海南合成氨生產(chǎn)設(shè)備的低碳改造分析

熊凱+史留勇++張燕

摘 要 針對(duì)海南省合成氨設(shè)備存在的高能耗、高排放問(wèn)題，提出采用節(jié)能減排措施，對(duì)轉(zhuǎn)化爐、催化劑、壓縮機(jī)等進(jìn)行技術(shù)改造，具體內(nèi)容包括：采用雙一段轉(zhuǎn)化爐、使用高效催化劑代替原有催化劑、采用新型壓縮機(jī)等。低碳改造前后能耗對(duì)比分析表明，合成氨設(shè)備的低碳技術(shù)改造具有較強(qiáng)的可行性。

關(guān)鍵詞 合成氨設(shè)備 ；節(jié)能減排 ；低碳改造 ；可行性

中圖分類號(hào) TQ113.5

Low Carbon Transformation about the Device

of Synthetic Ammonia in Hainan Province

XIONG Kai SHI Liuyong ZHANG Yan

（Mechanical and Electrical Engineering College，Hainan University，Haikou，Hainan 570228）

Abstract To solve the problem of high energy consumption and high emission of the devices of synthetic ammonia in Hainan，An energy-saving and emission reduction technology is proposed to reform the transforming furnace，catalyst and compressor. Specific contents include：adopting dual reformer，using efficient catalyst to replace the original catalyst and adopting the new compressor. The comparative analysis of energy consumption before and after low carbon transformation indicates that，low carbon transformation of the device of synthetic ammonia has a strong feasibility in technological innovation.

Key words device of synthetic ammonia ；energy-saving and emission reduction ；low carbon transformation ；feasibility

合成氨工業(yè)是世界上高耗能、高排放產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上大約有10 %的能源用于生產(chǎn)合成氨。海南省合成氨工業(yè)是以天然氣為原料進(jìn)行生產(chǎn)，年產(chǎn)氨量大約為75萬(wàn)t，總耗能2 452.5萬(wàn)GJ，折合標(biāo)煤83 677.5萬(wàn)kg，相當(dāng)于每年排放二氧化碳6 383萬(wàn)t[1-2]。國(guó)家“十二五”節(jié)能減排指標(biāo)任務(wù)中，明確規(guī)定到2015年，全國(guó)萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降16 %；根據(jù)國(guó)家要求，海南省提出了減排目標(biāo)，到2015年，全省萬(wàn)元國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到0.727 t標(biāo)準(zhǔn)煤。氨合成工業(yè)要實(shí)現(xiàn)減排任務(wù)，就必須依靠科技進(jìn)步，通過(guò)先進(jìn)的設(shè)備或節(jié)能減排技術(shù)來(lái)降低生產(chǎn)能耗，以滿足國(guó)家對(duì)氨工業(yè)能耗的要求。本文針對(duì)海南合成氨裝置，就如何采用低碳改造技術(shù)，以期為提高設(shè)備的使用性能、減少能源損耗、降低碳排放，提供理論參考。

1 海南合成氨生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 海南合成氨生產(chǎn)現(xiàn)狀

海南省受地理因素影響，其合成氨工業(yè)起步較晚，近年在國(guó)家大力支持下，省內(nèi)有2家大型合成氨企業(yè)，下文分別簡(jiǎn)稱“一期”和“二期”。兩家合成氨工藝都是以天然氣為原料，其中一期引用ICI-AMV工藝，二期采用美國(guó)KBR公司的KBR工藝。一期合成氨裝置設(shè)計(jì)年產(chǎn)合成氨30萬(wàn)t，于1996年10月28日建成投產(chǎn)，平均年產(chǎn)量超過(guò)30萬(wàn)t，其中2006年產(chǎn)量最高達(dá)34.7萬(wàn)t[3-4]。二期的KBR工藝合成氨年產(chǎn)量為45萬(wàn)t。

1.2 海南合成氨工藝流程

以天然氣為原料制氨的大致工藝流程為：（1）天然氣先經(jīng)脫硫，然后通過(guò)二次轉(zhuǎn)化；（2）經(jīng)一氧化碳變換；（3）二氧化碳脫除等工藝；（4）得到的氫氮混合氣（其中尚含有一氧化碳和二氧化碳）經(jīng)甲烷化作用出去一氧化碳、二氧化碳等氣體，制得氫氮摩爾比為3的純凈氣；（5）經(jīng)壓縮機(jī)壓縮而進(jìn)入氨合成回路，制得產(chǎn)品氨。

1.3 海南合成氨生產(chǎn)設(shè)備存在的問(wèn)題

1.3.1 合成氨設(shè)備問(wèn)題

ICI-AMV及KBR工藝是世界上先進(jìn)的合成氨工藝之一，具有一定的節(jié)能降耗措施，應(yīng)用非常廣泛。但在實(shí)際生產(chǎn)中卻存在一些問(wèn)題：一期ICI-AMV工藝中氨合成催化劑長(zhǎng)期使用，活性大大降低，導(dǎo)致能耗增多；二期KBR工藝?yán)鋬鱿到y(tǒng)氨冷凍升壓機(jī) （105-J1）能耗高，且存在能源浪費(fèi)。

1.3.2 ICI-AMV催化劑問(wèn)題

一期ICI-AMV工藝使用ICI74-1型低壓氨合成催化劑，在高負(fù)荷運(yùn)行16 a之后，超過(guò)其使用年限，活性下降，使噸氨能耗升高。ICI-AMV投產(chǎn)性能考核時(shí)27.8 %，到2012年合成效率降至23.2 %，運(yùn)行14 a中平均每年下降0.33 %，在裝置負(fù)荷等條件相同情況下，合成效率每下降1 %，合成系統(tǒng)就有1 %循環(huán)氣參加無(wú)用循環(huán)，增加了壓縮機(jī)功耗[3]。

1.3.3 KBR冷凍系統(tǒng)問(wèn)題

二期KBR工藝的冷凍系統(tǒng)使用105-J1型氨冷凍升壓機(jī)，該機(jī)能耗高，而且正常工作當(dāng)中存在能源浪費(fèi)。105-J1為一電機(jī)帶動(dòng)的壓縮機(jī)，其抽取氣氨的量由出口回流閥來(lái)調(diào)節(jié)，即105-J1進(jìn)口氣氨量固定，靠調(diào)節(jié)出口返回氣氨量的多少來(lái)調(diào)節(jié)蒸發(fā)量。如果不需要冷量，則105-J1抽走的氣氨全部由出口返回閥返回到入口。因此無(wú)論什么情況，105-J1的電機(jī)負(fù)荷基本不變，浪費(fèi)了大量電能，增加了噸氨能耗[4]。近年來(lái)，合成氨裝置噸氨能耗具有逐年增加的跡象。

2 海南合成氨生產(chǎn)設(shè)備低碳改造措施

分析可知，合成氨生產(chǎn)過(guò)程碳排放量是間接碳排放量與直接排放量之和。而間接碳排量與壓縮機(jī)等電機(jī)設(shè)備的能耗有關(guān)，壓縮機(jī)能耗越高，間接碳排放量越多；直接碳排放量與天然氣原料與燃料消耗密切相關(guān)，其中又以燃料天然氣消耗影響最大，燃料天然氣消耗越大，二氧化碳直接排放量增加。為了達(dá)到低碳排放、節(jié)能降耗的目的，著手于減少燃料天然氣的消耗、電機(jī)設(shè)備的能耗。合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，燃料消耗主要發(fā)生在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)，燃料消耗產(chǎn)生的能量一部分供給轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需熱量；另外一部分用以生產(chǎn)高壓蒸汽以提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，這部分能量消耗在克服流體流動(dòng)阻力，尤其是化學(xué)反應(yīng)能壘上。通過(guò)分析合成氨生產(chǎn)過(guò)程的能耗方向，提出對(duì)轉(zhuǎn)化爐、催化劑、壓縮機(jī)低碳改造辦法，以達(dá)到節(jié)能降耗、低碳排放目的。

2.1 轉(zhuǎn)化爐改造

天然氣雙一段爐轉(zhuǎn)化工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。由圖1可知，外熱式和換熱式轉(zhuǎn)化爐聯(lián)合使用，即采用外熱式一段轉(zhuǎn)化爐和換熱式一段轉(zhuǎn)化爐并聯(lián)再串聯(lián)二段轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化工藝（簡(jiǎn)稱雙一段爐轉(zhuǎn)化），在保證甲烷深度轉(zhuǎn)化指標(biāo)的前提下，通過(guò)一段爐負(fù)荷分配和甲烷轉(zhuǎn)化程度的優(yōu)化，達(dá)到燃料天然氣消耗最少的目的[5-6]。

雙一段爐轉(zhuǎn)化具有富余二段轉(zhuǎn)化爐高溫?zé)嵩刺攸c(diǎn)，采用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，一部分天然氣在換熱式轉(zhuǎn)化爐內(nèi)轉(zhuǎn)化，其熱源由二段高溫出口氣的富余熱源提供，省去了傳統(tǒng)工藝的天然氣燃燒反應(yīng)。內(nèi)陸某企業(yè)率先運(yùn)用該技術(shù)對(duì)合成氨設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，在原外熱式一段爐外并聯(lián)了換熱式轉(zhuǎn)化爐，利用二段爐出口高溫?zé)嵩刺峁┙o換熱式轉(zhuǎn)化爐，取代傳統(tǒng)二段爐出口高溫氣體經(jīng)鍋爐產(chǎn)生蒸汽的工藝流程。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，改造后設(shè)備運(yùn)行情況良好，達(dá)到預(yù)期效果。

轉(zhuǎn)化爐經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后，噸氨節(jié)省燃料天然氣200 m3，節(jié)約用電20 kWh，噸氨減少能耗折合標(biāo)煤260.4 kg，相當(dāng)于減少二氧化碳排放量649.2 kg。可見(jiàn)，改造設(shè)備后，節(jié)能減排效益顯著，可使得海南合成氨工業(yè)符合國(guó)家環(huán)保發(fā)展的要求，同時(shí)也說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)改造具有一定的可行性。

2.2 催化劑改造

低溫低壓的ZA-5型Fe1-x0基催化劑[7-8]的開(kāi)發(fā)成功首次改變了Fe3O4基的傳統(tǒng)觀念，把鐵系催化劑提高至一個(gè)新水平。與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的同類催化劑相比，F(xiàn)e1-x0基催化劑活性溫度降低了15-20 ℃，生產(chǎn)能力提高了10 %-20 %，特別適用于低壓氨合成。

采用這種新型高效催化劑，代替一期ICI-AMV合成氨裝置的ICI-71型催化劑，可降低催化劑活性低引起冰機(jī)、合成氣蒸汽輪機(jī)的增加功率。高效催化劑活性相對(duì)ICI-71型提高4 %，則可減少高壓蒸汽耗量7 523 kg，節(jié)約天然氣692.1 kg，節(jié)省標(biāo)煤890 kg，降低二氧化碳排放2 218.9 kg。

采用高效的ZA-5型Fe1-x0催化劑，可以將壓力從30 MPa降低到15 MPa或10 MPa，則總動(dòng)力消耗可以分別降低3 529.9 kW和5 236.4 kW，節(jié)能效率分別達(dá)到12.3 %和18.3 %。

2.3 壓縮機(jī)改造

目前，氨的分離采用壓縮制冷技術(shù)，而壓縮機(jī)是種典型的高能耗設(shè)備。如果將動(dòng)力設(shè)備采用汽動(dòng)壓縮機(jī)代替電動(dòng)壓縮機(jī)，則從燃煤起算，汽動(dòng)方案總熱效率比電動(dòng)方案約高2倍。

在KBR工藝?yán)鋬鱿到y(tǒng)運(yùn)用低碳改造技術(shù)，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，選擇一種對(duì)氨具有高吸收能力和選擇性且對(duì)催化劑無(wú)害的吸收劑，實(shí)現(xiàn)氨的吸收分離，省去制冷壓縮機(jī)，則可以大大提高生產(chǎn)效率、降低能耗。如果該技術(shù)運(yùn)行成功，則冷凍系統(tǒng)部分每年可節(jié)省高壓蒸汽6.539×107 kg，減少天然氣消耗6.016×106 kg，節(jié)約標(biāo)煤7.737×106 kg，降低二氧化碳排放19.288×106 kg。

3 結(jié)語(yǔ)

從上述低碳改造可行性分析知，利用節(jié)能降耗、低碳改造的新技術(shù)、新方法改造合成氨裝置的轉(zhuǎn)化爐、催化劑以及壓縮機(jī)，從根源上減少氨工業(yè)能耗，有效降低二氧化碳的排放。對(duì)于合成氨設(shè)備進(jìn)行低碳改造及其可行性分析，對(duì)于合成氨工業(yè)的節(jié)能減排具有重要的指導(dǎo)意義。

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