甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的優(yōu)化改進(jìn)

劉　珍，年里珂，文　濤，張衛(wèi)兵（河南能源化工集團(tuán)煤氣化公司義馬氣化廠，河南義馬　472300）

甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的優(yōu)化改進(jìn)

劉珍，年里珂，文濤，張衛(wèi)兵
（河南能源化工集團(tuán)煤氣化公司義馬氣化廠，河南義馬472300）

摘要：針對(duì)甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置在試車及正常生產(chǎn)中所暴露出的問(wèn)題，制定相關(guān)的優(yōu)化改進(jìn)措施，有效地提高了裝置的運(yùn)行效率，降低了生產(chǎn)成本，保障裝置經(jīng)濟(jì)、有效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：甲醇弛放氣；合成氨；改進(jìn)；優(yōu)化

目前合成氨生產(chǎn)的主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤等，其工藝技術(shù)成熟、可靠，而利用甲醇弛放氣合成氨則為合成氨生產(chǎn)的較新原料路線。義馬氣化廠12萬(wàn)t/a甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置利用甲醇合成過(guò)程中產(chǎn)生的弛放氣以及空分系統(tǒng)的中壓氮?dú)鉃樵仙a(chǎn)液氨。采用膜分離聯(lián)合變壓吸附提氫工藝，用低壓法氨合成工藝技術(shù)生產(chǎn)液氨。裝置在試車及正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中暴露出很多問(wèn)題，不利于裝置平穩(wěn)、高效的運(yùn)行，為此對(duì)裝置進(jìn)行一系列的優(yōu)化改進(jìn)。

1　裝置的工藝流程

甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置主要包含的工序有：甲醇弛放氣膜分離+變壓吸附提氫、合成氣壓縮、原料氣精制、氨合成、冷凍、液氨儲(chǔ)藏，以下針對(duì)各工序工藝流程進(jìn)行簡(jiǎn)介。甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1　甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置流程簡(jiǎn)圖

1.1膜分離+變壓吸附提氫系統(tǒng)

4.65 MPa的甲醇弛放氣進(jìn)入膜分離裝置，經(jīng)過(guò)洗醇、氣液分離、加熱進(jìn)入膜分離器，分離出的非滲透氣送入前系統(tǒng)回收利用，在滲透?jìng)?cè)得到的富氫氣直接送入變壓吸附裝置。

膜分離的滲透氣進(jìn)入變壓吸附原料氣冷卻器進(jìn)行降溫后，進(jìn)入變壓吸附塔，采用10臺(tái)吸附塔，其中2臺(tái)吸附塔處于吸附狀態(tài)，進(jìn)行5次均壓，連續(xù)沖洗工藝流程，實(shí)現(xiàn)深度提氫過(guò)程，吸附塔上部得到純度H2≥99.9%、CO+CO2≤10×10-6產(chǎn)品氫氣送往合成氣壓縮工段，下部得到的解吸氣經(jīng)回收氣壓縮機(jī)壓縮后返回甲醇合成裝置。

1.2合成氣壓縮系統(tǒng)

來(lái)自變壓吸附的2.2 MPa產(chǎn)品氫氣與空分裝置的2.2 MPa中壓氮?dú)饨?jīng)過(guò)氫氮比調(diào)節(jié)裝置進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)，新鮮氣經(jīng)過(guò)低壓缸Ⅰ段、Ⅱ段及高壓缸Ⅲ段壓縮送入氨合成工序的二級(jí)氨分離器前，與循環(huán)氣進(jìn)行混合后，再進(jìn)入高壓缸循環(huán)段，增壓至11.4 MPa后送入氨合成塔。

1.3原料氣精制系統(tǒng)

原料氣精制工序串在合成氣壓縮機(jī)低壓缸Ⅰ段出口與Ⅱ段進(jìn)口之間，低壓缸Ⅰ段出口的新鮮氣進(jìn)入精制工序，經(jīng)過(guò)加熱、甲烷化反應(yīng)、降溫、氣水分離進(jìn)入低壓缸Ⅱ段進(jìn)口，主要用于脫除新鮮氣中CO、CO2、O2，保護(hù)氨合成催化劑。

1.4氨合成系統(tǒng)

氫氮?dú)獍幢壤旌虾蟮玫降男迈r氣經(jīng)合成氣壓縮機(jī)壓縮至11.4 MPa后進(jìn)入氨合成系統(tǒng)。

氨合成系統(tǒng)采用DN200三段絕熱型合成塔，操作壓力約11.4 MPa。合成塔塔底不設(shè)換熱器，反應(yīng)后的高溫氣體（430℃）離開合成塔直接進(jìn)入（直連式）廢熱鍋爐，副產(chǎn)2.8 MPa飽和蒸汽。出塔熱氣在熱交換器與進(jìn)合成塔冷氣換熱后降溫至60℃，再采用循環(huán)水冷降溫至35℃，經(jīng)過(guò)一級(jí)氨分離器后，再采用兩級(jí)氨冷：一級(jí)氨冷降溫至-5℃，二級(jí)氨冷降溫至-14℃，與新鮮氣混合后進(jìn)入二級(jí)氨分離器，分離后的液氨進(jìn)入閃蒸槽閃蒸后送往液氨儲(chǔ)罐。

1.5冷凍系統(tǒng)

冷凍工序采用液氨蒸發(fā)帶走氨合成循環(huán)氣熱量的辦法使循環(huán)氣中的氣氨液化分離，從而得到液氨產(chǎn)品。本工序共有兩臺(tái)螺桿冰機(jī)。

一級(jí)冰機(jī)將來(lái)自合成工序一級(jí)氨冷器、新鮮氣氨冷器的氣氨，加壓至1.6 MPa，經(jīng)過(guò)循環(huán)水冷卻為液氨，進(jìn)入貯氨器儲(chǔ)存。貯氨器內(nèi)的液氨再送往合成工序一級(jí)氨冷器、新鮮氣氨冷器蒸發(fā)制冷，變?yōu)闅獍边M(jìn)行循環(huán)使用。

二級(jí)冰機(jī)將來(lái)自合成工序二級(jí)氨冷器的氣氨，加壓至1.6 MPa，經(jīng)過(guò)循環(huán)水冷卻為液氨，進(jìn)入貯氨器儲(chǔ)存。貯氨器內(nèi)的液氨再送往合成工序二級(jí)氨冷器蒸發(fā)制冷，變?yōu)闅獍边M(jìn)行循環(huán)使用。

1.6液氨儲(chǔ)藏

本裝置共有兩臺(tái)液氨球罐，每臺(tái)的儲(chǔ)藏能力為1 000 m3。由合成工序來(lái)的液氨進(jìn)入液氨球形儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存，操作壓力為1.2 MPa，儲(chǔ)罐內(nèi)液氨主要用于外售。

2　裝置的優(yōu)化改進(jìn)

2.1變壓吸附入口增加分離器改進(jìn)

變壓吸附的原料氣來(lái)自膜分離裝置的滲透氣，由于經(jīng)過(guò)膜分離的高壓水洗塔洗醇，導(dǎo)致滲透氣挾帶部分飽和水蒸氣，在進(jìn)入變壓吸附裝置經(jīng)原料氣冷卻器冷卻后有部分水析出，造成變壓吸附原料氣管線帶液，影響吸附劑使用壽命及產(chǎn)品質(zhì)量，而且造成后續(xù)回收解吸氣壓縮機(jī)嚴(yán)重帶液，檢修頻率高，影響整體裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

故在變壓吸附原料氣冷卻器后增加氣水分離裝置。改造后，變壓吸附原料氣實(shí)現(xiàn)了氣液分離效果，大大減少進(jìn)入變壓吸附塔及回收氣壓縮機(jī)的帶液，避免對(duì)后續(xù)裝置穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。變壓吸附的吸附劑得到有效保護(hù)，延長(zhǎng)使用時(shí)間約1年；減少了回收氣壓縮機(jī)各級(jí)分離器排液的頻率，降低崗位勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省崗位人員約2人；降低了回收氣壓縮機(jī)因帶液造成的故障頻率，單臺(tái)壓縮機(jī)每年檢修頻率減少約5次，節(jié)約備件費(fèi)用約8萬(wàn)元；同時(shí)分離后的液體送入含醇水管線回收利用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

2.2變壓吸附解吸氣增加緩存能力改進(jìn)

由于變壓吸附裝置特點(diǎn)（變壓吸附裝置解吸氣是由吸附塔再生時(shí)逆放及沖洗過(guò)程產(chǎn)生的，逆放前期壓力較高，逆放后期壓力較低，而且沖洗過(guò)程間歇的）及兩臺(tái)回收解吸氣壓縮機(jī)有限打氣量的制約，造成解吸氣壓力、氣量頻繁波動(dòng)，導(dǎo)致解吸氣頻繁間歇放空，裝置煤氣利用率低，造成能源浪費(fèi)。故在原有兩臺(tái)解吸氣緩沖罐的條件下再增加兩臺(tái)緩沖罐。

改造后，有效地降低了變壓吸附解吸氣的放空次數(shù)；改造前，每日放空次數(shù)300次左右；改造后，放空次數(shù)降至每日100次左右，按照每次放空20 m3計(jì)算，每日減少4 000 m3解吸氣，全年節(jié)約150萬(wàn)元，提高裝置煤氣利用率0.15%，減少能源浪費(fèi)。

2.3合成氣壓縮機(jī)氫氮比調(diào)節(jié)改進(jìn)

氨合成裝置采用離心機(jī)組，對(duì)吸入組分氫氮比要求較高且穩(wěn)定，與其配套的提氫裝置采用PSAH2工藝，存在產(chǎn)品氫氣壓力、流量有頻率性波動(dòng)的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致氨合成壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，時(shí)有喘振發(fā)生，限制合成裝置所需氫氮比的調(diào)整，對(duì)氨合成裝置的升溫還原特別是正常安全生產(chǎn)有較大影響。

故在合成氣壓縮機(jī)氫氣進(jìn)口閥前管線增加一臺(tái)DN150、300LB壓力調(diào)節(jié)閥；將原設(shè)計(jì)的中壓氮?dú)庹{(diào)節(jié)閥組尺寸由DN150改為DN100，來(lái)保證氨合成壓縮機(jī)進(jìn)口氮?dú)鈮毫?、流量穩(wěn)定。改造后壓縮機(jī)進(jìn)口氫氮?dú)鈮毫?、流量穩(wěn)定，氫氮比調(diào)節(jié)準(zhǔn)確穩(wěn)定，合成氣壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，合成氨單耗大大下降，噸氨耗高壓蒸汽由改造前3.4 t降到改造后2.5 t，噸氨耗氫氣由改造前2 290 Nm3降低到改造后1 950 Nm3，實(shí)現(xiàn)了裝置安全平穩(wěn)節(jié)能生產(chǎn)。

2.4合成氣壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)改進(jìn)

氨合成機(jī)組采用干氣密封系統(tǒng)，運(yùn)行期間密封氣源為循環(huán)氣出口工藝氣。但因循環(huán)氣中含有5%左右的氣氨組分，含有氣氨組分的工藝密封氣通過(guò)機(jī)組一級(jí)密封系統(tǒng)進(jìn)入新鮮氣低壓缸中，從而進(jìn)入新鮮氣精制系統(tǒng)，造成精制系統(tǒng)新鮮氣含有2%左右的氣氨，對(duì)精制催化劑有毒害作用（催化劑允許最大耐受量不超過(guò)200×10-6），長(zhǎng)期運(yùn)行將導(dǎo)致催化劑中毒，中毒后進(jìn)入氨合成裝置的氧化物指標(biāo)不能保證，最終將導(dǎo)致氨合成催化劑的性能受到嚴(yán)重影響；由于新鮮氣中有氣氨成分的存在，將導(dǎo)致氨合成塔入口的氨含量上升，氨凈值下降，能耗增加；精制系統(tǒng)由于有氣氨成分的存在，導(dǎo)致在線分析儀器顯示異常，同時(shí)造成手動(dòng)分析儀器故障；故將低壓缸一級(jí)密封氣源與原循環(huán)氣出口工藝氣斷開，從新鮮氣低壓缸Ⅱ段壓縮出口引出一股氣源（不含氣氨成分），增設(shè)一套密封氣源穩(wěn)壓、自動(dòng)增壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與目前ITCC控制系統(tǒng)共享功能，作為低壓缸一級(jí)密封氣的氣源。實(shí)現(xiàn)氨合成機(jī)組新鮮氣Ⅰ段、Ⅱ段壓縮（低壓缸）和新鮮氣Ⅲ段、循環(huán)段壓縮（高壓缸）密封氣的單獨(dú)控制和徹底分離，徹底消除精制系統(tǒng)催化劑接觸到氣氨的可能性。保護(hù)了精制催化劑，進(jìn)而延長(zhǎng)了氨合成催化劑的使用壽命，降低了氨合成系統(tǒng)的能耗。

2.5隔離精制系統(tǒng)優(yōu)化操作

在甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置中，原料氣精制工段串在合成氣壓縮機(jī)低壓缸Ⅰ段出口與Ⅱ段進(jìn)口之間。在合成氣壓縮機(jī)原始試車過(guò)程中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)隔離精制系統(tǒng)進(jìn)行單體試車；而且考慮到合成新鮮氣中氧化物含量超標(biāo)時(shí)，無(wú)法緊急切斷精制氣源，實(shí)現(xiàn)對(duì)精制催化劑的保護(hù)。故為精制系統(tǒng)增加旁路切斷閥，當(dāng)裝置出現(xiàn)異常情況時(shí)能夠快速隔離精制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)精制催化劑的保護(hù)。合成氣壓縮機(jī)大修后單體試車，實(shí)現(xiàn)精制系統(tǒng)隔離走旁路情況下，而且不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

2.6一、二級(jí)冰機(jī)進(jìn)口增加連通閥

由于氨合成工況受前系統(tǒng)影響，長(zhǎng)期處于低負(fù)荷狀態(tài)，一臺(tái)冰機(jī)運(yùn)行即可滿足氨合成所需冷量，但由于氨合成一級(jí)、二級(jí)冰機(jī)設(shè)計(jì)為單回路控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一臺(tái)冰機(jī)同時(shí)為一、二級(jí)氨冷器提供冷量，造成兩臺(tái)冰機(jī)必須同時(shí)運(yùn)行并處于低負(fù)荷狀態(tài)，裝置運(yùn)行能耗增加，生產(chǎn)成本高。

故在氨合成一級(jí)、二級(jí)氨冷器出口氣氨管線增加聯(lián)通閥，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)冰機(jī)同時(shí)供應(yīng)一、二級(jí)氨冷器所需冷量。改造后，二級(jí)冰機(jī)同時(shí)為一、二級(jí)氨冷器所需冷量，一級(jí)冰機(jī)處于備用狀態(tài)；一級(jí)冰機(jī)電機(jī)功率為560 kW，裝置按照全年運(yùn)行8 000 h，全年可節(jié)約能耗約160萬(wàn)元，有效降低氨合成裝置生產(chǎn)成本。

3　總結(jié)

通過(guò)對(duì)甲醇弛放氣聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的優(yōu)化及改進(jìn)，對(duì)某些生產(chǎn)中遇到的不合理問(wèn)題加以解決，保障裝置的經(jīng)濟(jì)、有效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)還可以降低生產(chǎn)成本，提高資源的有效利用率，也減少了生產(chǎn)過(guò)程中的不安全因素，取得了極好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。但是在合成氨生產(chǎn)中，仍然有許多優(yōu)化改進(jìn)措施需要工藝人員不斷深入探索。

中圖分類號(hào)：TQ050.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1003-3467（2016）03-0041-03

收稿日期：2016-01-21

作者簡(jiǎn)介：劉珍（1986-），女，工程師，從事化工生產(chǎn)管理工作，電話：13419831125。