工业发展的支持和保障。双碳目标下，为了使化工行业更好地服务于社会，只有不断地对化工设备进行绿色转型和技术创新，才能保证化工企业实现减排和发展的双赢。化工设备又称静设备，常见的化工设备有各种塔器、换热器、储罐、反应容器等。在化工生产中，化工设备一般都在高温、高压下工作，设备内的介质多具有易燃、易爆、剧毒和强腐蚀的特性，苛刻的工作条件为化工设备的设计、制造、使用和监管带来了巨大的挑战。在双碳目标下，随着我国科研水平和制造技术的不断改进和提高，化工设备正经历着从整体尺寸的大型化到附件结构的优化，从原材料的攻克到运行和维护智能化的变革。

2.各种化工设备优化研究现状

2.1 塔设备技术

塔设备是化工生产中重要的设备之一，常被用来实现气液或液液之间的充分接触，使相际之间进行传质和传热，完成精馏、吸收、解吸和干燥等操作单元。常用的塔设备有板式塔和填料塔两大类，在整个设备中，塔设备的投资约占25%，重量约占49%。塔器一般是圆筒形高大直立设备，常安装在户外，效率低，压降大，是热效率低的耗能大户。例如，精馏作为化工生产中的重要分离过程，是利用混合物中各组分挥发度的不同将各组分加以分离，其能耗可占整个化工生产的60%。因此，精馏工艺的改进以及精馏塔设备的优化对于节能减排，对于双碳目标的达成，具有极其重要的意义。通过新型的高效分离技术，可以提高精馏的分离效率和物料的回收率，降低回流比，进而降低能耗，而新型高效的分离技术离不开新型精馏塔的支撑。近年来，我国塔器技术有了很大的提高，开发出了许多新型的填料和塔盘。例如，华东理工大学开发了一系列的导向浮阀塔。对于常压或加压的大直径塔器，工业上目前仍以板式塔为主，浮阀塔就是一种重要的板式塔。F1型浮阀因其结构简单、价格便宜、技术成熟被广泛应用，但F1型浮阀操作弹性差，易导致塔板上液体梯度大，使气体不能与液体混合，导致塔板效率降低。为了解决普遍使用的F1型浮阀塔的压降大、效率低、不利于增产节能的缺点，华东理工大学开发研究了导向浮阀塔板系列产品，如导向浮阀塔板、组合导向浮阀塔板、齿形导向浮阀塔板等。它们是将原有的圆形F1型浮阀改成矩形、梯形、齿形以及组合型。通过流体力学性能的比较，经过改造后的浮阀塔在塔板压降、雾沫夹带和泄露量等方面都有明显的改善，可提高塔设备的分离效率，提高处理量。目前，齿形导向浮阀塔已经在化工生产中得到应用。中国石化上海石油化工股份有限公司为了解决原有重整油分离塔分离效率不佳，导致能耗增加以及实际操作难度提升的问题，使用由华东理工大学开发的波纹导向浮阀塔板。该浮阀采用人字形波纹状的阀片，波纹的斜面上有的设有导向孔，有的无导向孔，将两种浮阀合理混合分布在塔盘上，大大提高了塔板效率，有效改善了产品的质量，提高了产品的收率，降低了能耗和实际操作难度[1]。世林化工对原有的低温甲醇洗工艺进行了双层垂直筛板的改造，从根源上解决了净化气不合格，能耗高的问题，提高了塔板的处理量和处理效果，很大程度上减少了甲醇、二氧化硫的排放量，降低了能耗，保护了大气环境[2]。2021年9月18日，由华陆公司总承包的广西华谊PDH项目丙烷丙烯分离塔完成吊装。该塔内径10.6米，裙座最大外径12.94米，高度113.7米，空重达1537吨，附件安装后的重量可达1774吨，是目前国内已知最大、最重的丙烷丙烯分离塔，也是项目现场整体起吊的最大、最高、最重的设备。这标志着我国在大型塔设备生产、制造和安装方面又有了新的突破，高效率、高稳定性和自动化已经成为塔设备发展的趋势。

2.2 换热器技术

换热器又称热交换器，在工业生产中主要起到提高能源利用率和回收热量的作用，是化工生产中应用非常广泛的单元设备之一。据统计,在化学工业中，换热器的投资大约占设备总投资的30%,它是由换热器组成，主要依靠内部结构实现不同温度流体的热量传递和交换，达到工艺流程指标。在化工生产中，换热器可以是一台独立的化工设备，如再沸器、冷凝器、预热器、冷却器和蒸发器等，也可以作为化工设备的主要组成部件存在，例如，余热锅炉、管式加热炉、蒸发设备等。据统计，在石油、化工、冶金、电力四大行业中，换热设备的年回收热量折合标准煤约为5.7亿吨[3]。常用的工业换热器有列管式换热器和板式换热器，其中列管式换热器应用居多。工业换热器本身属于高耗能化工设备，目前，我国针对换热器还缺乏健全和完善的评价标准，关于换热器的能效监管还有待发展，仅有《热交换器能效测试与评价规则》(TSGR0010—2019)，而且是针对板式换热器修订的，关于列管式换热器还缺乏有效的评价体系。根据工作环境特点，换热器的列管和管壳、管板之间存在较大的温差应力，同时，换热介质又具有较强的腐蚀性，从而导致列管和管板的开裂，造成换热器内漏，使用周期短，需要定期清洗和更换，大大提高了维修成本，降低了能源的使用效率，增加了资源的消耗。“双碳”目标下，换热器的设计和制造应该充分考虑提高现有设备的换热效率和经济性能。

⑴ 在材料上应该选择传热系数高，耐腐蚀又经济的新材料。目前，工业用换热器的主要材料是碳钢和不锈钢两种。碳钢的导热系数高，换热效果好，制造工艺也较为成熟，但是不耐腐蚀，锈渣易堵塞换热列管和生产管路，影响换热效果，缩短使用寿命，增加生产和维修成本。不锈钢具有良好的耐弱酸介质腐蚀的能力，而且具有优异的机械加工性能，但是，不锈钢的导热系数不如碳钢，大约比碳钢低15%～20%，其加工成本也远高于碳钢，且在氯离子环境里易发生应力腐蚀、晶间腐蚀。因此，需要研发更多的新型换热材料。氟塑料换热器具有良好的耐腐蚀、耐磨损性，但是，导热系数较小，换热能力差，不能用于换热设备。聚四氟乙烯俗称“塑料王”，是一种以四氟乙烯作为单体聚合制得的高分子聚合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性。碳纳米材料是一种纳米量级的新材料，在光、电、热、磁、力学、机械等方面均展现出了优异的物理化学性能，碳纳米材料涂层技术可有效增强物体表面的换热性能。石墨烯作为新型碳纳米材料的一种，已经成为新材料皇冠上的明珠。将石墨烯与聚四氟乙烯(PFA)复合得到一种新型换热器材料，该材料同时具备石墨烯的良好导热性和聚四氟乙烯优异的耐酸碱腐蚀性。北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室的梁佳鹏搭建了余热回收测试实验台，对石墨烯—PFA复合材料换热器和金属换热器的传热性能进行了对比，研究了不同烟气流速、不同进口烟气温度以及不同石墨烯配比对复合材料传热性能的影响[4]。

⑵ 对现有换热器进行改型，调整换热器的结构，延长设备使用寿命，降低换热器维修和更换费用。天辰化工有限公司的氯乙烯车间使用的换热器主要以列管式换热器为主，换热器列管外壁经常因出现大量淤泥、氧化铁和钙类水垢而降低换热效率。天辰化工根据聚氯乙烯的理化性质，通过技术考察，在不改变换热器的材质，不增加换热器成本的前提下对原有换热器的进出口进行了调整，并对换热器内部的折流板进行了重新设计。经过改造的换热器寿命延长了1倍以上，12台换热设备每年可以节约维修费用12万元[5]。

⑶ 异型管管翅式换热器可以强化换热效果。传统换热器的换热管是表面光滑的圆形，存在流体阻力大，压降大的缺点。通过改变换热管的形状，将换热管换成异形翅片管，更改翅片管间距，可以明显增加换热器的效率，减少能耗。北京大学的徐荣吉等对椭圆形管、扁平管和“大—小”排布的异型管管翅式换热器性能进行了研究，得出翅片间距较大的异型管管翅式换热器能耗和阻力最小，综合性能最佳[6]。

2.3 大型储罐技术

在化工生产中，为了储存化工原料、中间产物和生产成品，设置了大量的储存设备，而这些储存设备一般都是在有压力的状态下工作的。《固定式压力容器安全技术监察规程》根据压力的大小将化工容器分为低压、中压、高压和超高压四种。储罐的结构形式有卧式和立式两种，储罐的筒身有圆筒形，方形和球形三种。其中，圆筒形储罐因为制造方便，承压效果较好作为中型储罐被广泛使用，而球形储罐虽然制造困难，但承压效果最好，主要应用于大型储罐。经过耗材和力学性能的计算和分析，在承压相同的情况下，储罐容积越大，钢材耗用量越低。大型储罐制造的经济性一直以来都是化工人关注的课题之一，大型化、节能化、智能化已经成为化工储罐未来的发展方向。

⑴ 材料是制约储罐大型化发展的主要因素之一。储罐随容积的增加对材料的强度和刚度的要求逐渐提高。目前，我国用于化工储罐的主要钢材是16MnR，但其强度较低，例如，在制造5万立方米浮顶罐时，壁厚可达34毫米，给大型储罐的制造带来了较大的困难。由武汉钢铁设计院、北京燕山石化公司、合肥通用机械厂、中国石化北京设计院组成攻关小组，对07MnCrMoVR钢进行研究开发，并用于北京燕山石化公司三台10万立方米浮顶储罐[7]。

⑵ 腐蚀破坏已经成为储存设备失效的主要原因。据统计，我国每年因腐蚀造成的经济损失可达2000万美元以上，同时造成多起人员伤亡事故。加强储罐防护技术的研究，提高防腐技术，对在用储罐剩余寿命进行预测，将成为化工储存设备使用的发展方向。目前的防腐措施主要有涂层和阴极保护，设备安装和养护阶段，尤其是大型储罐的细小零件处，防腐工作必须做好。江苏省特种设备安全监督检验研究院的宋高峰使用Gumbel极值分布法和有限折线，较为可靠地预测了服役储罐的剩余寿命[8]。

2.4 反应釜技术

反应设备在化工生产过程中发挥着重要的作用，常见的反应设备有釜式、塔式、管式、固定床反应器等。釜式反应器是一种典型的反应设备，根据操作方式可以分为连续搅拌反应釜、半间歇釜式反应器和间歇釜式反应器，能实现均相反应和多相反应。相对于其他反应设备，反应釜结构简单、方便制造、操作灵活，适合于多种小批量生产。间歇式反应釜批量加料，适用于多品种、小批量，反应时间较长的产品生产，但产品质量不稳定。半间歇釜式反应器常因物料积累过多且反应放热过快，容易引发热失控风险，造成化工安全事故。连续式反应釜产品质量稳定，易于操作控制，但是易出现返混现象。反应釜属于复杂的非线性化学反应器，压力、温度、浓度等参数的精确控制直接影响生产效率和产品质量。根据动力学、相平衡和物料平衡原理，建立机理模型，对工艺参数进行模拟和现场监测，可以明显提高产品质量的稳定性和能源的利用率。江南大学的陈珺对连续搅拌反应釜系统 (CSTR) 的滑控制问题进行了研究。在之前学者的研究成果上，对线性滑模面进行了改造，保证了系统的控制精度，也避免了系统出现抖振现象[9]。青岛理工大学的于波等提出了CSTR的具有输入输出约束的模糊自适应命令滤波控制，借助命令滤波技术简化控制器的结构，利用Barrier Lyapunov函数和输入饱和函数对系统的输入、输出进行约束，得到了结构简单、控制精度高的控制器[10]。

3.结语

化工设备的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，提高了生产自动化水平，改善了人类生活现状。双碳目标下，强化化工设备性能，不断开发新型复合材料，能够为目标的结构优化、提高化工设备的生产效率和自动化水平、延长设备的使用寿命、稳定产品的质量、提高能源的利用率提供保障。我国的化工行业还处在发展阶段，需要广大科技工作者共同努力来提高化工设备的发展与应用水平，助力双碳目标的顺利实现。