基于雙碳目標的焦化化產回收全流程模擬與分析

曾維鵬，王晴東，王光華，李文兵，王國成，張 彤，蔡文軒

（武漢科技大學，湖北 武漢 430081）

為應對全球氣候變化，中國提出二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，2060年前實現碳中和的雙碳目標[1]。據統計，我國鋼鐵生產每年排放CO2超過19.6 億t，鋼鐵行業是國內除了能源行業之外，碳排放量最大的工業行業，其碳排放量占全國總量的15%，焦化行業和鋼鐵行業聯系密切，因此焦化行業的碳達峰、碳中和任務緊迫、挑戰嚴峻[2-3]。

國家工信部數據顯示，2021年中國焦炭產量為46400 萬t，其中鋼鐵聯合焦化企業焦炭產量為11000 萬t，獨立焦化企業焦炭產量35400 萬t[3]。根據焦化企業的二氧化碳排放系數可以估算出2021年中國焦化行業CO2排放量約為18334 萬t[4-5]。相比于其他領域（如生活、交通、農業等）的碳減排，焦化行業碳減排的潛力很大，但需要新的技術體系支持。

焦化行業碳減排可以從三方面入手：提高煉焦過程產品產率、降低焦化過程能耗、降低化產回收（煤氣凈化）過程能耗。目前配煤-搗固煉焦技術已經較為成熟，煉焦過程產率和能耗的提升空間有限，而主流的化產回收工藝流程長、工段多，未形成能量流網絡及過程余能的循環高效利用，可優化空間巨大[6]。

傳統凈化流程為：初冷- 鼓風- 預冷- 脫硫- 預熱- 硫銨- 終冷- 苯回收，煤氣溫度變化頻繁且無序，工藝流程冗長，浪費了大量的能源介質，排放大量CO2。針對現有化產回收流程存在的溫度分布不合理、重復加熱、重復冷卻的不足，王光華等[7]提出改進的煤氣負壓能量流凈化流程：初冷- 苯回收- 脫硫- 鼓風-硫銨，該流程有效地降低了化產回收過程的能耗和碳排放。

本文以傳統焦化化產回收流程和能量流焦化化產回收流程為基礎，給出現場工藝參數限定條件，運用Aspen Plus 模擬軟件模擬全工藝流程，通過軟件模擬獲取計算參數，計算出流程的能量利用率及對應的二氧化碳排放量，所得結果可為企業焦化工序的節能減排提供理論支撐，為綠色化、生態化、低碳化、智能化焦化流程的構建提供了可行性。

1 參數與方法

1.1 傳統工藝模擬

根據物性方法的不同，將傳統焦化化產回收流程分為3 個模塊：（a）煉焦-熄焦-初冷- 電捕- 鼓風、（b）蒸氨- 脫硫- 硫銨、（c）終冷- 洗苯- 脫苯，流程模擬示意圖如圖1 所示。圖1 中（a）模塊的原料及產物主要是煤、焦炭、煤氣等混合物，采用PR-BM 的物性方法；（b）模塊的原料及產物主要為復雜的電解質溶液，采用ELECNRTL 的物性方法；（c）模塊的原料及產物主要是苯、洗油等有機溶液，采用Wlison 物性方法[8-9]。

圖1 傳統焦化化產回收流程模擬示意圖

利用工業數據對相關的模型參數進行了進一步的校正，建立了某300 萬t/a 焦化廠的全流程模型。對傳統焦化化產回收流程分析，該過程中的焦爐煙氣余熱未進行回收。選取工業和文獻中的關鍵參數與模擬結果進行對比，結果如表1 所示。由表1 可知，工業數據和模擬結果相對誤差在3%以內，數據吻合良好。

表1 流程關鍵參數對比

1.2 能量流工藝模擬

能量流焦化化產回收流程模擬示意圖如圖2 所示，對比傳統流程，其在以下方面作出了優化：（1）取消了預冷、預熱、終冷等煤氣重復加熱冷卻環節，流程較短，煤氣的溫度變化曲線較為合理[10]。（2）由于鼓風安排在較后的工段，因此采用了負壓蒸氨、負壓脫硫、負壓苯回收等節能降耗工藝。負壓蒸餾具有相對揮發度高、分離效果好、分離能耗低的優點[11]。（3）將煉焦工段焦爐煙氣納入公用工程，煉焦后排出的煙氣溫度在260 ℃～280 ℃，蒸氨工段中的塔底回流再沸器的熱量由煙氣余熱提供，不再需要從塔底加入低壓蒸汽，可節省大量低壓蒸汽。（4）負壓情況下，脫苯塔塔頂苯蒸汽溫度較低，在與富油換熱后，粗苯無需再用循環水換熱，節約循環水和換熱器投入。

圖2 能量流焦化化產回收流程模擬示意圖

1.3 能量計算方法

能量效率定義為最終產出的產品能量與全部輸入能量之比，所有的輸入能量包括物料和公用工程的能量[12]。計算系統輸入、輸出能量時，可以借助Aspen Plus 的物性工具，在stream result 中添加物性參數Mass heat capacity mixture，直接獲取各種物質在系統所處的環境中的熱容以及焓值。熱平衡以0 ℃為基準，以此計算系統輸入和輸出的能量[13]。由于環境溫度與熱平衡溫度相差不大，并且輸入系統和輸出系統的物流主要是液體和固體，可知環境溫度下的該部分物流的比熱容變化不大，可采用平均比熱容計算熱量[8]。根據公式(1)可以計算進出系統的能量。式中：H0為基準狀態時物質的焓值，kJ/kg；H 為系統中物質的焓值，kJ/kg；Cp為物質的比熱容，kJ/（kg·K）；T 為系統溫度，K。

而對于有相變的物質，例如低壓蒸汽和過熱蒸汽，可以通過查詢蒸汽表來計算進出系統的熱量，對于輸入系統中的公用工程的電能，通過查閱文獻估算[14]。

1.4 用計算方法

根據熱力學第二定律，高品位能總是能夠自發地轉變為低品位能，而低品位能卻不能自發地轉變為高品位能，能質的降低意味著的減少[15]。

創建一個以Heater 模塊為基礎的流程，將物流的初始溫度、壓力設置為環境溫度和環境壓力，將物流的種類和流量輸入，把進出系統物流的溫度和壓力參數輸入到Heater 中，運行查看結果，該模擬工具可以表現出流股相比于基準環境下的溫度、壓力可以利用的能量。通過公式可以算出進出系統物流相比于基準環境下的物理。

1.5 碳排放計算方法

CO2排放核算的主要方法有碳平衡法、排放系數法和實測法，實測法目前未在焦化企業碳排放量化中使用，故本文采用碳平衡法和排放系數法[17]核算。焦化化產回收流程的CO2排放量（ECO2）包括直接CO2排放量（ECO2,direct）、間接CO2排放量（ECO2,indirect）和碳抵扣量（ECO2,offset）3 部分[18]，具體見公式（4）。

依據IPCC 的碳平衡法，提出焦化廠直接碳排放量的計算公式見式（5），即CO2所含碳元素為輸入焦化過程的碳元素與未以CO2形式排放到大氣的碳元素的差值。間接CO2排放是指焦化過程所使用、但CO2排放發生在煤氣生產外的排放量，源自因動力消耗公用工程引起的CO2排放[19]。碳抵扣是指紅焦顯熱以蒸汽的形式回收而抵扣的CO2量。焦爐煤氣用于發電和外送煉焦外使用而排放的CO2不計入煉焦生產CO2排放內[20]。間接CO2排放和抵扣量的計算見公式（6）。

式中：ECO2為焦化化產回收流程的CO2排放量，kg；mcc為焦化廠生產焦炭所消耗的洗精煤量，kg；ma為添加劑a 的用量，kg；mBFG為煉焦爐中消耗的高爐氣體量，kg；mCP為焦化廠焦炭產量，kg；mCOG為煉焦爐中產生的焦爐氣體量，kg；mCOB為焦爐副產物b 的產量，主要是煤焦油和粗苯，kg；Cx為投入或產出物質x 的碳含量，kg/kg，這里主要是洗精煤、添加劑、高爐煤氣、焦炭、焦爐氣體、副產品。P 為消耗或者回收的公用工程的量，t 或MJ；EFCO2為CO2排放系數，kg/t 或kg/MJ。其中主要工質的CO2排放系數見表2。

表2 主要工質的CO2 排放系數

在計算CO2直接排放量的過程中，可以借助Aspen Plus 的物性工具，在stream result 中添加物性參數Mass flow of carbon atom，直接獲取結果物流中的碳原子質量。

2 工藝能耗分析

2.1 傳統工藝能量分析

將焦化- 化產回收流程作為一個穩態系統確立邊界[2]，對進入和流出該系統的物質能量進行分析，物質的狀態以進出系統邊界時的狀態為準，輸入的能量有：洗精煤、焦爐煤氣、高爐煤氣、空氣、堿液、硫酸、補充洗油、低壓蒸汽、循環冷卻水、低溫冷卻水、除氧水、電力。輸出的能量有：焦炭、焦油、粗苯、硫酸銨、硫磺、過熱蒸汽（用于發電）[8]、焦爐煤氣。計算整個系統的能量效率時，僅考慮循環水和低溫水的升溫過程，僅將其當作輸入系統的能量。傳統焦化化產回收工藝能量分析見表3，表3 中煤、焦炭、煤氣、焦油、苯族烴的輸入輸出能量均以低位發熱量計算[8]。

表3 傳統焦化化產回收工藝能量分析

由表3 可以看出，傳統焦化化產回收工藝中，除去煤、煤氣等能源原料，在能量輸入方面，循環冷卻水和低溫冷卻水的能量占比較大，因此傳統工藝有很大的節能空間。而化產回收過程中煤氣換熱頻繁，升溫降溫環節多，是公用工程冷卻水耗費較多的主要原因。

2.2 能量流工藝能量分析

在工藝流程的煤、高爐煤氣、壓縮空氣等原料消耗良好和焦炭、焦油、粗苯等產品輸出量近似的情況下，對能量流工藝的能量進行分析，結果見表4。能量流焦化化產回收工藝在冷卻水和蒸汽上的消耗相對減少，可提升工藝過程的能量利用率。

2.3 傳統工藝和能量流工藝能耗對比

對比表3、表4 可以看出，在系統輸入輸出物流相差不大的情況下，焦化化產能量流工藝所消耗的公用工程更少，循環冷卻水消耗減少11.55%，低溫冷卻水消耗減少9.35%，低壓蒸汽消耗減少56.12%，相應的鍋爐供熱消耗的煤氣和制冷站消耗的煤氣也可以減少，在苯回收工段的管式爐煤氣可以節省12.97%。這是由于能量流工藝中大部分工段（蒸氨、脫硫、苯回收）均處于負壓環境下，分離效果較正壓環境下會更好、公用工程耗費更低。且由于調整了各工段順序，使得能量流工藝相較傳統工藝而言，減去了兩個冷卻和一個加熱過程，節約了流程中的加熱介質和冷卻介質。

表4 能量流工藝的能量分析

根據進出系統的能量可以計算出整個傳統焦化化產回收系統的能量效率為88.42%，能量流焦化化產回收系統的能量效率為89.83%，能量效率得到提高。

表5 兩種工藝系統的計算

表5 兩種工藝系統的計算

物流輸入傳物4712387.264682238.81洗精煤壓縮空氣高爐煤氣焦爐煤氣堿液硫酸補充洗油低壓蒸汽循環冷卻水低溫冷卻水除氧水公用工程電能輸出用焦炭焦油粗苯硫酸銨0020521.37401.220.03011.130.031257.771565.78813.901772.1911986.314137541.676437.36290565.89206976.0010.5023378.592292.786854.734137541.676437.36290569.89179413.2810.5024787.123536.113007.81000020521.37401.220.03011.800.05551.901384.87737.841772.1911557.8000004105323.934110192.97過熱蒸汽（發電）硫磺煤氣循環冷卻水低溫冷卻水16237.9630.210.804.2237200.422.030.154922.17305.272853883.33181756.3662054.601203.780.002527.96945194.642853883.33183639.5859959.781279.740.002503.26950820.740016237.9630.530.784.4937200.422.020.154353.45276.7400效率/%87.1287.78

根據工廠公用工程費用[21]，按煤氣價格1 元/m3，洗油價格2.5 元/kg、蒸汽價格150 元/t、循環水價格0.4 元/t、低溫水價格1.2 元/t、電價格0.6 元/（kW·h）估算，300 萬t/a 焦化廠采用能量流工藝比傳統工藝在上述能源投入方面每年可節省4316 萬元。

3 碳排放分析

兩種工藝流程的CO2排放對比結果見表6。

表6 兩種工藝流程的CO2 排放對比kg/h

鋼鐵聯合焦化企業CO2排放系數為0.73 t/t～0.90 t/t 焦炭，獨立焦化企業CO2排放系數為0.13 t/t～0.28 t/t[4]。本案例中焦化廠為鋼鐵聯合焦化廠，計算出傳統工藝流程的CO2排放系數為0.7879 t/t，能量流工藝排放系數為0.7539 t/t，在理論范圍內，故該計算模型可較好地預測焦化廠的碳排放。

由表6 可知，能量流化產回收工藝對比傳統化產回收工藝在碳減排的作用，主要體現在公用工程的用量節約，也就是CO2間接排放的減少。根據表6 計算出的CO2排放量，可以計算出傳統焦化化產回收流程和能量流流程的碳排放量，得出碳排放的情況。經過能量流優化后，每年可減少碳排放101868.29 t，根據全國碳市場交易系統首日碳配額開盤價48 元/t計算，300 萬t/a 焦化企業在碳排放方面可以提高489 萬元/a 的經濟效益。

2021年我國全年焦炭產量為46400 萬t，焦化行業排放CO2約18334 萬t。假設全國焦化企業都進行能量流焦化化產工藝的優化，每年焦化行業可以減少CO2排放約1600 萬t，可以降低整個焦化行業碳排放8.60%，對我國的雙碳目標的實現有著積極的促進意義。

4 結論

4.1 利用Aspen Plus 對傳統焦化化產回收工藝和能量流焦化化產回收工藝進行模擬，模擬結果顯示，能量流工藝相比于傳統工藝，循環冷卻水消耗減少11.55%，低溫冷卻水消耗減少9.35%，低壓蒸汽消耗減少56.12%，在苯回收工段的管式爐煤氣可以節省12.97%。

4.3 計算出300 萬t/a 焦化廠采用傳統工藝流程的CO2排放系數為0.7879 t/t，能量流工藝排放系數為0.7539 t/t，在鋼鐵聯合焦化企業碳排放的理論范圍之內，故該模型可以很好地預測焦化廠的碳排放；能量流焦化化產回收工藝相對于傳統工藝每年可以減少CO2排放101868.29 t，相應可提高企業經濟效益489 萬元。能量流焦化化產工藝的優化，對我國雙碳目標的實現有著積極的促進意義。