淺析合成氨節(jié)能減排

(四川瀘天化股份公司，四川瀘州, 646300)

1 概況

瀘天化股份公司合成車間新系統(tǒng)合成氨裝置是上世紀(jì)70年代從美國(guó)凱洛格公司成套引進(jìn)的年產(chǎn)30萬(wàn)噸生產(chǎn)裝置，是公司天然氣最大用戶和耗能大戶，合成車間新系統(tǒng)經(jīng)過(guò)第二次擴(kuò)能技改后，年產(chǎn)量增加了50%，噸氨綜合能耗降到KBR公司考核的32.86GJ/t，合成車間新系統(tǒng)裝置工藝生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 工藝生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖

近幾年公司合成車間新系統(tǒng)裝置由于生產(chǎn)原材料短缺和價(jià)格的上漲，裝置平均負(fù)荷較低，能耗高，生產(chǎn)成本增加，產(chǎn)品利潤(rùn)空間進(jìn)一步縮??；雖然噸氨綜合能耗能夠達(dá)到國(guó)家最低標(biāo)準(zhǔn)，但作為公司新系統(tǒng)裝置與國(guó)內(nèi)先進(jìn)合成氨裝置能耗比較還有較大差距。為了完成公司節(jié)能減排目標(biāo)，合成新系統(tǒng)裝置必須深挖潛能，合理優(yōu)化操作，降低系統(tǒng)成本物耗，提升公司經(jīng)濟(jì)效益，為此車間結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，將降低合成新系統(tǒng)噸氨綜合能耗為作一個(gè)新的目標(biāo)課題。

合成車間新系統(tǒng)裝置是以天然氣為原料的耗能大戶，雖然經(jīng)過(guò)1988年和2004年兩次擴(kuò)能技改，年產(chǎn)量增加了50%達(dá)45萬(wàn)噸，其噸氨綜合能耗在實(shí)際操作時(shí)降到了34 GJ/t左右，但與先進(jìn)裝置還存在一定差距。本裝置的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)主要是用天然氣鍋爐加熱爐水和回收裝置廢熱鍋爐的熱量產(chǎn)生蒸汽，由于天然氣價(jià)格上漲，導(dǎo)致噸氨綜合能耗增加；所以在生產(chǎn)操作中只能通過(guò)深挖裝置潛能，在裝置開(kāi)、停車和正常生產(chǎn)中優(yōu)化工藝參數(shù)，使噸氨綜合能耗達(dá)到最優(yōu)，從而降低噸氨生產(chǎn)成本。

2 燃料氣系統(tǒng)優(yōu)化

在合成新系統(tǒng)合成氨生產(chǎn)中，燃料氣是由本系統(tǒng)高壓天然氣、回收系統(tǒng)馳放氣、合成老系統(tǒng)低壓天然氣和馳放氣組成；燃料氣的消耗主要是一段轉(zhuǎn)化加熱用的頂燒、煙燒燃料氣為轉(zhuǎn)化反應(yīng)提供熱量；其次是輔鍋產(chǎn)汽所需要的天然氣和為提高高壓蒸汽過(guò)熱度所需要天然氣，所以節(jié)約燃料氣也要從這幾方面著手[1]。

2.1 合理控制水碳比，減少轉(zhuǎn)化反應(yīng)燃料氣消耗

減少一段爐蒸汽轉(zhuǎn)化的熱負(fù)荷就要降低轉(zhuǎn)化反應(yīng)的水碳比，降低水碳比不但降低了工藝蒸汽消耗量而且可有效地降低一段爐轉(zhuǎn)化的熱負(fù)荷，但是水碳比不是越低越好，因?yàn)檫^(guò)量的水蒸汽還是防止轉(zhuǎn)化爐管析炭的重要手段。所以要從實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)一段爐催化的效率，將水碳比控制在3.38—3.41左右，在全面評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上確定轉(zhuǎn)化反應(yīng)的最優(yōu)水碳比。

2.2 依據(jù)一段爐出口殘余在線監(jiān)測(cè)參數(shù)，優(yōu)化調(diào)整一段爐和壓縮機(jī)參數(shù)

在生產(chǎn)中，氣礦輸送的天然氣組分經(jīng)常發(fā)生變化，根據(jù)一段爐出口殘余甲烷量參數(shù)AI-1A和原料氣壓縮機(jī)的負(fù)荷參數(shù)，及時(shí)調(diào)整天然氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和一段爐出口溫度參數(shù)，將一段爐的殘余甲烷調(diào)控在<13.28%，以控制燃料氣的消耗，減少轉(zhuǎn)化燃料氣的消耗量。

2.3 優(yōu)化調(diào)節(jié)一段爐引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)負(fù)荷，加強(qiáng)一段爐余熱回收

生產(chǎn)中根據(jù)一段爐負(fù)壓和氧氣含量參數(shù)，隨氣溫和工況的變化及時(shí)調(diào)整引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)負(fù)荷，確保一段爐燃料氣充分燃燒，加強(qiáng)了盤管余熱回收，減少蒸汽耗用。

2.4 優(yōu)化輔鍋負(fù)荷減少燃料氣消耗

降低輔鍋負(fù)荷，2018年2月優(yōu)化操作前輔鍋負(fù)荷為1200kg/h，參照和對(duì)比國(guó)內(nèi)同類型合成氨裝置的輔鍋負(fù)荷(700kg/h)，并結(jié)合本系統(tǒng)的蒸汽管網(wǎng)構(gòu)成特點(diǎn)，我們?cè)谏a(chǎn)過(guò)程加強(qiáng)了輔鍋負(fù)荷的控制，充分利用廠供外管網(wǎng)中壓蒸汽，2018年輔鍋優(yōu)化操作后將其負(fù)荷降至900-820kg/h左右；2019年系統(tǒng)2月份開(kāi)車正常后，輔鍋燃料氣消耗下降，運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1。

表1 優(yōu)化前后輔鍋負(fù)荷及高壓蒸汽過(guò)熱溫度對(duì)照表

2.5 裝置開(kāi)停車和正常生產(chǎn)中優(yōu)化回收工藝廢氣作為燃料氣

(1)合成氨在生產(chǎn)過(guò)程中要放一部分馳放氣，經(jīng)過(guò)普里森系統(tǒng)處理后的高低壓氫氣回收至合成回路系統(tǒng)，增加了氨產(chǎn)量，高純氫外送油脂，非滲透氣送至101-B燃料氣系統(tǒng)，有效降低了一段爐燃料氣的消耗。

(2)2006年合成車間設(shè)計(jì)了回收大甲醇尾氣管線，不僅解決了甲醇生產(chǎn)中尾氣排放對(duì)大氣的污染問(wèn)題，而且裝置通過(guò)回收氫氣也增加了氨產(chǎn)量。

(3)2015年車間新配回收老系統(tǒng)馳放氣管線，通過(guò)回收老系統(tǒng)排放的馳放氣(作為燃料氣)至一段爐燃料氣系統(tǒng)，減少了老系統(tǒng)馳放氣的放空，同時(shí)也降低了本系統(tǒng)燃料氣用量。

(4)鈷鉬加氫、氧化鋅升溫放空天然氣的回收，每次開(kāi)車天然氣回收量達(dá)70000 Nm3，停車降溫時(shí)可同樣進(jìn)行回收，天然氣回收流量在20000 Nm3左右。

(5)系統(tǒng)停車過(guò)程中，合成系統(tǒng)卸壓氣體液回收至一段爐燃料氣系統(tǒng)，合成系統(tǒng)停車后可對(duì)馳放氣回收作為一段爐燃料氣用，直至合成系統(tǒng)壓力降至3MPa，可回收馳放氣量約50000 Nm3。

(6)低變還原載氣的回收，新更換低變催化劑在開(kāi)車過(guò)程中需進(jìn)行催化劑還原操作，還原載氣一般為脫硫后天然氣，平均流量約為16000 Nm3/H，在滿足還原質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，車間技改通過(guò)新配專用回收載氣管線，可實(shí)現(xiàn)載氣的全部回收。

3 蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化

在合成氨生產(chǎn)中，蒸汽主要有以下三個(gè)方面的用途：一是作為工藝原料為轉(zhuǎn)化反應(yīng)原料，二是作為蒸汽透平的動(dòng)力來(lái)源，三是作為加熱介質(zhì)；在實(shí)際生產(chǎn)中也是根據(jù)水蒸汽的上述用途，進(jìn)行節(jié)能降耗工作，主要是增加系統(tǒng)自產(chǎn)蒸汽，減少外界輸入蒸汽；生產(chǎn)中加強(qiáng)和調(diào)度聯(lián)系減少中壓蒸汽和低壓蒸汽的放空；減少高、中壓蒸汽的直接降級(jí)使用。

3.1 優(yōu)化水碳比操作，減少轉(zhuǎn)化反應(yīng)蒸汽耗用

首先，在不影響一段爐轉(zhuǎn)化反應(yīng)的和催化劑的效率情況下，控制水碳比在底限值操作，以減少轉(zhuǎn)化蒸汽的消耗和一段爐燃料氣消耗；其次，合理調(diào)整MIC-25的蒸汽用量，減少加入二段爐的蒸汽量，同時(shí)也降低系統(tǒng)阻力，降低了生產(chǎn)能耗。

3.2 合理降低循環(huán)水溫度，減少壓縮機(jī)組蒸汽消耗

合理降低循環(huán)水溫度，可以減少透平蒸汽消耗量，根據(jù)裝置運(yùn)行采集參數(shù)得出，在高負(fù)荷情況下如果涼水塔的出水溫度在28～30℃以上，通過(guò)增開(kāi)涼水塔一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，可以讓循環(huán)水溫度下降2℃左右，增開(kāi)風(fēng)機(jī)雖然噸氨電耗成本增加了0.007Gcal，大機(jī)組透平段間冷卻溫度下降，四大壓縮機(jī)蒸汽透平的蒸汽用量減少，噸氨蒸汽耗降低了0.025Gcal，綜合能耗降低0.018 Gcal，所以系統(tǒng)高溫季節(jié)高負(fù)荷下涼水塔需全開(kāi)風(fēng)機(jī)，在較低負(fù)荷下壓縮機(jī)返回閥有開(kāi)度時(shí)應(yīng)適量少開(kāi)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)調(diào)整的同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)各崗位應(yīng)對(duì)各機(jī)泵油溫作相應(yīng)調(diào)整，并根據(jù)工藝參數(shù)的變化對(duì)各水冷器水量作相應(yīng)調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)化。

3.3 優(yōu)化調(diào)整高壓-中壓-低壓蒸汽系統(tǒng)

系統(tǒng)可以通過(guò)加強(qiáng)回收廢熱鍋爐熱和合成塔熱量，以增加系統(tǒng)自產(chǎn)高壓蒸汽量；適當(dāng)提高高壓蒸汽的過(guò)熱溫度，可以提高高壓蒸汽能級(jí)，高壓蒸汽的做功能力和熱利用率相應(yīng)增強(qiáng)，降低系統(tǒng)的能耗；系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓蒸汽主要由合成壓縮機(jī)的高壓透平使用，生產(chǎn)中高壓蒸汽通過(guò)PIC-12做功后轉(zhuǎn)化為中壓蒸汽進(jìn)入中壓蒸管網(wǎng)，合理調(diào)節(jié)PIC-12開(kāi)度和PIC-6的壓力，103-J的一級(jí)后壓力，降低中壓蒸汽用量。正常生產(chǎn)中為了防止中壓蒸汽直接通過(guò)低壓蒸汽減壓閥減壓至低壓蒸汽系統(tǒng)，脫碳冷貧液泵用背壓透平，蒸汽通過(guò)背壓透平做功轉(zhuǎn)化為低壓蒸汽，以平衡脫碳系統(tǒng)再生塔再沸器再生所用蒸汽，減少中壓蒸汽的降級(jí)使用。

3.4 減少蒸汽放空量，降低噸氨蒸汽消耗

生產(chǎn)中加強(qiáng)與調(diào)度聯(lián)系，減小中壓蒸汽放空，2017年系統(tǒng)經(jīng)過(guò)技改，新增低壓蒸汽調(diào)節(jié)閥，將系統(tǒng)富余低壓蒸汽送入外界低壓蒸汽管網(wǎng)，減少低壓蒸汽的放空；生產(chǎn)中為了給脫鹽水加熱物理脫氧，需要低壓蒸汽加熱，在保證脫鹽水中溶解氧含量的情況下，可適當(dāng)減少脫氧槽的低壓蒸汽消耗，通過(guò)蒸汽調(diào)節(jié)閥控制脫氧槽的壓力在0.07—0.09MPa左右，加強(qiáng)給水系統(tǒng)熱量回收。

3.5 優(yōu)化調(diào)整天然氣壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力和氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)透平一級(jí)后壓力降低蒸汽消耗

(1)提高天然氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力，當(dāng)外界天然氣壓力充足時(shí)適當(dāng)提高天然氣壓縮機(jī)入口壓力，降低天然氣壓縮機(jī)蒸汽消耗，高負(fù)荷的情況下，將天然氣壓縮機(jī)入口壓力控制在0.56-0.57MPa左右，由于進(jìn)口壓力提高，天然氣壓縮機(jī)蒸汽透平調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度變小，天然氣壓縮機(jī)耗用的蒸汽量減少。

通過(guò)查閱近兩年生產(chǎn)資料，我們發(fā)現(xiàn)：相同負(fù)荷下，原料氣壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力不同，對(duì)應(yīng)的蒸汽耗量也不相同，如表3。

表2 系統(tǒng)負(fù)荷與原料氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力對(duì)應(yīng)表

表3 原料氣壓縮機(jī)能耗對(duì)應(yīng)表

如果我們?cè)谏a(chǎn)維護(hù)過(guò)程中將原料氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力提至高限操作，從表3中我們可以看到負(fù)荷一定的情況下原料氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力每提高0.01MPa，可節(jié)約蒸汽2.1261 t/h，降低能耗60.3812×108J/h。

(2)提高氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)一級(jí)后壓力，相同負(fù)荷(即氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)低壓缸出口壓力相差不大)的條件下，其一級(jí)后壓力的值越小，說(shuō)明該壓縮機(jī)所耗的蒸汽也就越多，所以，生產(chǎn)操作中將其一級(jí)后壓力向設(shè)計(jì)值靠，并統(tǒng)計(jì)氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)2017與2018年進(jìn)行比對(duì)、核算如表4。

表4 系統(tǒng)優(yōu)化前后氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)汽耗對(duì)照表

4 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)公司合成新系統(tǒng)裝置年噸氨綜合能耗降至33.5 GJ/t，即：噸氨綜合能耗降0.5 GJ/t目標(biāo)，生產(chǎn)中通過(guò)降低合成新系統(tǒng)噸氨綜合能耗優(yōu)化操作，合成崗位冷氨泵由透平倒電機(jī)運(yùn)行；原料氣壓縮機(jī)進(jìn)口壓力靠高限操作，氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)一級(jí)后壓力提高0.1MPa；降低輔鍋天然氣消耗負(fù)荷680-800kg/h，高壓蒸汽過(guò)熱溫度靠460℃運(yùn)行；回收大甲返氫時(shí)按比例配入空氣時(shí)適當(dāng)降低一段爐出口溫度等操作更為合理，2018年合成車間新系統(tǒng)裝置噸氨綜合考核能耗達(dá)到了前所未有的33.05 GJ/t，圓滿實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目標(biāo)，裝置節(jié)能、降耗增效起了良好明顯效果，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本；提升和增強(qiáng)了企業(yè)的生存能力和競(jìng)爭(zhēng)能力，在以后的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，要精心操作，細(xì)心維護(hù)，繼續(xù)深挖裝置潛能，使裝置能夠發(fā)揮出更大的潛力以降低裝置噸氨能耗。

表5 裝置優(yōu)化前后產(chǎn)量與能源消耗考核表(含氫介質(zhì)折氨)