合成氨裝置配套氨冷凍及儲運設(shè)施的設(shè)計

范開智 顧 英 中石化寧波工程有限公司上海分公司 上海 200030

氨合成技術(shù)通過不斷地技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新在我國的應(yīng)用日趨成熟，新工藝、高效節(jié)能設(shè)備、催化劑改進等措施的應(yīng)用，裝置能耗逐步下降;大、中合成氨廠技術(shù)來源復雜，在氨冷凍配置上也根據(jù)各自的實際情況選擇路線。在節(jié)能減排嚴峻形勢及能源成本上漲的環(huán)境下，工藝設(shè)計方案最終選擇的關(guān)鍵將是能耗的控制。

國內(nèi)某廠200kt/a 合成氨項目是利用該廠副產(chǎn)的氫氣及空分裝置富余氮氣為原料，氨合成工藝采用CASALE 技術(shù)。合成氣冷卻氨采用一次水冷串二級氨冷，氨冷凍工序為氨合成回路提供冷凝合成氣中的氨所需要的冷量。儲罐區(qū)設(shè)置三臺低溫低壓氨球罐，用于液氨成品的儲存，循環(huán)冰機維持儲存壓力。

本文就該廠配套氨冷凍及儲運設(shè)施的設(shè)計，對項目方案與傳統(tǒng)流程進行分析，并根據(jù)能耗對照、投資費用及運行情況簡要介紹項目方案的操作優(yōu)勢及經(jīng)濟效益，供類似項目參考。

1 傳統(tǒng)氨冷凍與儲運系統(tǒng)

傳統(tǒng)的氨儲存是按不同溫度下氨的飽和蒸汽壓考慮配置。常壓低溫罐及中壓常溫罐，或兩種儲存方式并用。確定的原則是按裝置的規(guī)模與上下游的配套要求，有下游尿素裝置的，一般多設(shè)置中壓常溫罐作為聯(lián)合裝置的中間罐，低溫罐作為備用的成品儲罐;上游有空分或甲醇洗裝置的一般設(shè)置常壓低溫罐，以利用液氨的低溫特性，降低總體能耗;液氨在上游裝置以-45℃或-38℃蒸發(fā)，在氨冰機的一段進口吸入時，由氨成品回收低溫氨的冷量。一般情況，原料路線和工藝流程決定了產(chǎn)品中不凝氣的含量和分離壓力的選擇。綜合考慮氨庫的安全性、經(jīng)濟性與占地面積等方面的因素，單罐液氨儲量在8000 m3以上的，通常采用低溫常壓儲罐比較合理。

蒸汽壓可由軟件模擬或Antoine 方程式推導，lnP=A-B/ (C+t)，文獻1 中可查出液氨在-55～57℃間的常數(shù)A、B、C 的數(shù)值;常溫、常壓及低溫低壓液氨在不同溫度下的飽和蒸汽壓見表1。

表1 氨的飽和蒸汽壓

按特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范［2］，常溫氨球罐的工作壓力取液氨50℃的飽和蒸汽壓，即設(shè)計壓力按2.06MPa (A)，受國內(nèi)材料及制造機具的限制，在此參數(shù)下的單個球罐制造能力僅為2000m3;在作為成品罐而非中間罐的情況下，造成儲罐數(shù)量及占地增大，投資增多;在中壓常溫罐和常壓低溫罐并用的工況下，將常壓罐儲存的液氨送往中壓罐時還需要升壓升溫，能耗也非常大。

對于常壓低溫氨成品儲存的冷凍流程，均是由合成回路中的中壓分離罐減壓后進氨冰機入口分離器，液氨被來自甲醇洗裝置或合成回路第二蒸發(fā)器的液氨過冷，成品泵送至常壓低溫貯罐以-33℃ (視當?shù)卮髿鈮憾?左右儲存。氨成品儲罐因冷損及裝車時產(chǎn)生的氣氨也返回氨冰機的一段入口，在冷凍系統(tǒng)停車時則由備用的循環(huán)保安冰機維持儲罐壓力。傳統(tǒng)的氨冷凍流程見圖1。

圖1 傳統(tǒng)氨冷凍流程

2 項目氨冷凍與儲運系統(tǒng)的設(shè)置

來自合成反應(yīng)器的合成氣在逐步回收熱量及循環(huán)水冷卻后，進第一蒸發(fā)器，來自氨貯槽的液氨在第一蒸發(fā)器殼程中以9℃蒸發(fā)，蒸發(fā)帶來的冷量使得合成氣溫度降至15℃，蒸發(fā)后的氣氨經(jīng)分離器返回氨冰機二段入口;部分液氨從第一蒸發(fā)器進第二蒸發(fā)器殼程后在-15℃下蒸發(fā)，合成氣溫度被降至-8℃送去分離器產(chǎn)出成品;殼程蒸發(fā)的氣氨經(jīng)分離器返回氨冰機一段入口;氣氨在經(jīng)壓縮并冷凝至38℃左右，送至蒸發(fā)器循環(huán)使用，流程見圖2。

圖2 項目氨冷凍回路流程

根據(jù)對該廠原料氫氣及氮氣的分析，氫氣經(jīng)PSA 變壓吸附提純后純度均達到99.9%以上;空分裝置的高純度氮氣經(jīng)壓縮機升壓后，在進合成回路前與氫氣配比，合成回路產(chǎn)出的液氨在經(jīng)過高、中、低壓分離器后，不必常壓閃蒸也能滿足質(zhì)量要求。

按產(chǎn)品方案要求，液氨直接外售，項目方案采用低壓貯存，即低壓分離后的過冷液氨在-5.5℃直接進入低壓成品儲罐，低壓分離罐閃蒸出的惰性氣經(jīng)洗滌后送燃料氣管網(wǎng);而不再進冷凍回路中循環(huán)，以降低氨冰機的能耗。液氨成品儲罐在0.4MPa (G)下操作，在氣相壓力上升到0.45MPa (G)時，聯(lián)鎖啟動氨循環(huán)保安冰機，氣氨經(jīng)保安冰機壓縮并冷凝后，氨返回成品儲罐，不凝氣洗滌后進燃料氣管網(wǎng)。流程見圖3。

圖3 項目氨儲運流程

由于氨冷凍循環(huán)回路中的氨僅為合成回路的第一蒸發(fā)器和第二蒸發(fā)器提供冷量，回路中沒有更低壓力的用戶，故進氨冰機吸入口時不需減至常壓或真空狀態(tài)，壓縮后氣氨在冷凝后返回氨貯槽，不凝氣在氨貯槽中積聚，壓力升高則處理后進燃料氣管網(wǎng)。

綜上所述，項目氨冷凍及儲運變設(shè)計成為兩個獨立的回路，與傳統(tǒng)流程相比，增加了低壓閃蒸的分離器和為成品儲罐單獨使用的循環(huán)冰機，減少了因減至常壓而設(shè)置的一段入口常壓分離器和成品輸送泵。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 綜合能耗比較

傳統(tǒng)流程的成品氨在減至常壓時有更多的惰性氣在氨冰機中循環(huán)，造成透平汽耗增加。在蒸發(fā)器熱負荷相同的條件下，PROⅡ模擬結(jié)果顯示，正常操作中壓縮機軸功率要高得多，年操作費用將增加200 余萬元，透平及凝汽器造價的增加也高于罐區(qū)循環(huán)冰機的設(shè)備投資費用。

傳統(tǒng)方案綜合能耗較項目方案增加20%，裝車時增加量達35%左右。而傳統(tǒng)方案正常運行中是由氨冰機維持儲罐壓力;優(yōu)化方案的儲罐系統(tǒng)壓力則由循環(huán)冰機維持，正常運行循環(huán)冰機的能耗較少。兩種方案的能耗對比見表2。

表2 能耗對比表(MJ)

3.2 投資費用比較

常壓低溫儲罐為雙層拱頂罐，內(nèi)層材料為低溫鋼16MnDR，外層材料為普通碳鋼，中間充填珠光砂保冷，充氮氣維持中間珠光砂夾層的干燥和穩(wěn)壓。低壓低溫儲罐為球罐，材料為16MnR。從附表3 的比較中可見，兩種方案的投資費用相差不大，拱頂罐主要是支撐、吊頂、保冷材料等設(shè)備主材費用較高;而球罐則是輔材、安裝及土建工程費用較高，另外，球罐的施工技術(shù)要求也較高且占地較大。

表3 儲罐主要費用一覽表(萬元)

從運行情況來看，在傳統(tǒng)流程中，液氨送入相應(yīng)的蒸發(fā)器提供冷量，也能從適當?shù)牡攸c取出所需的冷氨產(chǎn)品或熱氨產(chǎn)品，對于上游有冷氨用戶及下游有配套的合成氨裝置來說，分級蒸發(fā)的冷凍流程具有較大的綜合節(jié)能效果，如凱洛格流程的特點就是把液氨產(chǎn)品的提純納入到冷凍流程中［4］。但是氨冰機所受各用戶負荷調(diào)節(jié)的影響也較大，常壓低溫罐在-33℃操作時，由氨冰機維持儲罐因冷損及裝車而造成的工況較多，如壓力波動大、流程較長、操作復雜，并有多臺設(shè)備間斷運行，產(chǎn)生故障時的影響也較大。

就該項目而言，因利用純氫和氮氣合成氨，且氨冷凍僅為合成回路兩級氨冷提供冷量，采用低壓低溫球罐儲運系統(tǒng)，其工況少、操作簡易;球罐的操作壓力范圍較寬，裝車時與冷凍回路互不干擾，在實際正常操作中，該廠低壓低溫儲罐在夏季的系統(tǒng)壓力為正常設(shè)計值，在冬季更是為維持系統(tǒng)壓力而無惰性氣的排放，配套循環(huán)冰機幾乎可以不開，消耗基本為零;由于沒有合成回路常壓閃蒸出的惰性氣在冷凍回路中循環(huán)，氨冰機的能耗也大幅降低。通過對兩種方案的投資費用和能耗對比，以及對該廠實際運行情況的分析，項目所采用的設(shè)計方案能耗較低，操作更為合理，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟及社會效益。

4 存在問題及建議

(1)無論是在氣相或液相中，空氣中的O2、CO2及N2都會促進液氨對罐壁材料的腐蝕;儲罐在充裝、排料及檢修等過程中受到空氣的污染或投入使用前置換不徹底，焊縫處存在由于操作壓力引起的拉應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，在拉應(yīng)力狀態(tài)下，碳鋼在被空氣污染的液氨環(huán)境中很容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。

(2)冰機回路氨貯槽因排放惰性氣時，仍有少量氨帶出，補充氨需在操作上加強管理，防止補充時造成壓縮機段間超壓或帶液事故。

(3)罐區(qū)液氨系統(tǒng)的安全閥接至事故池，一旦超壓則產(chǎn)生大量氨水，需逐級提濃處理，應(yīng)引至氨火炬。

(4)繼續(xù)挖潛氨合成及冷凍裝置中的節(jié)能降耗措施，如高壓富液的高位能回收技術(shù)及惰性氣提氫的可行性等。

1 時 釣，汪家鼎等. 化學工程手冊(第二版)［M］. 化學工業(yè)出版社，1996:107 -109.

2 TSG R2004 -2009. 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］. 新華出版社，2010:14.

3 SH/T 3110 -2001. 石油化工設(shè)計能量消耗計算辦法［S］.中國石化出版社，2001:3.

4 于遵宏，朱炳辰等. 大型合成氨廠工藝過程分［M］. 中國石化出版社，1993:381 -383.