摘要：为了推进清洁生产和节能减排，实现企业生产环保升级改造，某公司启动了碳基新材料循环经济产业项目，该项目预计建设6条高纯度纳米炭黑生产线，配套建设2套35 MW超高温超高压高效蒸汽发电装置，通过对该项目能耗分析评价，该项目符合节能设计技术相关标准，发电煤耗、供电煤耗、厂用电率均优于对比企业水平，达到行业先进水平。
关键词：碳基生产,循环经济,能耗分析
0引言
碳基材料是现代国民经济中不可缺少的重要材料之一，主要应用于橡胶工业、油墨、喷墨、涂料等领域。某企业碳基新材料循环经济产业项目利用自主研发的湿法造粒与间接干燥组合技术，进一步提升产品纯度及其品质，实现清洁生产、尾气及废气脱水循环利用，实现各个工序能源充分利用。
1炭黑生产能源循环利用
1.1炭黑生产工艺
项目采用软、硬质炭黑生产线，选用新型五段炭黑反应炉，通过智能化控制，使装置工作在最佳状态，充分利用换热设备实现能源循环使用。湿法造粒与间接干燥组合技术，进一步提升产品纯度及其品质，实现清洁生产、尾气及废气脱水回用，充分节约了水资源。在反应炉内，高温燃烧气流与原料进行接触混合，通过裂解反应生成炭黑，最终采用湿法造粒工艺生产炭黑粒子。
1.2尾气利用
为了实现热能回收，循环利用炭黑尾气为发电燃料，进而发电，达到了环保、节能的双重效益。本项目尾气发电区锅炉燃料为炭黑尾气，尾气是炭黑生产装置的副产物。来自生产线的炭黑尾气从下部进入脱水塔，循环冷却水从塔顶喷入，尾气与冷却水在脱水塔内进行传热和传质，当温度低于露点温度时，炭黑尾气水份析出。脱水后的尾气通过加压风机增压后，成为尾气炉和锅炉燃料气。本项目对炭黑尾气脱水采用来自生产线尾气集中脱水（根据最先进的脱水技术，一期整体脱水）方案，尾气加压风机出口管线汇总后，进入一台MGGH设备，尾气降温后进入脱水塔设备，脱水塔喷水方式采用直接喷水冷却降温处理，冷却水和尾气逆向接触；从冷却塔上部出口尾气，再进入出口MGGH换热设备，通过进口处MGGH设备的加热的水，再对脱水塔出口尾气进一步进行加热尾气，通过出口MGGH的水降温后，再进入脱水塔设备进口MGGH设备降温后水系统，对进入脱水塔尾气进行降温处理，同时脱水塔进口MGGH设备的水也被加热，水换热过程在脱水塔进口和出口的MGGH形成闭路循环。尾气通过管道自炭黑生产装置输送至发电厂。尾气热值由2 717 kJ/m3提高到3 256 kJ/m3。尾气主要污染物包括炭黑粉尘、CO、H2S、NOx等。尾气完全燃烧生成废气主要污染物为包括SO2、NOx、炭黑粉尘等。本项目采用尾气预先脱水工艺，脱水后尾气中73%尾气输送至尾气发电装置的尾气锅炉作燃料，剩余尾气通过湿法造粒尾气燃烧炉燃烧，实现炭黑湿粒子的间接干燥，尾气炉使用完全完全燃烧生成废气直接进入干燥机滚筒外的同炭黑湿粒子逆向间接接触进行干燥湿粒子炭黑。尾气炉使用尾气流量6.531万m3/h；发电锅炉使用尾气流量17.659万m3/h。
1.3蒸汽利用
炭黑装置设有在线余热回收器共计18台，生产线配备急冷锅炉，所产生蒸汽压力2.5 MPa，炭黑生产工艺过程中产生的剩余蒸汽送入本项目尾气锅炉内再加热后，连通尾气锅炉再热蒸汽一同送入汽轮机做功发电，炭黑在线余热回收器每小时产蒸汽5 t，在线软质线在线急冷锅炉每小时产蒸汽4 t，在线炭黑硬质生产线急冷锅炉每小时产蒸汽1.5 t，尾气炉干燥火箱出口余热回收器每小时产蒸汽1.6 t，蒸汽分配除炭黑生产线自用21.1 t/h蒸汽外，剩余蒸汽30 t输出到发电装置。本项目尾气锅炉的蒸汽量为30t/h。
1.4污水处理
生产废水首先进入一级隔油沉砂池均匀水量及水质，进行初步沉砂隔油，然后自流至二级沉砂隔油池进一步沉砂隔油，隔油后的废水从由泵提升入气浮池，进行混凝气浮处理，处理完自流进入接触氧化池，通过接触氧化后进入混凝沉淀池（采用成套设备混凝沉降器），通过沉淀作用去除水中悬浮物质，经过混凝沉淀池出水达标排放。最后对污泥池的沉淀污泥及浮渣进行干化处理，输送到企业外部作进一步的妥善处理。干化滤液回流至二级隔油沉砂池。
2能耗分析
本项目设计工艺合理，设计能源消耗部分主要为生产设备、辅助设备，项目能源消费种类为电力、焦炉煤气，煤焦油、炭黑油、蒽油、乙烯焦油、FCC油，耗能工质为新鲜水。
2.1电力
用电负荷包括生产设备及附属设备，年耗电19 786.25万kW·h，电力损耗297.10万kW·h。风机水泵空压机采取变频节电的措施后年可节电量约3 683.35万kW·h，折合为标煤4 526.84 tce，项目年总电力消耗量为16 400万kW·h，折合为标煤20 155.6 tce。
2.2焦炉煤气
焦炉煤气主要用于炭黑反应炉。燃烧室－燃烧室燃烧温度建立反应炉燃烧室的燃料焦炉煤气完全燃烧发产生反应温度和进入燃烧室空气量、煤气流量和预热温度以及煤气的热值有关，这几种量决定了燃烧室生成高温气体的流量、烟气和温度。依据热量等式建立煤气/空气比值和燃烧室燃烧模型。
根据焦炉煤气组成求出热值为16 445.33 kJ/m3，首先确定燃烧室燃烧温度模型ta=2 000℃;求出1 m3煤气理论燃烧烟气V2为4.626 m3。实际工况下，本项目年消耗焦炉煤气量为16 267.6万m3，食堂焦炉煤气消耗量为3.65万m3。
2.3原料油核算
本项目使用的油料有：煤焦油、炭黑油、蒽油、乙烯焦油、FCC油。其中煤焦油年消耗量27.295万t，折合标煤311 954.56 tce；年消耗炭黑油15.251万t，折合标煤187 273.79 tce；蒽油6.99万t，折合标煤87 871.29 tce；乙烯焦油3.902万t，折合标煤50 168.01 tce；FCC油3.539万t，折合标煤40 447.23 tce。
2.4新水核算
项目新鲜水消耗主要为生产环节软化水补水（一次急冷、二次急冷、造粒水、风机冷却水、软化水）、员工生活用水、餐厅用水、道路洒水、绿化洒水及未预见水量等项目新鲜水消耗主要为生产环节软化水补水水（一次急冷、二次急冷、造粒水、风机冷却水、软化水）、员工生活用水、餐厅用水、道路洒水、绿化洒水及未预见水量等年用水量75.1万m3。
2.5项目能源消费构成
参照《综合能耗计算通则》（GB/T 2589—2020）确定各种能源及耗能工质折标准煤参考系数。焦炉煤气折标煤系数为0.561 1 kgce/m3，新鲜水折标系数0.196 3 kgce/t，输出电力当量值折标系数为0.122 9 kgce/（kW·h），等价值折标系数为0.308 4 kgce/（kW·h）。按照《炭黑单位产品能源消耗限额》（GB 29440—2012），煤焦油折标煤系数1.142 9 tce/t，炭黑油折标煤系数1.228 6 tce/t、蒽油折标煤系数1.257 1 tce/t、乙烯焦油折标煤系数1.285 7 tce/t、FCC油折标煤系数1.142 9 tce/t。
由于本项目原料油是作为生产炭黑的原材料，根据项目初步设计中关于炭黑反应原料转换的测算过程，可知项目原料油参与燃烧的比例约为5.24%，则项目综合能源消耗量见表1[1]。
本项目主要能源消费的能源品种为电力、焦炉煤气，耗能工质为新水。焦炉煤气年消费量为16271.25万m3、煤焦油27.295万t、炭黑油15.251万t、蒽油6.99万t、乙烯焦油3.902万t、FCC油3.539万t、新水年消费量为75.10万m3；供电量为36 900万kW·h；原料油全部计入，项目当量值720 444.46 tce、等价值646 828.06 tce；原料油按5.24%计入综合能源消费量，项目当量值78 147.08 tce、等价值4 689.08 tce。
2.6项目能效水平评价
本项目炭黑单位产品能耗当量值为1 698.48 kgce/t。达到《炭黑单位产品能源消耗限额》（GB 29440—2012）中规定的先进值要求。
由表2可知，采用标准对照法和专家判断法，炭黑单位产品综合能耗达到《炭黑单位产品能源消耗限额》（GB 29440—2012）先进值水平[2-4]，通过与同行业炭黑尾气发电装置对比，项目发电煤耗、供电煤耗、厂用电率均优于对比企业水平，达到行业先进水平。
3结论
项目生产线所有用能设备按照节能要求均选用新型节能产品，在工艺、电气、建筑等方面均考虑了节能措施；项目的设计符合《中国节能技术政策大纲》合理用能标准和节能设计规范的要求。
参考文献
[1]山西省固定资产投资项目煤炭消费减量替代管理办法（试行）的通知[A].能源清洁发〔2021〕496号，2021.
[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.炭黑单位产品能源消耗限额：GB 29440—2012[S].北京：中国标准出版社，2012.
[3]高耗能行业重点领域能效标杆水平和基准水平[A].发改产业〔2021〕1609号，2021.
[4]许阳.山西省碳基新材料创新发展研究[J].现代工业经济和信息化，2023（6）：283-286.
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