化工企業(yè)踐行“雙碳”

劉繼成,仝鵬翔

(1.浙江合力革業(yè)有限公司,浙江 麗水 323010;2.安徽晨光新材料有限公司,安徽 銅陵 244000)

網(wǎng)上公開資料顯示,2022年全球能源相關(guān)的CO2排放量達到368億t以上,其中中國排放將近114.8億t,占全球排放量的31.2%。我國化工部門(包括石油加工煉焦、化學原料和化學制品)產(chǎn)生的碳排量比重不斷增加。大氣中C2含量增高導致全球氣溫升高,南北極冰雪融化,海平面上升,自然災(zāi)害數(shù)量增加,人類的生存環(huán)境不斷惡化。作為化工人,一起來討論化工企業(yè)如何為“雙碳”(碳達峰與碳中和)貢獻力量。

1 化工項目在總體設(shè)計踐行“雙碳”

推動化工企業(yè)進入化工園區(qū),化工企業(yè)入園區(qū)可以促進化工產(chǎn)業(yè)集聚和規(guī)范化發(fā)展,有利于加速淘汰落后技術(shù)、落后設(shè)備、落后產(chǎn)能,提升化工企業(yè)安全綠色發(fā)展,助力地方產(chǎn)業(yè)升級;推動化工企業(yè)數(shù)字化、智能化,可以縮短規(guī)劃時間、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)時間、提高產(chǎn)品質(zhì)量,及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)隱患,規(guī)避生產(chǎn)風險[1]?；て髽I(yè)園區(qū)化、數(shù)字化、智能化,提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低了企業(yè)的隱患。

鼓勵以可再生能源制氫(綠氫,可再生能源制氫、生物制氫[2])、以二氧化碳為原料的化工項目,支持發(fā)展生物質(zhì)化工。鼓勵和增強企業(yè)采用天然氣、乙烷、丙烷等為原料的動力,提高低碳原料比重。強化化工項目的耦合發(fā)展、產(chǎn)業(yè)循環(huán)鏈接,如煉化一體化、鋼化聯(lián)產(chǎn)、林漿紙一體化、林板一體化[3]。

《中華人民共和國節(jié)約能源法》規(guī)定,國家實行固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估和審查制度。固定資產(chǎn)項目應(yīng)做好《能源評估報告》,能評報告在企業(yè)的能源供應(yīng)和保證、項目選址和總平面圖節(jié)能評估、工藝流程和技術(shù)方案節(jié)能評估、主要耗能設(shè)備節(jié)能評估、能源加工和利用情況評估等方面,對化工企業(yè)的節(jié)能進行評估和評判,判定化工項目合理用能的政策符合性、科學性、可行性,以便更好地實現(xiàn)國家節(jié)能減排的宏觀政策目標。

推進有條件的企業(yè)設(shè)計安裝光伏發(fā)電,在企業(yè)的辦公樓、研發(fā)樓、建筑體上安裝光伏發(fā)電設(shè)備,滿足企業(yè)的生活用電。2022年鹽?；す纠梅课輦}庫屋頂?shù)任恢?建設(shè)完成分布式光伏項目一次性成功并網(wǎng)發(fā)電。鹽?；さ某晒Πl(fā)電標志著化工企業(yè)在加速低碳轉(zhuǎn)型,推動化工產(chǎn)業(yè)能源變革邁出堅實步伐。

化工常壓儲罐單元建立氮封系統(tǒng),用氮氣壓力來減少系統(tǒng)物料的揮發(fā),從而減少尾氣系統(tǒng)排放,甚至可以減掉尾氣系統(tǒng)排放至總管前的冷凝器系統(tǒng);對于反應(yīng)壓力不高,反應(yīng)產(chǎn)生的不凝氣少的系統(tǒng),建議采用壓力型設(shè)備(反應(yīng)器或儲罐),系統(tǒng)始終處在一定壓力下的飽和蒸氣壓,進而減少尾氣的排放。減少或避免各單元的尾氣各自處理排放,減少尾氣處理設(shè)施的數(shù)量,建立區(qū)域或全廠的尾氣集中處理系統(tǒng),固廢、尾氣處理合格后,集中處理。

污水處理的過程實際就是碳排放的過程,污水處理行業(yè)碳排放量占全社會總排量的1%,在環(huán)保產(chǎn)業(yè)中占比最大。車間、部門、全廠對排放的雨水、污水、循環(huán)水、冷凍水、蒸汽冷凝水等做到分類排放、分類收集,要避免循環(huán)水、冷凍水、蒸汽冷凝水排至污水系統(tǒng),處理污水需要燃料和藥劑,間接排放大量溫室氣體,處理過程本身也會直接排放溫室氣體。未經(jīng)處理的污水直排導致黑臭是個厭氧過程,會產(chǎn)生更多的碳排放。所以工藝設(shè)施的先進和節(jié)能型污水處理設(shè)施,實際就是降低碳排量的直接措施。

建立中水回用系統(tǒng),在化工園區(qū)或企業(yè)內(nèi)部設(shè)計中水回用系統(tǒng)。對于企業(yè)內(nèi)部排放的工業(yè)冷卻水、各種物理、化學、生物等手段排放的冷卻水,經(jīng)過深度技術(shù)處理,去除各種雜質(zhì),去除污染水體的有毒、有害物質(zhì)及某些重金屬離子,進而消毒滅菌,其水體無色、無味、水質(zhì)清澈透明,且達到或好于國家規(guī)定的雜用水標準(或相關(guān)規(guī)定),重新應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)或居民生活。

2 化學工藝設(shè)計“雙碳”

化工研發(fā)公司或化工公司的研發(fā)部門著力培養(yǎng)技術(shù)型創(chuàng)新人才,同時國家科技部門、地方政府支持關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)項目和重大示范工程落地,培養(yǎng)碳達峰碳中和青年科技人才的培養(yǎng)儲備。持續(xù)探索新的反應(yīng)原料、新的反應(yīng)機理、新的反應(yīng)條件(溫度、壓力、流量)、新的反應(yīng)設(shè)備、新的反應(yīng)結(jié)果,在滿足現(xiàn)在反應(yīng)結(jié)果的條件下,核算反應(yīng)過程中碳的排量,突破基礎(chǔ)理論和技術(shù)原理,建立基礎(chǔ)科學,應(yīng)用研究,產(chǎn)業(yè)部署和示范有機聯(lián)動的碳中和科技研發(fā)模式[4],為實現(xiàn)研發(fā)技術(shù)創(chuàng)新在碳達峰方面做出創(chuàng)新性貢獻。

化工工程設(shè)計應(yīng)合理節(jié)約利用能源?；すこ淘O(shè)計為“碳達峰”應(yīng)體現(xiàn)集中布置、集中控制、工藝流程合理、自動化程度高等方面。企業(yè)原料庫區(qū)、產(chǎn)品庫區(qū)的集中布置,可以減少同種物料的對空排放口、減少設(shè)備數(shù)量、減少管道儀表電氣等材料;生產(chǎn)區(qū)域的集中布置,可以減少物料的輸送距離、輸送動力,減少輸送過程中的能量損失,減少占地面積(可以留出足夠的綠化空間);操作區(qū)域集中布置、集中控制,可以減少儀表、電氣材料的使用,減少操作區(qū)域各種設(shè)施的配置(儀表操作系統(tǒng)的配置、監(jiān)控系統(tǒng)的配置、電氣設(shè)施的配置、生活環(huán)境設(shè)施的配置等)。

設(shè)計合理的工藝流程,碳達峰碳中和在技術(shù)上。物料反應(yīng)放出的熱量根據(jù)熱量大小可以設(shè)置余熱鍋爐、物料進料前的加熱或冷卻,物料在不同階段需要升溫或降溫時,把能量現(xiàn)場傳遞給需要的介質(zhì)。合理利用外來能源,在設(shè)備滿足蒸汽壓力的運行的條件下,減少采用減溫減壓措施,減溫減壓會造成蒸汽的焓值降低。合理收集蒸汽冷凝水,對冷凝水進行熱量的回收利用(中間作為與進料預(yù)熱器的熱量來源或提供給需要的預(yù)熱的車間使用),最后可以回收蒸汽冷凝水(作為蒸汽鍋爐的原料水)。合理設(shè)置蒸汽或?qū)嵊偷葻崃康膿Q熱器進出口溫度,減少動設(shè)備的無用功率和設(shè)備的部件損壞。

對公司生產(chǎn)和生活部門使用的公用工程成本進行計量和核算,對車間產(chǎn)品的單位能耗進行計量和考核,保證和促進使用部門合理、節(jié)約使用水、電、汽等。

自動化控制,采取自動化控制化工運行的溫度、壓力、流量、液位等,可以減少或避免反應(yīng)的能量損失。人工操作會增加影響反應(yīng)的各個因素的不確定性,導致生產(chǎn)未在合適的反應(yīng)條件下進行,反應(yīng)失敗、反應(yīng)不充分、給后續(xù)的分離增加負荷等。所以化工項目生產(chǎn),自動化不光是安全生產(chǎn)的要求,也是實現(xiàn)“雙碳”的重要措施。

3 設(shè)備設(shè)計和運行“雙碳”

化工塔器設(shè)備設(shè)計合理、材質(zhì)可靠、密封性能好等特點進行設(shè)計。針對塔器而言,就是根據(jù)物料性質(zhì),設(shè)計尺寸空間合適,材質(zhì)正確,減少回流比,提高傳質(zhì)、反應(yīng)效率,提高設(shè)備的使用壽命。對于精細化工行業(yè),從設(shè)計上減少使用塔節(jié)塔(易密封不嚴、泄露),設(shè)備取樣采用封閉循環(huán)式取樣器,減少設(shè)計中間設(shè)備罐數(shù)量,減少多臺作用相同并聯(lián)使用的反應(yīng)釜、冷凝器、氣液分離罐、回流罐數(shù)量,應(yīng)研究采用連續(xù)化生產(chǎn)工藝,采用大型反應(yīng)塔器,采用增加塔器內(nèi)停留時間、增加氣液傳質(zhì)面積,將預(yù)熱、冷凝、存儲、輸送等需要完成的工藝集中在一套系統(tǒng)設(shè)備上進行,將作用相同的設(shè)備設(shè)計在一套設(shè)備系統(tǒng)內(nèi),減少各類設(shè)備數(shù)量、減少熱能、冷能、動力能的損失。

設(shè)計選用合適的動力輸送設(shè)備,在滿足工藝參數(shù)需要的前提下,縮短泵入口至設(shè)備的距離,有效汽蝕余量大于泵的必須氣蝕余量0.5 m以上,減少泵進出口的管道阻力(要求設(shè)備布置合理,管道線路避免“氣袋”“液袋”等現(xiàn)象),選取最佳參數(shù)的動力輸送設(shè)備。建立完整的設(shè)備檢查、保養(yǎng)計劃,并嚴格落實,降低設(shè)備的維修周期,減少設(shè)備備品備件的更換和庫存。

動力輸送設(shè)備和攪拌設(shè)備,應(yīng)根據(jù)物料和使用場合,選用不同設(shè)計制造標準的密封形式,對有有毒、有害、易燃、易爆的介質(zhì)物料,應(yīng)選用雙端面機械密封或者磁力連接等,對于采用機械密封的設(shè)備,為避免機封泄露或損害而導致內(nèi)部物料逸散至空氣中,應(yīng)在機封處安裝密封系統(tǒng);攪拌設(shè)備除了攪拌釜外,還要考慮靜態(tài)混合器、管道混合器等體積小、效率高、投資少的混合攪拌設(shè)備。

在工藝條件許可的情況下,設(shè)備材質(zhì)選用可重復(fù)使用的鋼材類,減少或避免使用玻璃鋼材料、搪玻璃、四氟、水泥等不可循環(huán)、難分解的材質(zhì)制作設(shè)備。設(shè)備配套的墊片應(yīng)減少使用四氟、橡膠等墊片,提倡使用可以回收使用金屬墊片。設(shè)備應(yīng)安裝在混凝土基礎(chǔ)或鋼結(jié)構(gòu)框架上(都應(yīng)該高出周圍地面),避免設(shè)備基礎(chǔ)浸泡在液體中引起設(shè)備腐蝕而產(chǎn)生系統(tǒng)應(yīng)力(避免安全事故)。設(shè)備在安裝時,應(yīng)編制安裝方案,按照業(yè)主審批的方案安裝和驗收,規(guī)范地安裝不僅可以提高設(shè)備安全運行周期,還可以提高設(shè)備的使用效率、使用壽命。按時巡檢、按計劃檢修、保養(yǎng)、將運行中的問題及時發(fā)現(xiàn)并處理。設(shè)備安全、平穩(wěn)、長周期運行就是踐行“雙碳”。

4 電氣設(shè)施“雙碳”

選用高效節(jié)能電機,節(jié)約能源、降低長期運行成本,靠節(jié)電一年可收回電機購置成本;稀土永磁高效節(jié)能電機本身可比普通電機節(jié)約電能15%以上;電機功率因數(shù)接近1,提高電網(wǎng)品質(zhì)因數(shù),無需加功率因數(shù)補償器;電機電流小,節(jié)約輸配電容量、延長系統(tǒng)整體運行壽命。對于工作參數(shù)變化大的,選用節(jié)能的變頻電機,既能滿足工藝要求,又可以降低工作負荷[5]。

建立變電設(shè)施不僅可以保證企業(yè)的用電穩(wěn)定安全、降低電費,更可以節(jié)約能源的損耗。由于企業(yè)的位置不能改變,為了降低電力長距離輸送由于阻力導致的電能損耗,可以通過提高電壓、降低電流的方式來降低損耗,這時企業(yè)可以根據(jù)自身用電需求,建立變電設(shè)施來降低電壓。

企業(yè)建立變電設(shè)施可以實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化增加產(chǎn)量,提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善工作環(huán)境,降低勞動強度,建立變電設(shè)施可以避免由于低壓問題造成的全廠停電,避免電能突然中斷可能造成的生產(chǎn)事故。

電器設(shè)施是化工企業(yè)用電的主要設(shè)備,設(shè)計上考慮使用節(jié)能設(shè)備、環(huán)保設(shè)備,生產(chǎn)中更加嚴格管理,將節(jié)能用電的意識和行為貫徹到每位同事,車間要安裝節(jié)能防爆燈、辦公場所安裝節(jié)能燈,對制冷設(shè)備與冷凍水系統(tǒng)采用自動溫控技術(shù),空壓機采用變頻控制等方式。

5 基建部分“雙碳”

化工項目的基建工程不僅關(guān)系著公司的建筑安全,基建的工程質(zhì)量和設(shè)計標準也是“碳中和”重要組成部分,基建過程使用的鋼筋、水泥、磚、瓦、灰、石等都是采用化石燃料加工而成?；üこ痰脑O(shè)計應(yīng)充分考慮采用低碳建筑結(jié)構(gòu)體,推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑輕量化設(shè)計,探索可替代循環(huán)材料在建筑中的應(yīng)用,降低建筑單位平方米材料的碳排放強度。提升建筑安全耐久性標準,滿足建筑支撐體耐久性和建筑填充體可維護可更換性,達到建筑長壽性能要求,避免由于建筑結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計落后原因?qū)е碌慕ㄖ堂F(xiàn)象[6]。

推動智能建造、建筑工業(yè)化和綠色施工協(xié)同發(fā)展,利用BIM虛擬施工、建筑工業(yè)化等技術(shù)提高施工效率,減少失誤和過程損耗,避免工程返工,有效減少材料損耗。加快新能源機械設(shè)備的創(chuàng)新研發(fā),擴大其在施工企業(yè)的應(yīng)用比例,逐步替代高排放和高噪聲的柴油機械設(shè)備,實現(xiàn)施工設(shè)備的能源清潔化。

在符合化工廠特點條件的情況下,統(tǒng)籌設(shè)計全廠的地面綠化、房屋綠化、立體綠化,提高綠地比例,利用坡地、洼地等不良地形進行綠化建設(shè),鼓勵種植具有防風、降噪、調(diào)節(jié)小氣候的本地植物。

6 防腐保溫助力“雙碳”

現(xiàn)在世界上每年因腐蝕而報廢的金屬設(shè)備和材料相當于年產(chǎn)量的20%～40%,非常嚴重?；て髽I(yè)應(yīng)當做好金屬材料的防腐工作,助力碳達峰。根據(jù)企業(yè)所處位置和產(chǎn)品物料腐蝕性,設(shè)計管道、結(jié)構(gòu)、設(shè)備的防腐等級和涂料要求。為達到更好的除銹等級,化工項目的所用鋼材(不銹鋼材料根據(jù)設(shè)計情況而定)應(yīng)整體進行噴砂或拋丸除銹,除銹等級和粗糙度要符合GB 50046—2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》、HG/T 20679《化工設(shè)備管道外防腐設(shè)計規(guī)定》、SH/T 3022《石油化工設(shè)備和管道涂料防腐蝕技術(shù)規(guī)范》,保護層設(shè)計年限要求按照十年(或者更長時間)進行設(shè)計;涂料是為了避免管道、設(shè)備腐蝕,選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產(chǎn)品的種類及數(shù)量等。對于采購加工成型的管道或設(shè)備,在技術(shù)文件中要求供貨商按照技術(shù)文件要求,除銹刷漆需驗收合格。為了在材質(zhì)表面形成更好的涂層,建議采用噴涂的形式進行,材料的除銹和刷漆應(yīng)在封閉的作業(yè)廠房內(nèi)進行,同時廠房內(nèi)要求具備良好的通風置換和尾氣處理系統(tǒng),避免廠房內(nèi)揚塵和油漆涂料未經(jīng)處理合格就直接進入大氣。

化工物料在存儲、輸送、反應(yīng)、換熱等過程都伴隨物料能量的吸收和存儲,為了更合理地利用熱能或冷能,根據(jù)物料溫度特點、環(huán)境特點等,保溫材料選用和規(guī)范安裝是能量保持的關(guān)鍵。保溫材料應(yīng)結(jié)合低碳節(jié)能的原則,可以采用經(jīng)濟厚度法、直埋管道保溫熱力法、多層絕熱層法、允許降溫法進行選擇計算保溫層的厚度。保溫保冷材料發(fā)展迅速,氣凝膠是目前最好的隔熱材料,用于設(shè)備有隔熱效果好、厚度薄、質(zhì)量輕、阻燃效果好的優(yōu)點[7]。保溫工程是用戶降低能量損失的有力措施,從而節(jié)省碳排放量。

化工企業(yè)里,建筑的防腐、保溫與生產(chǎn)的管道、設(shè)備保溫同樣重要,做好建筑的防腐、保溫工程的設(shè)計、選材和安裝,不僅可以提高建筑的質(zhì)量和使用壽命,同時也能大大降低室內(nèi)外熱量的傳遞,從而有效地幫助建筑物全壽命維持室內(nèi)環(huán)境,從而促進碳達峰和碳中和的實現(xiàn)。

結(jié)語:化工企業(yè)應(yīng)對“雙碳”,目前采取長期、積極、高效的措施,踐行“雙碳”既是企業(yè)安全環(huán)保要求,還是降能增效的措施,也是保護人類賴以生存自然環(huán)境的重要策略,化工企業(yè)應(yīng)在研發(fā)、設(shè)計、安裝、生產(chǎn),甚至維修保養(yǎng)等各個環(huán)節(jié),為“雙碳”目標貢獻力量。