塔西南化肥廠合成氨裝置節(jié)能實(shí)踐探討

李進(jìn) （長(zhǎng)江大學(xué)研究生院，湖北 荊州434023；中石油塔里木油田分公司塔西南化肥廠，新疆 澤普844804）

塔西南化肥廠合成氨裝置是2001年建成，采用美國(guó)凱洛格MEAP低能耗工藝，年產(chǎn)合成氨20×104t，以天然氣為原料和燃料；主要耗能設(shè)備有一段爐、二段爐、輔鍋、快鍋和空壓機(jī)（101－JT）等4大蒸汽機(jī)組，其中爐子耗能量占全廠總能量的45.27%以上，4大機(jī)組主要以12.0MPa和4.2MPa蒸汽為動(dòng)力，通過(guò)做功一方面使工藝介質(zhì)得到輸送，另一方面使能量得到傳遞和轉(zhuǎn)化。氨作為重要化工原料，其合成原料中的烴類在催化劑的作用下，通過(guò)特定設(shè)備和一系列的化學(xué)、物理變化最終轉(zhuǎn)化成氨［1］。在上述過(guò)程中，既有化學(xué)能、電能、機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換，又涉及大量的熱能生成和利用，因此有必要進(jìn)行節(jié)能改造。下面，筆者對(duì)塔西南化肥廠節(jié)能實(shí)踐進(jìn)行了探討，以便為類似化工企業(yè)的節(jié)能改造提供參考。

1 合成氨裝置一段爐的節(jié)能措施

一段爐是塔西南化肥廠合成氨裝置中的典型結(jié)構(gòu)，燃料在一段爐爐膛內(nèi)燃燒后將產(chǎn)生4部分能量，對(duì)這4部分的能量進(jìn)行分析，以確定可行的節(jié)能方向。

1）一段爐工藝介質(zhì)獲得的化學(xué)能。原料氣在一段爐發(fā)生反應(yīng)后，生成了部分新的物質(zhì)，新的物質(zhì)總體上比原料的化學(xué)能高，一部分燃燒的熱能轉(zhuǎn)化為新物質(zhì)的化學(xué)能，這部分轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的熱能是由新、舊物質(zhì)之間的化學(xué)特性決定的，由于難以減少，因而無(wú)法實(shí)施節(jié)能措施。

2）一段爐工藝介質(zhì)獲得的熱能。原料氣在一段爐發(fā)生反應(yīng)后，整個(gè)工藝介質(zhì)同原料氣相比，溫度從常溫提至780℃（或者更高），且獲得了大量的熱能，并進(jìn)入溫度更高的二段爐。從能量守恒的層面上看，這部分因溫度升高獲得的熱能也不能（或沒有必要）減少，因?yàn)椴辉谝欢螤t內(nèi)獲得熱量，就必須在二段爐內(nèi)獲得熱量，因而無(wú)法實(shí)施節(jié)能措施。

3）燃燒煙氣帶去對(duì)流段的熱能。該部分熱能主要用于7組對(duì)流盤管（工藝氣、空氣、過(guò)熱蒸汽、原料氣、鍋爐給水、燃料氣、燃燒空氣）的加熱，但除了給這7組盤管加熱，最終排放時(shí)所剩余的熱能很大，因而應(yīng)優(yōu)先考慮其回收問題。

4）一段爐外壁散失的熱能。對(duì)一段爐輻射段和對(duì)流段的前端進(jìn)行溫度測(cè)量，局部有超過(guò)150℃，最高點(diǎn)有接近200℃，平均顯示在100℃左右（設(shè)計(jì)≤80℃）。如果將外壁溫度由100℃降到設(shè)計(jì)的80℃，將節(jié)省天然氣1000Nm3／d。從能量守恒的層面上看，散熱量比較可觀，其應(yīng)該被列入回收范圍。

綜上所述，一段爐的節(jié)能方向主要是盡量減小煙氣排放攜帶的熱量和外壁的散熱量。

在實(shí)際操作中，可以通過(guò)固定生產(chǎn)負(fù)荷，在保證燃燒充分的情況下盡量降低燃燒空氣量；增加回收余熱的設(shè)備（換熱器）降低排煙溫度大幅減小煙氣攜帶熱量；通過(guò)對(duì)輻射段、對(duì)流段的襯里進(jìn)行全部更換，且還需增加厚度；在外壁上增加水夾套進(jìn)行熱量回收大幅減少一段爐外壁散熱量。

2 合成氨裝置燃料氣系統(tǒng)的節(jié)能措施

因?yàn)閭鳠岬耐苿?dòng)力是溫差，當(dāng)熱能從高溫物體自發(fā)的傳向低溫物體時(shí)，如果溫差越大，不可逆程度也越大，雖然傳熱的速度快，但能量品質(zhì)降低的幅度大，由此導(dǎo)致能量損失增大［2－3］。塔西南化肥廠使用的燃料是天然氣，其主要成分是甲烷，冷態(tài)狀況下利用冷空氣作助燃劑，理論燃燒溫度可達(dá)到2030℃。為了避免傳熱溫差過(guò)大，以減小傳熱的不可逆程度，從而降低燃料氣消耗，在使用燃料氣時(shí)應(yīng)遵循如下原則：盡量首先在高端裝置部位使用燃料氣；如果高端裝置部位的溫度已經(jīng)達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求而低端裝置部位的溫度沒有達(dá)到工藝設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)首先考慮在低端裝置部位使用燃料氣。

合成氨裝置燃料氣系統(tǒng)點(diǎn)火工藝段結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。按照燃料氣使用原則，在實(shí)際生產(chǎn)采用如下能源分配方法：①向二段爐中配空氣（其實(shí)質(zhì)是燃燒能源）；②使用一段爐頂部燒嘴，直到一段爐爐管和工藝氣溫度達(dá)到或盡量接近設(shè)計(jì)值；③使用煙道燒嘴，直到一段爐前兩組盤管的工藝介質(zhì)溫度和煙道溫度達(dá)到或盡量接近設(shè)計(jì)值；④配合使用輔鍋和過(guò)熱器的燒嘴，在保證過(guò)熱器煙道和輔鍋煙道不超溫的情況下，盡量增加高壓蒸汽數(shù)量及溫度、壓力；⑤盡量減少快鍋的燃燒氣用量和產(chǎn)蒸汽量。

圖1 合成氨裝置燃料氣系統(tǒng)點(diǎn)火工藝段結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)際應(yīng)用效果

以2008年9月1日至2008年10月3日的生產(chǎn)實(shí)踐為例，在此期間實(shí)施步驟分為3個(gè)階段：第1階段（9月1日～9月11日），更換完一段爐管后操作規(guī)程為床層溫度776～778℃、二段爐溫度940～945℃。第2階段（9月12日～9月21日），一段爐床層的溫度不變，將二段爐空氣用量由29.2～29.5t／h調(diào)整到為30～30.4t／h，二段爐溫度上升到958～963℃，出口CH4含量由0.45%～0.50%下降到0.40%。第3階段（9月22日～10月3日），將一段爐床層的溫度由776～778℃提升至790℃，二段爐的空氣量和溫度控制與第2階段相同。措施實(shí)施結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，按上述節(jié)能措施調(diào)整一、二段爐的工藝參數(shù)后，原料氣尿素單耗逐步下降，第3階段比第1階段平均降低了18.11Nm3／t尿素，按日產(chǎn)1048t尿素計(jì)算，將節(jié)約天然氣18979Nm3／d。同等負(fù)荷下，尿素產(chǎn)量平均增加至少10t／d，扣除成本費(fèi)用后，一天將增加0.4萬(wàn)元利潤(rùn)，一年則增加120萬(wàn)元的利潤(rùn)。另外，由于增加了余熱回收和自產(chǎn)高壓蒸汽的數(shù)量，用水量由原來(lái)的65～67t／h增加到67～70t／h，降低了輔鍋和過(guò)熱器的負(fù)荷，使輔鍋和過(guò)熱器的運(yùn)行始終處于安全狀態(tài)。

圖2 2008年9～10月份原料氣噸尿素變化趨勢(shì)圖

圖3 2008年9～10月份尿素日產(chǎn)變化趨勢(shì)圖

［1］ 沈俊，朱世勇，馮孝庭 .合成氨 ［M］.北京：化肥工業(yè)出版社，2001.

［2］ 于遵宏，朱炳辰，沈才大，等 .大型合成氨廠工藝過(guò)程分析 ［M］.北京：中國(guó)石化出版社，1993.

［3］ 沈維道，蔣智敏，童鈞耕，等 .工程熱力學(xué) ［M］.北京：高等教育出版社，2005.