化工企业践行“双碳”

刘继成,仝鹏翔

(1.浙江合力革业有限公司,浙江 丽水 323010;2.安徽晨光新材料有限公司,安徽 铜陵 244000)

网上公开资料显示,2022年全球能源相关的CO2排放量达到368亿t以上,其中中国排放将近114.8亿t,占全球排放量的31.2%。我国化工部门(包括石油加工炼焦、化学原料和化学制品)产生的碳排量比重不断增加。大气中C2含量增高导致全球气温升高,南北极冰雪融化,海平面上升,自然灾害数量增加,人类的生存环境不断恶化。作为化工人,一起来讨论化工企业如何为“双碳”(碳达峰与碳中和)贡献力量。

1 化工项目在总体设计践行“双碳”

推动化工企业进入化工园区,化工企业入园区可以促进化工产业集聚和规范化发展,有利于加速淘汰落后技术、落后设备、落后产能,提升化工企业安全绿色发展,助力地方产业升级;推动化工企业数字化、智能化,可以缩短规划时间、降低生产成本、缩短生产时间、提高产品质量,及时发现生产隐患,规避生产风险[1]。化工企业园区化、数字化、智能化,提高了企业的生产效率、降低了企业的隐患。

鼓励以可再生能源制氢(绿氢,可再生能源制氢、生物制氢[2])、以二氧化碳为原料的化工项目,支持发展生物质化工。鼓励和增强企业采用天然气、乙烷、丙烷等为原料的动力,提高低碳原料比重。强化化工项目的耦合发展、产业循环链接,如炼化一体化、钢化联产、林浆纸一体化、林板一体化[3]。

《中华人民共和国节约能源法》规定,国家实行固定资产投资项目节能评估和审查制度。固定资产项目应做好《能源评估报告》,能评报告在企业的能源供应和保证、项目选址和总平面图节能评估、工艺流程和技术方案节能评估、主要耗能设备节能评估、能源加工和利用情况评估等方面,对化工企业的节能进行评估和评判,判定化工项目合理用能的政策符合性、科学性、可行性,以便更好地实现国家节能减排的宏观政策目标。

推进有条件的企业设计安装光伏发电,在企业的办公楼、研发楼、建筑体上安装光伏发电设备,满足企业的生活用电。2022年盐海化工公司利用房屋仓库屋顶等位置,建设完成分布式光伏项目一次性成功并网发电。盐海化工的成功发电标志着化工企业在加速低碳转型,推动化工产业能源变革迈出坚实步伐。

化工常压储罐单元建立氮封系统,用氮气压力来减少系统物料的挥发,从而减少尾气系统排放,甚至可以减掉尾气系统排放至总管前的冷凝器系统;对于反应压力不高,反应产生的不凝气少的系统,建议采用压力型设备(反应器或储罐),系统始终处在一定压力下的饱和蒸气压,进而减少尾气的排放。减少或避免各单元的尾气各自处理排放,减少尾气处理设施的数量,建立区域或全厂的尾气集中处理系统,固废、尾气处理合格后,集中处理。

污水处理的过程实际就是碳排放的过程,污水处理行业碳排放量占全社会总排量的1%,在环保产业中占比最大。车间、部门、全厂对排放的雨水、污水、循环水、冷冻水、蒸汽冷凝水等做到分类排放、分类收集,要避免循环水、冷冻水、蒸汽冷凝水排至污水系统,处理污水需要燃料和药剂,间接排放大量温室气体,处理过程本身也会直接排放温室气体。未经处理的污水直排导致黑臭是个厌氧过程,会产生更多的碳排放。所以工艺设施的先进和节能型污水处理设施,实际就是降低碳排量的直接措施。

建立中水回用系统,在化工园区或企业内部设计中水回用系统。对于企业内部排放的工业冷却水、各种物理、化学、生物等手段排放的冷却水,经过深度技术处理,去除各种杂质,去除污染水体的有毒、有害物质及某些重金属离子,进而消毒灭菌,其水体无色、无味、水质清澈透明,且达到或好于国家规定的杂用水标准(或相关规定),重新应用于企业生产或居民生活。

2 化学工艺设计“双碳”

化工研发公司或化工公司的研发部门着力培养技术型创新人才,同时国家科技部门、地方政府支持关键核心技术研发项目和重大示范工程落地,培养碳达峰碳中和青年科技人才的培养储备。持续探索新的反应原料、新的反应机理、新的反应条件(温度、压力、流量)、新的反应设备、新的反应结果,在满足现在反应结果的条件下,核算反应过程中碳的排量,突破基础理论和技术原理,建立基础科学,应用研究,产业部署和示范有机联动的碳中和科技研发模式[4],为实现研发技术创新在碳达峰方面做出创新性贡献。

化工工程设计应合理节约利用能源。化工工程设计为“碳达峰”应体现集中布置、集中控制、工艺流程合理、自动化程度高等方面。企业原料库区、产品库区的集中布置,可以减少同种物料的对空排放口、减少设备数量、减少管道仪表电气等材料;生产区域的集中布置,可以减少物料的输送距离、输送动力,减少输送过程中的能量损失,减少占地面积(可以留出足够的绿化空间);操作区域集中布置、集中控制,可以减少仪表、电气材料的使用,减少操作区域各种设施的配置(仪表操作系统的配置、监控系统的配置、电气设施的配置、生活环境设施的配置等)。

设计合理的工艺流程,碳达峰碳中和在技术上。物料反应放出的热量根据热量大小可以设置余热锅炉、物料进料前的加热或冷却,物料在不同阶段需要升温或降温时,把能量现场传递给需要的介质。合理利用外来能源,在设备满足蒸汽压力的运行的条件下,减少采用减温减压措施,减温减压会造成蒸汽的焓值降低。合理收集蒸汽冷凝水,对冷凝水进行热量的回收利用(中间作为与进料预热器的热量来源或提供给需要的预热的车间使用),最后可以回收蒸汽冷凝水(作为蒸汽锅炉的原料水)。合理设置蒸汽或导热油等热量的换热器进出口温度,减少动设备的无用功率和设备的部件损坏。

对公司生产和生活部门使用的公用工程成本进行计量和核算,对车间产品的单位能耗进行计量和考核,保证和促进使用部门合理、节约使用水、电、汽等。

自动化控制,采取自动化控制化工运行的温度、压力、流量、液位等,可以减少或避免反应的能量损失。人工操作会增加影响反应的各个因素的不确定性,导致生产未在合适的反应条件下进行,反应失败、反应不充分、给后续的分离增加负荷等。所以化工项目生产,自动化不光是安全生产的要求,也是实现“双碳”的重要措施。

3 设备设计和运行“双碳”

化工塔器设备设计合理、材质可靠、密封性能好等特点进行设计。针对塔器而言,就是根据物料性质,设计尺寸空间合适,材质正确,减少回流比,提高传质、反应效率,提高设备的使用寿命。对于精细化工行业,从设计上减少使用塔节塔(易密封不严、泄露),设备取样采用封闭循环式取样器,减少设计中间设备罐数量,减少多台作用相同并联使用的反应釜、冷凝器、气液分离罐、回流罐数量,应研究采用连续化生产工艺,采用大型反应塔器,采用增加塔器内停留时间、增加气液传质面积,将预热、冷凝、存储、输送等需要完成的工艺集中在一套系统设备上进行,将作用相同的设备设计在一套设备系统内,减少各类设备数量、减少热能、冷能、动力能的损失。

设计选用合适的动力输送设备,在满足工艺参数需要的前提下,缩短泵入口至设备的距离,有效汽蚀余量大于泵的必须气蚀余量0.5 m以上,减少泵进出口的管道阻力(要求设备布置合理,管道线路避免“气袋”“液袋”等现象),选取最佳参数的动力输送设备。建立完整的设备检查、保养计划,并严格落实,降低设备的维修周期,减少设备备品备件的更换和库存。

动力输送设备和搅拌设备,应根据物料和使用场合,选用不同设计制造标准的密封形式,对有有毒、有害、易燃、易爆的介质物料,应选用双端面机械密封或者磁力连接等,对于采用机械密封的设备,为避免机封泄露或损害而导致内部物料逸散至空气中,应在机封处安装密封系统;搅拌设备除了搅拌釜外,还要考虑静态混合器、管道混合器等体积小、效率高、投资少的混合搅拌设备。

在工艺条件许可的情况下,设备材质选用可重复使用的钢材类,减少或避免使用玻璃钢材料、搪玻璃、四氟、水泥等不可循环、难分解的材质制作设备。设备配套的垫片应减少使用四氟、橡胶等垫片,提倡使用可以回收使用金属垫片。设备应安装在混凝土基础或钢结构框架上(都应该高出周围地面),避免设备基础浸泡在液体中引起设备腐蚀而产生系统应力(避免安全事故)。设备在安装时,应编制安装方案,按照业主审批的方案安装和验收,规范地安装不仅可以提高设备安全运行周期,还可以提高设备的使用效率、使用寿命。按时巡检、按计划检修、保养、将运行中的问题及时发现并处理。设备安全、平稳、长周期运行就是践行“双碳”。

4 电气设施“双碳”

选用高效节能电机,节约能源、降低长期运行成本,靠节电一年可收回电机购置成本;稀土永磁高效节能电机本身可比普通电机节约电能15%以上;电机功率因数接近1,提高电网品质因数,无需加功率因数补偿器;电机电流小,节约输配电容量、延长系统整体运行寿命。对于工作参数变化大的,选用节能的变频电机,既能满足工艺要求,又可以降低工作负荷[5]。

建立变电设施不仅可以保证企业的用电稳定安全、降低电费,更可以节约能源的损耗。由于企业的位置不能改变,为了降低电力长距离输送由于阻力导致的电能损耗,可以通过提高电压、降低电流的方式来降低损耗,这时企业可以根据自身用电需求,建立变电设施来降低电压。

企业建立变电设施可以实现工业生产自动化增加产量,提高产品质量,提高生产效率,改善工作环境,降低劳动强度,建立变电设施可以避免由于低压问题造成的全厂停电,避免电能突然中断可能造成的生产事故。

电器设施是化工企业用电的主要设备,设计上考虑使用节能设备、环保设备,生产中更加严格管理,将节能用电的意识和行为贯彻到每位同事,车间要安装节能防爆灯、办公场所安装节能灯,对制冷设备与冷冻水系统采用自动温控技术,空压机采用变频控制等方式。

5 基建部分“双碳”

化工项目的基建工程不仅关系着公司的建筑安全,基建的工程质量和设计标准也是“碳中和”重要组成部分,基建过程使用的钢筋、水泥、砖、瓦、灰、石等都是采用化石燃料加工而成。基建工程的设计应充分考虑采用低碳建筑结构体,推广钢结构建筑轻量化设计,探索可替代循环材料在建筑中的应用,降低建筑单位平方米材料的碳排放强度。提升建筑安全耐久性标准,满足建筑支撑体耐久性和建筑填充体可维护可更换性,达到建筑长寿性能要求,避免由于建筑结构、功能设计落后原因导致的建筑短命现象[6]。

推动智能建造、建筑工业化和绿色施工协同发展,利用BIM虚拟施工、建筑工业化等技术提高施工效率,减少失误和过程损耗,避免工程返工,有效减少材料损耗。加快新能源机械设备的创新研发,扩大其在施工企业的应用比例,逐步替代高排放和高噪声的柴油机械设备,实现施工设备的能源清洁化。

在符合化工厂特点条件的情况下,统筹设计全厂的地面绿化、房屋绿化、立体绿化,提高绿地比例,利用坡地、洼地等不良地形进行绿化建设,鼓励种植具有防风、降噪、调节小气候的本地植物。

6 防腐保温助力“双碳”

现在世界上每年因腐蚀而报废的金属设备和材料相当于年产量的20%～40%,非常严重。化工企业应当做好金属材料的防腐工作,助力碳达峰。根据企业所处位置和产品物料腐蚀性,设计管道、结构、设备的防腐等级和涂料要求。为达到更好的除锈等级,化工项目的所用钢材(不锈钢材料根据设计情况而定)应整体进行喷砂或抛丸除锈,除锈等级和粗糙度要符合GB 50046—2008《工业建筑防腐蚀设计规范》、HG/T 20679《化工设备管道外防腐设计规定》、SH/T 3022《石油化工设备和管道涂料防腐蚀技术规范》,保护层设计年限要求按照十年(或者更长时间)进行设计;涂料是为了避免管道、设备腐蚀,选用采用低碳原料加工制作的新型防腐涂料,比如增加生物基涂料产品的种类及数量等。对于采购加工成型的管道或设备,在技术文件中要求供货商按照技术文件要求,除锈刷漆需验收合格。为了在材质表面形成更好的涂层,建议采用喷涂的形式进行,材料的除锈和刷漆应在封闭的作业厂房内进行,同时厂房内要求具备良好的通风置换和尾气处理系统,避免厂房内扬尘和油漆涂料未经处理合格就直接进入大气。

化工物料在存储、输送、反应、换热等过程都伴随物料能量的吸收和存储,为了更合理地利用热能或冷能,根据物料温度特点、环境特点等,保温材料选用和规范安装是能量保持的关键。保温材料应结合低碳节能的原则,可以采用经济厚度法、直埋管道保温热力法、多层绝热层法、允许降温法进行选择计算保温层的厚度。保温保冷材料发展迅速,气凝胶是目前最好的隔热材料,用于设备有隔热效果好、厚度薄、质量轻、阻燃效果好的优点[7]。保温工程是用户降低能量损失的有力措施,从而节省碳排放量。

化工企业里,建筑的防腐、保温与生产的管道、设备保温同样重要,做好建筑的防腐、保温工程的设计、选材和安装,不仅可以提高建筑的质量和使用寿命,同时也能大大降低室内外热量的传递,从而有效地帮助建筑物全寿命维持室内环境,从而促进碳达峰和碳中和的实现。

结语:化工企业应对“双碳”,目前采取长期、积极、高效的措施,践行“双碳”既是企业安全环保要求,还是降能增效的措施,也是保护人类赖以生存自然环境的重要策略,化工企业应在研发、设计、安装、生产,甚至维修保养等各个环节,为“双碳”目标贡献力量。