煤化工企業(yè)儲運系統(tǒng)低碳化改造與管理探索

宋磊剛

(國能榆林化工有限公司，陜西省榆林市，719302)

當前，綠色低碳發(fā)展已成為煤化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的共識，各企業(yè)都在積極主動尋求和采用新型有效的節(jié)能減排技術(shù)[1]，并通過科學管理實現(xiàn)低碳化運行。本文在堅持安全環(huán)保和低碳排放協(xié)同治理原則下，通過結(jié)合儲運系統(tǒng)碳排放特點和生產(chǎn)實際，依托廠內(nèi)有利條件，制定并實施了系列低碳化措施、運行管理方案，提出了切實可行的合理化建議。

1 企業(yè)概況

國能榆林化工有限公司(以下簡稱“榆林化工”)成立于2012年3月，目前建設(shè)投入生產(chǎn)的項目包括甲醇下游加工項目、循環(huán)經(jīng)濟煤炭綜合利用項目一階段工程建設(shè)以及乙二醇項目。

甲醇下游加工項目于2012年6月正式開工建設(shè)，2015年12月25日投料試車一次成功。主要生產(chǎn)裝置包括：60萬t/a甲醇制烯烴裝置、60萬t/a烯烴分離裝置、30萬t/a低密度聚乙烯裝置、30萬t/a聚丙烯裝置、35 000 Nm3/h高純氮氣空分裝置、動力裝置、公用工程及配套輔助設(shè)施。

循環(huán)經(jīng)濟煤炭綜合利用項目包括：186萬t/a煤制甲醇聯(lián)產(chǎn)40萬t/a合成氣制乙二醇工程、5萬t/a聚乙醇酸示范項目，于2017年6月開工建設(shè)。186萬t/a煤制甲醇項目采用目前成熟可靠的煤氣化制甲醇技術(shù)路線，以煤炭為原料，通過煤氣化、CO變換、低溫甲醇洗、硫磺回收、甲醇合成工藝過程，年產(chǎn)180萬t甲醇及副產(chǎn)2.3萬t硫磺，甲醇全部作為甲醇下游加工項目的原料使用，主要生產(chǎn)裝置包括空分裝置、氣化變換裝置、酸脫甲醇裝置及配套的公用工程，于2020年12月28日建成投產(chǎn)。40萬t/a合成氣制乙二醇項目于2021年11月21日建成投產(chǎn)。5萬t/a聚乙醇酸示范項目計劃于2022年建成投產(chǎn)。

榆林化工儲運系統(tǒng)包括罐區(qū)單元、酸堿站單元、汽車裝卸單元、火炬單元及全廠外管網(wǎng)單元等，其中罐區(qū)單元和汽車裝卸單元是產(chǎn)生廢氣的主要環(huán)節(jié)，揮發(fā)性有機物(VOCs)排放點多量大；火炬單元長明燈點火和全年燃燒會消耗大量天然氣或燃料氣，并且會直接排放CO2。

2 儲運系統(tǒng)簡介

2.1 罐區(qū)單元

罐區(qū)單元由中間罐區(qū)和乙二醇產(chǎn)品罐區(qū)組成。中間罐區(qū)包括甲醇罐區(qū)和烯烴罐區(qū)兩部分，主要負責甲醇、乙烯、丙烯、丙烷、C4、煤基混合戊烯、液氨、廢甲醇水、污油、溶劑油、丙醛等物料的安全儲存及輸轉(zhuǎn)工作。乙二醇產(chǎn)品罐區(qū)主要負責聚酯級乙二醇、輕質(zhì)多元醇、無水乙醇、碳酸二甲酯、混合醇、重質(zhì)多元醇、污甲醇等物料的安全儲存及輸送工作。甲醇罐區(qū)和乙二醇罐區(qū)儲罐為常壓儲罐，屬于VOCs重要排放區(qū)。

2.2 汽車裝卸單元

汽車裝卸設(shè)施將汽車槽車的外購原料經(jīng)卸車泵、壓縮機增壓或中壓氮氣壓送至全廠罐區(qū)儲存；各裝置生產(chǎn)出的產(chǎn)品及副產(chǎn)品通過裝車泵輸送到汽車裝卸設(shè)施，經(jīng)由鶴管裝車至汽車槽車外運出廠。

2.3 火炬單元

火炬系統(tǒng)是企業(yè)重要的安全與環(huán)保設(shè)施，主要負責處理全廠裝置正常排放和事故狀態(tài)下大量排放的可燃性氣體。

3 儲運系統(tǒng)低碳化運行與管理

3.1 罐區(qū)單元

甲醇罐區(qū)主要接收儲存和外送企業(yè)自產(chǎn)MTO級甲醇，屬于中間罐區(qū)，設(shè)有4×30 000 m3浮筒式內(nèi)浮頂儲罐，采用囊式+舌形高效密封。原設(shè)計滿足《石油化學工業(yè)污染物排放標準》(GB 31571-2015)中“5.2 kPa≤儲存真實蒸氣壓<27.6 kPa，設(shè)計容積≥150 m3的揮發(fā)性有機液體儲罐，以及27.6 kPa≤儲存真實蒸氣壓<76.6 kPa，設(shè)計容積≥75 m3的揮發(fā)性有機液體儲罐應(yīng)符合下列規(guī)定之一：采用內(nèi)浮頂罐，內(nèi)浮頂罐的浮盤與罐壁之間應(yīng)采用液體鑲嵌式、機械式鞋形、雙封式等高效密封方式”的總體要求。在實際生產(chǎn)運行過程中，由于密封老化、囊式密封破損進液失效等原因，4臺甲醇儲罐連通總管的甲醇氣全年排放濃度在10%～12%(體積)之間，雖然在2020年前將4臺儲罐密封全部變更為鞋形密封，但甲醇氣全年濃度仍然在2.0%～4.5%之間，排至大氣的甲醇氣量較大并且存在安全環(huán)保隱患。考慮到防火間距不足、檢維修窗口期短、重大危險源施工作業(yè)安全風險和固廢較難處理等影響因素，榆林化工根據(jù)生產(chǎn)實際和醇類介質(zhì)物理特性，選取了適合處理、有回收價值且VOCs排放濃度較高的機械冷凝+水洗工藝治理方案，新建1套1 300 m3/h油氣處理設(shè)施，并對儲罐現(xiàn)有氮封設(shè)施、罐頂油氣收集系統(tǒng)進行改造，保證了本質(zhì)安全和達標排放。為削減在VOCs治理過程中的碳排放量，在設(shè)計上制定了合理控制儲罐氮封閥開關(guān)壓力、選用密封效果嚴密的呼吸閥、科學設(shè)置呼吸與補氮壓力梯度等措施，以降低氮氣損耗。在設(shè)備選型上通過選用功耗較低的回收機組，設(shè)置變頻通風機和節(jié)能停機程序等措施，降低機組運行電耗，并對制冷及油氣系統(tǒng)設(shè)置多個回熱交換器，實現(xiàn)冷量的回收利用。依托企業(yè)污水處理工藝特點及生產(chǎn)需要，將水洗塔內(nèi)的含醇溶液送至污水處理裝置，為活性污泥提供良好的營養(yǎng)源,實現(xiàn)醇類物料的近零排放。

乙二醇罐區(qū)主要負責接收和外銷乙二醇裝置生產(chǎn)的乙二醇主副產(chǎn)品，屬于產(chǎn)品罐區(qū)。罐區(qū)共設(shè)有4×5 000 m3聚酯級乙二醇儲罐、2×500 m3碳酸二甲酯儲罐、3×500 m3輕質(zhì)多元醇、2×500 m3無水乙醇儲罐、2×400 m3混合醇儲罐、2×200 m3重質(zhì)多元醇、1×3 000 m3污甲醇儲罐。其中污甲醇罐、碳酸二甲酯罐、混合醇及無水乙醇罐儲存甲B類液體，選用內(nèi)浮頂儲罐+氮封。其余儲罐儲存丙A類液體，選用固定頂罐+氮封。乙二醇罐區(qū)在設(shè)計時本著對環(huán)境保護的原則，設(shè)置1套1 200 m3/h 油氣處理設(shè)施將所有儲罐尾氣全部進行回收治理，方案設(shè)計和設(shè)備選型方面與甲醇罐區(qū)VOCs治理相接近，在保證運行安全前提下要求高收低付操作。

3.2 汽車裝卸單元

汽車裝卸單元內(nèi)甲醇裝卸車和乙二醇副產(chǎn)品(無水乙醇、混合醇、碳酸二甲酯)裝車過程是產(chǎn)生碳排放的主要環(huán)節(jié)，產(chǎn)生量較大，為保證裝卸車尾氣達標排放，回收主副產(chǎn)品，單元內(nèi)增置1套620 m3/h油氣處理設(shè)施，方案設(shè)計和設(shè)備選型方面與甲醇罐區(qū)VOCs治理相接近。為進一步降低機組電耗和水耗，根據(jù)單元內(nèi)裝卸量、裝卸時間及裝卸物料性質(zhì)等情況，企業(yè)自建大型停車場，制定了定時開關(guān)回收機組、吸收塔自循環(huán)、丙A類物料集中裝車、甲B類物料集中裝卸車等精細化運行管理措施，達到降低碳排放的目的。

3.3 火炬單元

火炬單元內(nèi)點火器和長明燈是消耗天然氣或燃料氣的主要設(shè)備，目前國內(nèi)大部分石油化工和煤化工企業(yè)仍使用傳統(tǒng)的分體式長明燈。在實際生產(chǎn)運行過程中發(fā)現(xiàn)，分體式長明燈存在抗風雨點火性較差和穩(wěn)定性級別較低以及點火裝置抗高溫等惡劣環(huán)境能力較低和耗燃料氣量較大等問題，存在一定的安全隱患，如果長明燈熄滅后需要進行頻繁點火，進一步增加了燃料氣消耗量[2]。為保證全廠安全，降低燃料氣燃燒產(chǎn)生的碳排放量，榆林化工在2020年火炬擴建期間將7支分體式長明燈升級改造為一體式長明燈(SP-Pilot-3型)，升級改造后的長明燈采用節(jié)能小孔噴射和自引射式預(yù)混燃燒技術(shù)，具有良好的燃料氣成分變化適應(yīng)性(C1～C4)，特別是可適應(yīng)富含氮氣(低于40%)、氫氣(低于30%)等特殊燃料氣工況，并具備可抵抗單風45 m/s，風+雨45 m/s+300 mm/h。

火炬長明燈升級改造示意如圖1所示?；鹁骈L明燈升級改造前單支耗燃料氣量約5 Nm3/h，且需要高空點火器頻繁點火，改造后單支耗燃料氣量約2 Nm3/h，能夠在400 ℃以上持續(xù)穩(wěn)定燃燒，升級改造后7支長明燈每年可減少168 000 Nm3燃料氣消耗，低碳化效果顯著提升。

4 儲運系統(tǒng)減污降碳綜合經(jīng)濟核算

為保證煤化工產(chǎn)業(yè)的綠色發(fā)展，各企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)特性合理選擇冷凝、吸收、吸附、催化燃燒等技術(shù)減少了油氣排放，滿足了環(huán)保指標，但是因質(zhì)量守恒定律，在整個VOCs治理過程中，伴隨電耗、燃氣消耗的增加，碳排放基本是個增量過程。采用催化燃燒技術(shù)還會產(chǎn)生二氧化硫、氮氧化物等大氣污染物[3]。以甲醇罐區(qū)和乙二醇罐區(qū)2套油氣回收處理設(shè)施為例，通過實際運行數(shù)據(jù)收集得出，甲醇罐區(qū)1 300 m3/h油氣回收處理設(shè)施甲醇儲罐因采用高效密封，機組平均回收甲醇為10 t/月，按照甲醇2 000元/t計算，可產(chǎn)生2萬元/月回收效益?；厥仗幚碓O(shè)施耗電91 000 kW·h/月，水耗1 500 t/月，按照企業(yè)用電0.6元/(kW·h)，生產(chǎn)水8元/t計算，運行成本約為6.66萬元/月。按照《綜合能耗計算通則》(GB/T2589-2020)相關(guān)內(nèi)容和附錄，生產(chǎn)1 kW·h電消耗約300 g標準煤，產(chǎn)生的二氧化碳約為770 g，二氧化碳排放量約為70 t/月。由于乙二醇罐區(qū)罐容較大，儲罐均儲存丙A類物料，乙二醇罐區(qū)VOCs回收處理設(shè)施自2021年運行至今，未直接回收物料，沒有產(chǎn)生回收經(jīng)濟效益?；厥仗幚碓O(shè)施耗電71 000 kW·h/月，運行成本約為5.63萬元/月，二氧化碳排放量約為59 t/月。這些數(shù)據(jù)表明末端治理改造削減VOCs的費用會持續(xù)產(chǎn)生，碳排放也會持續(xù)發(fā)生。

圖1 火炬長明燈升級改造示意

汽車裝卸單元油氣回收設(shè)施耗電5 000 kW·h/月，耗水300 t/月，考慮到單元的工藝特殊性和環(huán)保要求，且甲B類物料未大量裝卸車，暫不做經(jīng)濟核算?；鹁鎲卧L明燈經(jīng)過升級改造后每年可減少168 000 Nm3燃料氣消耗，按燃料氣0.7元/Nm3價格計算，可節(jié)約生產(chǎn)成本11.7萬元/a。

5 儲運系統(tǒng)低碳化思考與建議

5.1 科學選擇儲罐VOCs先進治理方案

煤化工企業(yè)儲運系統(tǒng)中儲罐大小呼吸產(chǎn)生的廢氣是減污降碳協(xié)同治理的主要目標。國家標準《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準》(9GB 50160-2008 (2018年版))規(guī)定：儲存甲B、乙A類液體應(yīng)選用金屬浮艙式的浮頂或內(nèi)浮頂罐。石化行業(yè)標準《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》(SH 3007-2014)規(guī)定：儲存沸點大于或等于45 ℃或在37.8 ℃時飽和蒸氣壓不大于88 kPa的甲B、乙A類液體，應(yīng)選用浮頂儲罐或內(nèi)浮頂儲罐。國家和行業(yè)標準并未明確要求將儲罐無組織排放改為有組織排放(有毒介質(zhì)儲罐除外)?，F(xiàn)行國標對無組織排放沒有具體要求，北京地方標準《煉油與石油化學工業(yè)大氣污染物排放標準》(DB 11-447-2015)對無組織排放及浮頂罐的要求是：內(nèi)浮頂罐應(yīng)安裝液體鑲嵌式密封、機械式鞋形密封、雙封式密封或其他等效密封其中一種高效密封方式，罐頂上方揮發(fā)性有機物檢測濃度不應(yīng)超過4 000 μmol/mol。國內(nèi)最嚴苛的排放標準是《天津市工業(yè)企業(yè)揮發(fā)性有機物排放控制標準》(DB12/524-2014)。因此建議新建煤化工企業(yè)在選擇儲罐廢氣治理方案時應(yīng)注重源頭削減控制，在物料性質(zhì)和工藝條件允許下，可通過選取可靠的全接液式浮盤和高級密封系統(tǒng)[4-5]，以達到環(huán)保要求指標，進一步節(jié)約末端治理運行成本和減少人力投入。如果企業(yè)所在區(qū)域?qū)o組織排放有明確要求，企業(yè)應(yīng)根據(jù)要求限制科學開展廢氣治理項目層面的經(jīng)濟核算和碳排放核算，綜合計算項目的投入與產(chǎn)出，選擇低碳處理技術(shù)，對罐區(qū)內(nèi)不同性質(zhì)儲罐實行“一類一治”精細化管理，保證資源利用效率最大化。

5.2 加強儲罐隔熱管理

在實際生產(chǎn)運行中，部分企業(yè)因?qū)藿^熱層或隔熱油漆缺少重視和維護保養(yǎng)，日曬、環(huán)境溫度變化引起儲罐呼吸量增大，因此選用高效隔熱技術(shù)[6]和加強檢查維護保養(yǎng)管理對助力碳減排也能夠起到積極作用。

5.3 削減儲罐內(nèi)浮盤及附件泄漏源

目前國內(nèi)使用比較廣泛的內(nèi)浮頂結(jié)構(gòu)有裝配式浮筒式內(nèi)浮頂(鋁制內(nèi)浮頂、不銹鋼內(nèi)浮頂)。傳統(tǒng)浮筒式內(nèi)浮盤泄漏點較多，浮盤周邊密封泄漏量尤為突出，如囊式密封，達不到長周期免維護使用目標，個別囊式密封在儲罐投用前的水壓試驗時就已經(jīng)進水失效，在浮筒浮盤貫穿內(nèi)浮頂?shù)母郊伴_口也存在密封不嚴現(xiàn)象。企業(yè)可通過制定高效內(nèi)浮頂密封技術(shù)優(yōu)化措施削減直至消除儲罐內(nèi)部泄漏源，以達到源頭治理的目的。

5.4 選用低泄漏呼吸閥、泄壓人孔

企業(yè)應(yīng)對儲罐在役呼吸閥、泄壓人孔的泄漏量和安全性進行科學評估，及時更換或淘汰落后附件。國內(nèi)外在呼吸閥、泄壓人孔泄漏量方面有規(guī)范要求，不同規(guī)范數(shù)值略有差異，目前優(yōu)質(zhì)低泄漏產(chǎn)品的泄漏量能控制在更低的數(shù)值[7-8]。以1臺DN 250呼吸閥為例，SY/T 0511.1標準呼吸閥泄漏量為0.400 0 m3/h，API 2000標準呼吸閥泄漏量為0.142 0 m3/h，低泄漏量呼吸閥為0.004 5 m3/h。低泄漏量呼吸閥年泄漏量比SY/T 0511.1標準呼吸閥泄漏量少約1 100 m3。

5.5 合理選擇儲罐型式

由于生產(chǎn)裝置工藝路線發(fā)生變化或者進行了技術(shù)改造，個別企業(yè)存在固定頂儲罐儲存甲B或乙A類物料現(xiàn)象，導致大量油氣揮發(fā)至大氣中。企業(yè)應(yīng)全面排查分析所有固定頂儲罐組分，對不符合要求的儲罐應(yīng)按照國家標準和行業(yè)規(guī)范進行適應(yīng)性改造。按國內(nèi)外實際經(jīng)驗，輕質(zhì)油罐由拱頂罐改為內(nèi)浮頂儲罐之后可使油品蒸發(fā)損耗降低90%以上。

5.6 增設(shè)烴類物料回收設(shè)施

煤化工企業(yè)火炬基本沒有連續(xù)排放的可燃氣體，異常工況下排放火炬氣具有排放量大、溫度高、壓力高等特點，開停車頻次較高的氣化裝置排放的火炬氣熱值較低，溫度較高，無法回收。但在部分企業(yè)儲運系統(tǒng)下游裝置工藝特性決定其無法長周期運行，導致乙烯球罐超壓放火炬，特別是在全廠檢修期間，乙烯球罐無法做到全部回煉倒空，受環(huán)境溫度影響需持續(xù)放火炬維持罐內(nèi)安全壓力，造成一定的經(jīng)濟損失，同時也增加了碳排放負荷。各企業(yè)可根據(jù)實際情況進行經(jīng)濟性和碳排放核算，合理設(shè)置制冷冰機或烴類物料回收設(shè)施。

5.7 選用節(jié)能機泵

儲運系統(tǒng)電耗占比最大的就是承擔輸轉(zhuǎn)、裝車任務(wù)的各類機泵。煤化工企業(yè)新建項目應(yīng)按照低碳化發(fā)展理念選用高效、節(jié)能型泵及電動機。在役企業(yè)可根據(jù)生產(chǎn)運行情況對現(xiàn)有高能耗機泵進行節(jié)能技術(shù)改造，根據(jù)離心泵實際運行工況更換與之相匹配的高效率葉輪、更換高效節(jié)能電機[9]。

5.8 優(yōu)化裝置間供料方式

榆林化工的MTO級甲醇出裝置溫度過高，已超過設(shè)計值(40 ℃)，特別是在脫蠟處置期間，高溫甲醇進儲罐造成儲罐揮發(fā)油氣濃度增大，導致儲存溫度超出規(guī)范要求值。企業(yè)可通過技術(shù)改造優(yōu)化裝置間供料方式，如上下游裝置間能夠采用直供料穩(wěn)定運行，可優(yōu)先采用高溫直供料工藝路線，充分利用上游裝置中間產(chǎn)品介質(zhì)熱量，減少上游裝置冷卻循環(huán)水用量、降低下游裝置加熱負荷，同時降低罐區(qū)中轉(zhuǎn)儲存油品揮發(fā)損失或VOCs治理負荷。

6 結(jié)語

煤化工企業(yè)儲運系統(tǒng)低碳化發(fā)展仍有很大上升空間，“十四五”時期是我國化學工業(yè)的關(guān)鍵時期，各企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身特性持續(xù)深挖降碳潛力，通過科技創(chuàng)新和精細化管理提升低碳化運行效率，為煤化工產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展作出積極貢獻。