國產(chǎn)大型化肥裝置新工藝應(yīng)用及節(jié)能降耗實踐

楊學(xué)智（中國石油寧夏石化公司）

寧夏石化公司國產(chǎn)大型化肥裝置是中國石油在國內(nèi)首套采用自主技術(shù)建設(shè)的工業(yè)化生產(chǎn)裝置，工藝技術(shù)全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，各項工藝技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，設(shè)計年產(chǎn)合成氨45×104t、尿素80×104t。其中合成氨采用蒸汽轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)，尿素采用CO2汽提工藝技術(shù)。天然氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、氨壓機(jī)、合成氣壓縮機(jī)、CO2壓縮機(jī)等五臺機(jī)組全部由國內(nèi)廠家制造，機(jī)組全部采用12.0 MPa和5.0 MPa過熱蒸汽作為動力源。主要設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到95%以上，總體工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集成、優(yōu)化和創(chuàng)新，具有能耗低、操作簡單、安全等特點。是具有國際先進(jìn)水平的大型氮肥裝置。近年來，通過工藝管理和員工培訓(xùn)、工藝優(yōu)化等手段，減少了非計劃停車次數(shù)，通過優(yōu)化一段爐運行、降低水碳比、投用煉廠干氣等措施，保持工況優(yōu)化運行，保證裝置安全穩(wěn)定長周期運行，確保了裝置綜合能耗維持最低，氨產(chǎn)量尿素產(chǎn)量達(dá)到了較高的水平。

1 裝置特點

1.1 合成氨裝置特點

合成氨裝置以天然氣為原料，轉(zhuǎn)化部分采用一、二段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，變換部分采用高溫變換和低溫變換工藝，脫碳采用MDEA脫碳技術(shù)，氨合成部分采用三床軸徑向復(fù)合床間接換熱式合成塔，氨合成壓力15.5 MPa，冷凍系統(tǒng)為兩級氨冷，并設(shè)有5 000 m3氨儲罐和氫回收裝置。

1.2 尿素裝置特點

80×104t/a尿素生產(chǎn)裝置，依托CO2汽提工藝技術(shù)，采用了尿素高效浸沒式冷凝，三級真空濃縮新方法。尿素生產(chǎn)工藝主要包括：CO2壓縮和脫氫、液氨升壓、高壓合成與汽提回收、低壓分解回收與真空預(yù)濃縮、蒸發(fā)與造粒、工藝?yán)淠禾幚淼裙ば颉?/p>

1.3 裝置中技術(shù)特點

1）工藝國產(chǎn)化。45×104t合成氨、80×104t尿素裝置中技術(shù)創(chuàng)新工藝國產(chǎn)化。寧夏石化45/80×104t項目作為成果轉(zhuǎn)化平臺，是中國石油第一套自主開發(fā)的大氮肥成套工藝技術(shù)建設(shè)的具有國際先進(jìn)水平的大型化肥裝置，也是國產(chǎn)化的DCS分析技術(shù)建立的合成氨、尿素裝置三組模型，進(jìn)行工藝管線和設(shè)備布局的整體優(yōu)化，總體工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集成、優(yōu)化和創(chuàng)新，合成氨綜合能耗等主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，并獲得了自主知識產(chǎn)權(quán)數(shù)十項。

2）設(shè)備國產(chǎn)化。在裝置建設(shè)中，集成國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先的設(shè)備制造商，采取自主設(shè)計，國內(nèi)制造的方式，先后完成了一段轉(zhuǎn)化爐、氨合成塔內(nèi)件、尿素高壓設(shè)備、尿素高壓氨泵、合成氣壓縮機(jī)、工藝空氣壓縮機(jī)、氨氣壓縮機(jī)、天然氣壓縮機(jī)、CO2壓縮機(jī)等多項重大設(shè)備的專項研究。關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到95%以上，投資成本僅為國外的80%。不僅為國家節(jié)約了大量的外匯投資，更在設(shè)備自主研發(fā)制造上取得了新的突破。

3）控制系統(tǒng)國產(chǎn)化。寧夏石化公司三化肥裝置全流程使用了國內(nèi)最新推出的MACS-K大型分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了全冗余，多重隔離等可靠技術(shù)，吸收了安全系統(tǒng)的設(shè)計理念。改進(jìn)、完善、組態(tài)軟件的友好性和易用性，降低了入門難度，提高了用戶組態(tài)的效率，提升了用戶的體驗感。

2 技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用

2.1 技術(shù)創(chuàng)新

在合成氨裝置中采用較高的轉(zhuǎn)化壓力。雖然低壓有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，但提高壓力可以節(jié)省壓縮功、減少設(shè)備投資、有利于工藝余熱的利用[1-3]。該裝置一段轉(zhuǎn)化出口壓力設(shè)計為4.05 MPa。

另外裝置中還采用比較溫和的一段轉(zhuǎn)化方案。考慮國內(nèi)制造廠的制造水平，為了使一段轉(zhuǎn)化爐爐管的操作條件不太苛刻，該工藝在二段轉(zhuǎn)化爐加入了20%的過量空氣，使一部分一段轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到二段轉(zhuǎn)化爐中。一段轉(zhuǎn)化出口溫度為803℃，CH4殘留量為14.23 mol%（干基）。延長了一段轉(zhuǎn)化爐管的使用壽命。

同時綜合考慮一段轉(zhuǎn)化爐對流段能量的回收利用，提高原料氣預(yù)熱溫度，將一段轉(zhuǎn)化爐的混合進(jìn)料和工藝空氣預(yù)熱到盡可能高的溫度，分別為560℃和500℃。增加一段爐對流段各組能量回收盤管之間的溫度調(diào)節(jié)措施，設(shè)計充分考慮了一段轉(zhuǎn)化爐對流段的能量回收利用和盤管材料的選擇，有效保證了裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。

2.2 技術(shù)應(yīng)用

1）合成塔的應(yīng)用：1 500 t/d“三床軸徑向復(fù)合床間接換熱式高效節(jié)能型氨合成塔為立式反應(yīng)器，有高壓外殼和內(nèi)件兩部分構(gòu)成。典型操作壓力為11～15 MPa，合成氣進(jìn)氣溫度一般在185～230℃，具有較高的氨凈值，塔出口氨濃度可達(dá)到18.88%。

氨合成塔內(nèi)部有三個催化劑床層，均裝有鐵系催化劑。一層裝催化劑15.5 m3、二層裝催化劑29.2 m3、三層裝催化劑48.2 m3。合成氣在第一床層為軸向流動，汽提分布均勻，并可減少有害物質(zhì)對催化劑的影響，能充分有效利用催化劑。由于第二層和第三層催化劑裝填量大，為減少氣體阻力，所以采取了軸徑向流動，全塔阻力壓降小，循環(huán)壓縮機(jī)功耗低。合成塔內(nèi)部設(shè)有兩臺換熱器，通過間接換熱控制第二、三床的床層入口溫度，合成塔的氨凈值高。合成氣出第三催化劑床層后不經(jīng)過就出合成塔，可副產(chǎn)高壓飽和蒸汽或中壓過熱蒸汽，提高了高溫?zé)崮艿睦寐省?/p>

合成塔高壓外殼屬高溫、高壓設(shè)備，內(nèi)部工藝氣氫含量高，合成塔采用多層包扎與大型鍛件相結(jié)合的制造工藝，即筒體采用耐高溫、抗氫腐蝕的鉻鉬鋼內(nèi)筒，外包扎多層高強度鋼板，上下球形封頭與筒節(jié)間采用大型鍛件連接。大蓋密封采用可拆的雙錐密封結(jié)構(gòu)，便于操作、檢修。采用寰球氨合成塔自主技術(shù)優(yōu)化氨合成塔結(jié)構(gòu)。氨合成塔采用寰球?qū)＠夹g(shù)三床軸徑向復(fù)合床間接換熱式高效節(jié)能型氨合成塔。降低了專利費及基礎(chǔ)設(shè)計費，并降低了設(shè)備制造成本，可實現(xiàn)設(shè)備制造自主化。該合成塔的優(yōu)點是：

一是生產(chǎn)能力大、全塔壓降小、采用內(nèi)部換熱氨凈值高、可副產(chǎn)高壓飽和蒸汽。

二是優(yōu)化了合成氣壓縮機(jī)配置。壓縮機(jī)的壓縮段和循環(huán)段串聯(lián)配置在一起，出循環(huán)機(jī)的壓力就是入塔壓力，因此合成塔置于整個合成回路的最高壓力點上，有利于提高氨凈值及降低壓縮功耗。

三是優(yōu)化了氨合成回路。氨合成回路余熱回收采用合成氣在塔內(nèi)反應(yīng)結(jié)束后不經(jīng)換熱，直接出塔進(jìn)入廢熱鍋爐和鍋爐給水預(yù)熱器，副產(chǎn)12.5 MPa、328℃的飽和蒸汽。經(jīng)一段轉(zhuǎn)化爐對流段盤管過熱后，可用于驅(qū)動蒸汽透平，提高余熱回收利用等級。同時優(yōu)化氨冷凍分離溫度等級，綜合平衡氨壓縮機(jī)和合成氣壓縮機(jī)之間的壓縮功，選擇適宜的合成壓力優(yōu)化氨合成回路。

2）其它新技術(shù)的應(yīng)用：在裝置的建設(shè)中大量使用同類裝置相似的新技術(shù)，一段爐采用國產(chǎn)HP50薄壁管，新型低NOx爐頂燒嘴；二段爐采用20%過量空氣，降低了一段爐負(fù)荷，增加了熱量利用。二段爐使用新型空氣混合器，天然氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、CO2壓縮機(jī)、合成氣壓縮機(jī)、氨氣壓縮機(jī)全部采用干氣密封形式，簡化了壓縮機(jī)操作，避免了介質(zhì)污染隱患；一段爐引風(fēng)電動機(jī)采用變頻技術(shù)，有利于爐膛負(fù)壓控制，確保一段爐穩(wěn)定操作[4-5]。

3 應(yīng)用效果

寧夏石化45/80項目通過采用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝和新材料的集中應(yīng)用，優(yōu)化了工藝流程，綜合利用了工藝過程產(chǎn)生的余熱，合理優(yōu)化了整個裝置蒸汽平衡和蒸汽管網(wǎng)等級，大型轉(zhuǎn)動設(shè)備采用高效機(jī)組，提高了能量利用效率，達(dá)到了噸氨能耗較先進(jìn)的水平。尿素裝置的能耗水平也控制較低水平。合成氨裝置能耗水平見表1，尿素裝置消耗水平見表2。

表1 合成氨裝置能耗水平Tab.1 Energy consumption level of ammonia device

表2 尿素裝置消耗水平Tab.2 Energy consumption level of urea device

4 存在問題及優(yōu)化措施

2021年裝置能耗見表3，從2021年3月16日開車至11月13日停車，裝置負(fù)荷一直維持在100%以上運行，合成、尿素兩套裝置運行穩(wěn)定，開工鍋爐穩(wěn)定運行，均超出設(shè)計能力，完全滿足生產(chǎn)需要。

表3 2021年裝置能耗Tab.3 Energy consumption of device in 2021

4.1 存在問題

從表3可以看出影響能耗高的原因主要是天然氣、蒸汽、脫鹽水、電耗等超過了設(shè)計值。

按照以上物料消耗的分析，裝置存在以下問題：

1）天然氣消耗高于設(shè)計值，主要原因是非計劃開停車所造成的，一段轉(zhuǎn)化爐燃燒空氣過剩系數(shù)偏高，一段轉(zhuǎn)化爐熱效率低，天然氣消耗增大。另外系統(tǒng)壓力偏低、轉(zhuǎn)化爐水碳比控制較高，反應(yīng)余熱利用不夠，廢鍋汽包產(chǎn)氣量低，也是天然氣消耗增加的因素。

2）蒸汽消耗過高，由于CO2壓縮機(jī)低壓缸問題，防喘振系統(tǒng)不穩(wěn)定，防喘振閥始終有開度，造成壓縮機(jī)的運行效果差，使CO2壓縮機(jī)的用汽量及尿素裝置的用汽量都有所增加。

3）脫鹽水消耗較高，主要是合成和尿素裝置冷凝液回收系統(tǒng)，冷凝液電導(dǎo)超標(biāo)，加至蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化不好，中壓蒸汽、低壓蒸汽放空較多，導(dǎo)致蒸汽冷凝液回收進(jìn)不到脫鹽水系統(tǒng)。

4）裝置電耗高，主要是合成和鍋爐部分用蒸汽透平帶動的機(jī)泵，透平運行不穩(wěn)，一直采用電動機(jī)帶動運行，增加了電耗。

4.2 優(yōu)化措施

1）優(yōu)化蒸汽管網(wǎng)，降低裝置蒸汽消耗。在裝置運行上進(jìn)行關(guān)閉蒸汽管網(wǎng)的所有放空閥門，根據(jù)蒸汽管網(wǎng)的運行情況，在確保蒸汽管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的條件下，利用開工鍋爐負(fù)荷進(jìn)行微調(diào)平衡管網(wǎng)，逐漸關(guān)閉各壓力等級蒸汽管網(wǎng)的放空閥門。利用蒸汽管網(wǎng)高壓蒸汽到中壓蒸汽減壓閥合成氣壓縮機(jī)，調(diào)整高壓蒸汽管網(wǎng)壓力，確保高壓蒸汽放空閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)低壓管網(wǎng)運行情況，利用低壓管網(wǎng)減壓閥調(diào)整低壓管網(wǎng)壓力，使低壓蒸汽放空閥門關(guān)閉。利用次中壓管網(wǎng)減壓閥門調(diào)整次中壓管網(wǎng)壓力，確保次中壓管網(wǎng)放空閥門關(guān)閉。確保中壓蒸汽用戶用汽量穩(wěn)定、高壓蒸汽壓力穩(wěn)定的情況下，進(jìn)行開工鍋爐負(fù)荷的微調(diào)，再利用加壓閥調(diào)整，關(guān)閉中壓蒸汽放空閥[6-7]。

2）優(yōu)化一、二段轉(zhuǎn)化爐運行，降低噸氨天然氣消耗。天然氣消耗是合成氨生產(chǎn)消耗主要指標(biāo)，一段轉(zhuǎn)化爐的天然氣燃料消耗占合成氨能耗的70%。優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)化工況，降低噸氨天然氣消耗在降成本裝置安全運行等方面起著舉足輕重的作用。提高裝置系統(tǒng)壓力，提高工藝余熱的利用，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個體積增大、吸熱反應(yīng)，低壓有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，但提高壓力有利于工藝余熱的利用。2022年制約生產(chǎn)的瓶頸設(shè)備更新改造后，為裝置系統(tǒng)壓力的提高創(chuàng)造了有利的條件，利用提高合成氣壓縮機(jī)入口壓力的方式來提高轉(zhuǎn)化壓力，同時分別提高原料氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來提高出口壓力穩(wěn)定裝置負(fù)荷，提高轉(zhuǎn)化工段汽包產(chǎn)汽量，降低開工鍋爐運行負(fù)荷，達(dá)到降低天然氣消耗的目的。轉(zhuǎn)化爐水碳比的高低也影響著燃料天然氣的消耗，優(yōu)化水碳比的調(diào)整，降低天然氣消耗，根據(jù)轉(zhuǎn)化工況的運行情況制定水碳比優(yōu)化調(diào)整統(tǒng)籌，逐漸將水碳比從3.5調(diào)整到3.1，降低一段爐燒嘴燃料天然氣量消耗[8-10]。

合成裝置二段爐是大型化肥裝置利用反應(yīng)余熱的關(guān)鍵設(shè)備，作用就是空氣和工藝氣中的氫氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量工二段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行CH4蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在二段轉(zhuǎn)化爐加入過量空氣，利用空氣來提高觸媒床層溫度，使二段爐出口CH4小于0.55%。通過控制一段爐出口溫度在770～785℃，出口CH4大于10%，降低一段爐熱負(fù)荷，將一部分一段轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到二段轉(zhuǎn)化爐中，降低噸氨天然氣燃料消耗，實現(xiàn)一段轉(zhuǎn)化爐的溫和操作。

在生產(chǎn)運行中，當(dāng)合成系統(tǒng)內(nèi)的氮氣超標(biāo)時，合成系統(tǒng)循環(huán)氣量增大，崗位人員就通過氫回收膜系統(tǒng)的旁路閥門增加弛放一部分弛放氣到一段轉(zhuǎn)化爐燃料氣系統(tǒng)，調(diào)整合成回路的氫氮比，使合成系統(tǒng)的反應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài)，這樣氫回收放出的弛放氣可以替代燃料天然氣，也是降低天然氣消耗措施。

3）優(yōu)化壓縮機(jī)運行，降低蒸汽消耗。CO2壓縮機(jī)是抽汽凝汽式壓縮機(jī)，可以通過增加抽汽和減少冷凝液的用量來調(diào)整壓縮機(jī)的功耗，工況好的情況下，增加抽汽，減少冷凝，有利于節(jié)能。同時壓縮機(jī)制造廠商，積極對壓縮機(jī)低壓缸裝置進(jìn)行節(jié)能型轉(zhuǎn)子的更換，解決了低壓缸能力不匹配的問題。重新進(jìn)行了壓縮機(jī)防喘振曲線的標(biāo)定，運行參數(shù)優(yōu)化，其運行性能曲線處在合理狀態(tài)。對壓縮機(jī)低壓缸入口管線進(jìn)行了柔性支撐，防止了產(chǎn)生共振造成防喘振系統(tǒng)不穩(wěn)定，機(jī)組防喘振閥門關(guān)閉，使得壓縮機(jī)的運行最經(jīng)濟(jì)。CO2壓縮機(jī)的用汽量及尿素裝置的用汽量降低，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4）優(yōu)化啟停泵，減少節(jié)電。在優(yōu)化蒸汽管網(wǎng)后，利用部分中壓蒸汽，積極將鍋爐給水泵蒸汽透平泵開起來，停止電泵為備用，另外將一段爐引風(fēng)機(jī)、冷氨泵等大型電動機(jī)改為變頻控制，既增加了運行的控制穩(wěn)定，也節(jié)省了裝置用電。

5）有效操作和回收，降低脫鹽水消耗。降低脫鹽水消耗，主要是在加強工藝?yán)淠?、蒸汽冷凝液電?dǎo)指標(biāo)的監(jiān)控，對合成工藝?yán)淠浩崴姆€(wěn)定操作，對汽提蒸汽的流量進(jìn)行了要求，使汽提塔工藝?yán)淠褐械陌焙痛碱愲s物充分汽提掉，是工藝?yán)淠弘妼?dǎo)指標(biāo)達(dá)到脫鹽水的要求，可以回收利用。

另外加強中壓蒸汽、低壓蒸汽冷凝液的回收，利用部分閑置設(shè)備完善原有的蒸汽冷凝液回收系統(tǒng)，通過有效冷凝分離，將現(xiàn)場大量的蒸汽冷凝液回收，效果比較好，通過這些措施基本解決了脫鹽水消耗高的問題。

5 結(jié)論

通過各種節(jié)能措施，國產(chǎn)大型化肥裝置的綜合能耗水平，部分指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，部分指標(biāo)逐漸向設(shè)計指標(biāo)靠近。

國產(chǎn)大型化肥裝置是中國石油寰球工程公司，按照國際先進(jìn)水平設(shè)計的化肥裝置，實現(xiàn)低成本，高負(fù)荷連續(xù)生產(chǎn)。通過裝置的技術(shù)改造和對工況的指標(biāo)的優(yōu)化，加強設(shè)備的維護(hù)，班組員工的基礎(chǔ)管理等措施，減少了非計劃停車。2022年寧夏石化公司國產(chǎn)大型化肥裝置綜合能耗，比上年有較大幅度的降低，提高了能源利用率，實現(xiàn)裝置安全、可靠、平穩(wěn)運行。