雙碳目標下化工設備助力化工生產低碳轉型研究

樊麗梅 石香玉

（焦作大學化工與環境工程學院，河南 焦作 454000）

1.化工設備優化升級的背景

為實現1.5℃/2℃升溫目標，我國在第七十五屆聯合國大會上提出“2030碳達峰，2060碳中和”的碳減排兩階段戰略目標，即“雙碳”戰略目標?；すI在世界各國的國民經濟發展中都占有重要的地位，我國的化工工業起始于50年代，發展于70年代，在經歷了迅速的崛起和騰飛之后，已經成為我國經濟發展的重要支柱產業之一。碳達峰、碳中和為我國化工行業帶來了發展和減排的雙重壓力和挑戰?；ぴO備作為化工生產的基礎，在工業生產中發揮著舉足輕重的作用，影響了化工企業的核心競爭力?；どa主要通過煤炭和原油獲取能量，而化石或煤電的消費是一個大規模的碳排放過程。比如，俗有“電老虎”之稱的電石(碳化鈣)法聚氯乙烯(PVC)生產，其碳排放之多令人觸目驚心?；どa中的裂解反應(如乙烯工業)、電解反應(如氯堿工業)都屬于強吸熱反應，其能量消耗巨大。2020年，我國二氧化碳排放量達99億噸，其中化工行業CO2排放量在5億～6億噸。雙碳目標或將成為我國化工行業發展轉型的助推劑和催化劑，要實現減排和發展的協同發展，我國的化工行業必將面臨工藝和技術的改革及創新，要不斷進行科技創新，加快綠色低碳技術改進，優化生產工藝，引進先進節能設備，提高能源效率?；ぴO備與化工機械作為現代大化工的三大核心技術之一，是化工工業發展的支持和保障。雙碳目標下，為了使化工行業更好地服務于社會，只有不斷地對化工設備進行綠色轉型和技術創新，才能保證化工企業實現減排和發展的雙贏?；ぴO備又稱靜設備，常見的化工設備有各種塔器、換熱器、儲罐、反應容器等。在化工生產中，化工設備一般都在高溫、高壓下工作，設備內的介質多具有易燃、易爆、劇毒和強腐蝕的特性，苛刻的工作條件為化工設備的設計、制造、使用和監管帶來了巨大的挑戰。在雙碳目標下，隨著我國科研水平和制造技術的不斷改進和提高，化工設備正經歷著從整體尺寸的大型化到附件結構的優化，從原材料的攻克到運行和維護智能化的變革。

2.各種化工設備優化研究現狀

2.1 塔設備技術

塔設備是化工生產中重要的設備之一，常被用來實現氣液或液液之間的充分接觸，使相際之間進行傳質和傳熱，完成精餾、吸收、解吸和干燥等操作單元。常用的塔設備有板式塔和填料塔兩大類，在整個設備中，塔設備的投資約占25%，重量約占49%。塔器一般是圓筒形高大直立設備，常安裝在戶外，效率低，壓降大，是熱效率低的耗能大戶。例如，精餾作為化工生產中的重要分離過程，是利用混合物中各組分揮發度的不同將各組分加以分離，其能耗可占整個化工生產的60%。因此，精餾工藝的改進以及精餾塔設備的優化對于節能減排，對于雙碳目標的達成，具有極其重要的意義。通過新型的高效分離技術，可以提高精餾的分離效率和物料的回收率，降低回流比，進而降低能耗，而新型高效的分離技術離不開新型精餾塔的支撐。近年來，我國塔器技術有了很大的提高，開發出了許多新型的填料和塔盤。例如，華東理工大學開發了一系列的導向浮閥塔。對于常壓或加壓的大直徑塔器，工業上目前仍以板式塔為主，浮閥塔就是一種重要的板式塔。F1型浮閥因其結構簡單、價格便宜、技術成熟被廣泛應用，但F1型浮閥操作彈性差，易導致塔板上液體梯度大，使氣體不能與液體混合，導致塔板效率降低。為了解決普遍使用的F1型浮閥塔的壓降大、效率低、不利于增產節能的缺點，華東理工大學開發研究了導向浮閥塔板系列產品，如導向浮閥塔板、組合導向浮閥塔板、齒形導向浮閥塔板等。它們是將原有的圓形F1型浮閥改成矩形、梯形、齒形以及組合型。通過流體力學性能的比較，經過改造后的浮閥塔在塔板壓降、霧沫夾帶和泄露量等方面都有明顯的改善，可提高塔設備的分離效率，提高處理量。目前，齒形導向浮閥塔已經在化工生產中得到應用。中國石化上海石油化工股份有限公司為了解決原有重整油分離塔分離效率不佳，導致能耗增加以及實際操作難度提升的問題，使用由華東理工大學開發的波紋導向浮閥塔板。該浮閥采用人字形波紋狀的閥片，波紋的斜面上有的設有導向孔，有的無導向孔，將兩種浮閥合理混合分布在塔盤上，大大提高了塔板效率，有效改善了產品的質量，提高了產品的收率，降低了能耗和實際操作難度[1]。世林化工對原有的低溫甲醇洗工藝進行了雙層垂直篩板的改造，從根源上解決了凈化氣不合格，能耗高的問題，提高了塔板的處理量和處理效果，很大程度上減少了甲醇、二氧化硫的排放量，降低了能耗，保護了大氣環境[2]。2021年9月18日，由華陸公司總承包的廣西華誼PDH項目丙烷丙烯分離塔完成吊裝。該塔內徑10.6米，裙座最大外徑12.94米，高度113.7米，空重達1537噸，附件安裝后的重量可達1774噸，是目前國內已知最大、最重的丙烷丙烯分離塔，也是項目現場整體起吊的最大、最高、最重的設備。這標志著我國在大型塔設備生產、制造和安裝方面又有了新的突破，高效率、高穩定性和自動化已經成為塔設備發展的趨勢。

2.2 換熱器技術

換熱器又稱熱交換器，在工業生產中主要起到提高能源利用率和回收熱量的作用，是化工生產中應用非常廣泛的單元設備之一。據統計,在化學工業中，換熱器的投資大約占設備總投資的30%,它是由換熱器組成，主要依靠內部結構實現不同溫度流體的熱量傳遞和交換，達到工藝流程指標。在化工生產中，換熱器可以是一臺獨立的化工設備，如再沸器、冷凝器、預熱器、冷卻器和蒸發器等，也可以作為化工設備的主要組成部件存在，例如，余熱鍋爐、管式加熱爐、蒸發設備等。據統計，在石油、化工、冶金、電力四大行業中，換熱設備的年回收熱量折合標準煤約為5.7億噸[3]。常用的工業換熱器有列管式換熱器和板式換熱器，其中列管式換熱器應用居多。工業換熱器本身屬于高耗能化工設備，目前，我國針對換熱器還缺乏健全和完善的評價標準，關于換熱器的能效監管還有待發展，僅有《熱交換器能效測試與評價規則》(TSGR0010—2019)，而且是針對板式換熱器修訂的，關于列管式換熱器還缺乏有效的評價體系。根據工作環境特點，換熱器的列管和管殼、管板之間存在較大的溫差應力，同時，換熱介質又具有較強的腐蝕性，從而導致列管和管板的開裂，造成換熱器內漏，使用周期短，需要定期清洗和更換，大大提高了維修成本，降低了能源的使用效率，增加了資源的消耗?！半p碳”目標下，換熱器的設計和制造應該充分考慮提高現有設備的換熱效率和經濟性能。

⑴ 在材料上應該選擇傳熱系數高，耐腐蝕又經濟的新材料。目前，工業用換熱器的主要材料是碳鋼和不銹鋼兩種。碳鋼的導熱系數高，換熱效果好，制造工藝也較為成熟，但是不耐腐蝕，銹渣易堵塞換熱列管和生產管路，影響換熱效果，縮短使用壽命，增加生產和維修成本。不銹鋼具有良好的耐弱酸介質腐蝕的能力，而且具有優異的機械加工性能，但是，不銹鋼的導熱系數不如碳鋼，大約比碳鋼低15%～20%，其加工成本也遠高于碳鋼，且在氯離子環境里易發生應力腐蝕、晶間腐蝕。因此，需要研發更多的新型換熱材料。氟塑料換熱器具有良好的耐腐蝕、耐磨損性，但是，導熱系數較小，換熱能力差，不能用于換熱設備。聚四氟乙烯俗稱“塑料王”，是一種以四氟乙烯作為單體聚合制得的高分子聚合物，具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性。碳納米材料是一種納米量級的新材料，在光、電、熱、磁、力學、機械等方面均展現出了優異的物理化學性能，碳納米材料涂層技術可有效增強物體表面的換熱性能。石墨烯作為新型碳納米材料的一種，已經成為新材料皇冠上的明珠。將石墨烯與聚四氟乙烯(PFA)復合得到一種新型換熱器材料，該材料同時具備石墨烯的良好導熱性和聚四氟乙烯優異的耐酸堿腐蝕性。北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室的梁佳鵬搭建了余熱回收測試實驗臺，對石墨烯—PFA復合材料換熱器和金屬換熱器的傳熱性能進行了對比，研究了不同煙氣流速、不同進口煙氣溫度以及不同石墨烯配比對復合材料傳熱性能的影響[4]。

⑵ 對現有換熱器進行改型，調整換熱器的結構，延長設備使用壽命，降低換熱器維修和更換費用。天辰化工有限公司的氯乙烯車間使用的換熱器主要以列管式換熱器為主，換熱器列管外壁經常因出現大量淤泥、氧化鐵和鈣類水垢而降低換熱效率。天辰化工根據聚氯乙烯的理化性質，通過技術考察，在不改變換熱器的材質，不增加換熱器成本的前提下對原有換熱器的進出口進行了調整，并對換熱器內部的折流板進行了重新設計。經過改造的換熱器壽命延長了1倍以上，12臺換熱設備每年可以節約維修費用12萬元[5]。

⑶ 異型管管翅式換熱器可以強化換熱效果。傳統換熱器的換熱管是表面光滑的圓形，存在流體阻力大，壓降大的缺點。通過改變換熱管的形狀，將換熱管換成異形翅片管，更改翅片管間距，可以明顯增加換熱器的效率，減少能耗。北京大學的徐榮吉等對橢圓形管、扁平管和“大—小”排布的異型管管翅式換熱器性能進行了研究，得出翅片間距較大的異型管管翅式換熱器能耗和阻力最小，綜合性能最佳[6]。

2.3 大型儲罐技術

在化工生產中，為了儲存化工原料、中間產物和生產成品，設置了大量的儲存設備，而這些儲存設備一般都是在有壓力的狀態下工作的?！豆潭ㄊ綁毫θ萜靼踩夹g監察規程》根據壓力的大小將化工容器分為低壓、中壓、高壓和超高壓四種。儲罐的結構形式有臥式和立式兩種，儲罐的筒身有圓筒形，方形和球形三種。其中，圓筒形儲罐因為制造方便，承壓效果較好作為中型儲罐被廣泛使用，而球形儲罐雖然制造困難，但承壓效果最好，主要應用于大型儲罐。經過耗材和力學性能的計算和分析，在承壓相同的情況下，儲罐容積越大，鋼材耗用量越低。大型儲罐制造的經濟性一直以來都是化工人關注的課題之一，大型化、節能化、智能化已經成為化工儲罐未來的發展方向。

⑴ 材料是制約儲罐大型化發展的主要因素之一。儲罐隨容積的增加對材料的強度和剛度的要求逐漸提高。目前，我國用于化工儲罐的主要鋼材是16MnR，但其強度較低，例如，在制造5萬立方米浮頂罐時，壁厚可達34毫米，給大型儲罐的制造帶來了較大的困難。由武漢鋼鐵設計院、北京燕山石化公司、合肥通用機械廠、中國石化北京設計院組成攻關小組，對07MnCrMoVR鋼進行研究開發，并用于北京燕山石化公司三臺10萬立方米浮頂儲罐[7]。

⑵ 腐蝕破壞已經成為儲存設備失效的主要原因。據統計，我國每年因腐蝕造成的經濟損失可達2000萬美元以上，同時造成多起人員傷亡事故。加強儲罐防護技術的研究，提高防腐技術，對在用儲罐剩余壽命進行預測，將成為化工儲存設備使用的發展方向。目前的防腐措施主要有涂層和陰極保護，設備安裝和養護階段，尤其是大型儲罐的細小零件處，防腐工作必須做好。江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院的宋高峰使用Gumbel極值分布法和有限折線，較為可靠地預測了服役儲罐的剩余壽命[8]。

2.4 反應釜技術

反應設備在化工生產過程中發揮著重要的作用，常見的反應設備有釜式、塔式、管式、固定床反應器等。釜式反應器是一種典型的反應設備，根據操作方式可以分為連續攪拌反應釜、半間歇釜式反應器和間歇釜式反應器，能實現均相反應和多相反應。相對于其他反應設備，反應釜結構簡單、方便制造、操作靈活，適合于多種小批量生產。間歇式反應釜批量加料，適用于多品種、小批量，反應時間較長的產品生產，但產品質量不穩定。半間歇釜式反應器常因物料積累過多且反應放熱過快，容易引發熱失控風險，造成化工安全事故。連續式反應釜產品質量穩定，易于操作控制，但是易出現返混現象。反應釜屬于復雜的非線性化學反應器，壓力、溫度、濃度等參數的精確控制直接影響生產效率和產品質量。根據動力學、相平衡和物料平衡原理，建立機理模型，對工藝參數進行模擬和現場監測，可以明顯提高產品質量的穩定性和能源的利用率。江南大學的陳珺對連續攪拌反應釜系統 (CSTR) 的滑控制問題進行了研究。在之前學者的研究成果上，對線性滑模面進行了改造，保證了系統的控制精度，也避免了系統出現抖振現象[9]。青島理工大學的于波等提出了CSTR的具有輸入輸出約束的模糊自適應命令濾波控制，借助命令濾波技術簡化控制器的結構，利用Barrier Lyapunov函數和輸入飽和函數對系統的輸入、輸出進行約束，得到了結構簡單、控制精度高的控制器[10]。

3.結語

化工設備的誕生和應用，極大地解放了人類勞動力，提高了生產自動化水平，改善了人類生活現狀。雙碳目標下，強化化工設備性能，不斷開發新型復合材料，能夠為目標的結構優化、提高化工設備的生產效率和自動化水平、延長設備的使用壽命、穩定產品的質量、提高能源的利用率提供保障。我國的化工行業還處在發展階段，需要廣大科技工作者共同努力來提高化工設備的發展與應用水平，助力雙碳目標的順利實現。