煤氣化合成氨裝置蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化探討

呂小敏

（中國(guó)石化巴陵分公司煤化工事業(yè)部，湖南岳陽(yáng) 414003）

某煤氣化合成氨裝置引進(jìn)美國(guó)技術(shù)，以石腦油為原料生產(chǎn)合成氨，1979年建成投產(chǎn)。2003年進(jìn)行“煤代油”項(xiàng)目改造，以煤為原料，生產(chǎn)粗煤氣，經(jīng)一氧化碳變換、酸性氣體脫除、甲烷化成為合成氣，在合成塔中完成氨合成反應(yīng)，設(shè)計(jì)粗煤氣產(chǎn)量為10億m3/a，氨產(chǎn)量為43萬(wàn)t/a。裝置2006年投產(chǎn)運(yùn)行至今情況良好，但也發(fā)現(xiàn)一些設(shè)備和工藝限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和投資等原因，存在較大可優(yōu)化空間，特別是在蒸汽利用方面。

1 蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

煤氣化合成氨裝置不同品質(zhì)蒸汽種類(lèi)多，用量大，自產(chǎn)蒸汽量較大但品質(zhì)較低。蒸汽平衡見(jiàn)圖1，具體蒸汽使用情況見(jiàn)表1。由圖1和表1可知，高中壓蒸汽用量大，主要用于驅(qū)動(dòng)透平做功和參與一氧化碳變換反應(yīng)。中壓蒸汽來(lái)源較多，品質(zhì)差別較大，存在較大優(yōu)化空間。

2 優(yōu)化方案分析

2.1 提高高中壓蒸汽品質(zhì)

由表1可知，進(jìn)入凝汽式透平表面冷卻器的蒸汽焓值為2 597.24 kJ/kg，而電廠中壓蒸汽焓值約3 272.11 kJ/kg，焓降為674.87 kJ/kg（即為中壓蒸汽驅(qū)動(dòng)透平做功的能力）。如果中壓蒸汽溫度能夠提高1℃，中壓蒸汽焓值約增加2.35 kJ/kg，能源消耗增加0.072%，增加極小，而做功能力增加0.35%。煤氣化裝置驅(qū)動(dòng)透平做功的中壓蒸汽總用量約300 t/h，中壓蒸汽溫度提升1℃，可節(jié)約中壓蒸汽約1 t/h。由此可見(jiàn)，盡可能提高驅(qū)動(dòng)透平做功的高中壓蒸汽溫度，可以節(jié)約中壓蒸汽。

1）中壓蒸汽溫度低。電廠中壓蒸汽出廠溫度430℃，進(jìn)合成氨裝置該蒸汽（流量50～70 t/h）溫度僅400℃，相差30℃，主要原因是尿素裝置生產(chǎn)期間，中壓蒸汽流量120 t/h以上，為防止超溫，電廠采用了減溫設(shè)計(jì)。因此，若將電廠一側(cè)管線溫度盡可能控制在耐溫設(shè)計(jì)值（425℃），則合成氨裝置側(cè)溫度可穩(wěn)定在419℃左右（實(shí)際效果也如此），理論上可節(jié)約中壓蒸汽3 t/h以上。

圖1 煤氣化合成氨裝置蒸汽平衡

表1 煤氣化合成氨裝置蒸汽使用情況

透平103 JBT、105 JT因?yàn)樵O(shè)備材質(zhì)的限制，使用中壓蒸汽壓力為4.1 MPa，溫度為365℃，由426℃中壓蒸汽加減溫水降溫使用，做功能力降低了21%左右，因此，若采用耐高溫設(shè)備對(duì)透平和中壓蒸汽管道材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)改造，預(yù)計(jì)可節(jié)約中壓蒸汽10 t/h。按目前中壓蒸汽價(jià)格140元/t計(jì)算，效益約1 000萬(wàn)元以上，但改造成本較大，收回成本需5年左右。

2）中壓蒸汽管線長(zhǎng)、保溫效果差。裝置從電廠引入的高、中壓蒸汽管線長(zhǎng)約1.5 km，通過(guò)檢測(cè)保溫材料表面溫度，發(fā)現(xiàn)多段管線表面溫度在50℃以上，保溫效果較差，熱量損失較大。因此，需確保高、中壓蒸汽管線保溫材質(zhì)的保溫效果，并定期檢查可減少蒸汽熱量損失，節(jié)約蒸汽用量。

2.2 提高表面冷卻器真空度

從表1可知，蒸汽驅(qū)動(dòng)透平做功后進(jìn)入表面冷卻器的絕對(duì)壓力和溫度平均約為0.011 MPa、53℃，若能使壓力和溫度分別降低至0.008 MPa、48℃，則排汽焓值由2 597.24 kJ/kg降低至2 588.4 kJ/kg，降低8.84 kJ/kg，蒸汽做功能力增加8.84 kJ/kg，以中壓蒸汽驅(qū)動(dòng)透平做功為例，則中壓蒸汽做功能力提高1.3%。確保表面冷卻器系統(tǒng)嚴(yán)密性，定期對(duì)表面冷卻器進(jìn)行清洗，提高換熱效率，降低循環(huán)冷卻水溫度，能有效改善真空度。

2.3 降低加熱用蒸汽壓力

混合式加熱和間接式加熱是目前蒸汽加熱的兩種主要形式。裝置除氧器主要采用混合式加熱，在滿(mǎn)足加熱溫度要求的情況下，盡可能使用低品質(zhì)蒸汽。如一氧化碳變換單元余熱蒸汽和透平的乏汽品質(zhì)都很低，只適合用于加熱。

間接式加熱用的蒸汽在冷凝后通過(guò)疏水器排出，冷凝溫度為對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度。以1.1 MPa低壓蒸汽間接式加熱來(lái)分析蒸汽減壓使用的效益，1.1 MPa對(duì)應(yīng)的飽和水溫度為188℃，焓值為798.64 kJ/kg，則加熱的焓降為2 246.2 kJ/kg。若該低壓蒸汽減壓至0.5 MPa使用，對(duì)應(yīng)的飽和水溫度為158℃，焓值為670.67 kJ/kg，因此焓降為2 374.17 kJ/kg，熱量利用率則提高了5.7%。

酸性氣體脫除工藝采用魯奇六塔工藝，其中甲醇—水分餾塔再沸器加熱蒸汽初始設(shè)計(jì)1.1 MPa，經(jīng)過(guò)分析測(cè)算，認(rèn)為可以改用0.45 MPa飽和蒸汽，實(shí)施后再沸器蒸汽基本未增加，甲醇—水分餾塔工藝參數(shù)控制效果保持不變。

2.4 回收循環(huán)水余熱

裝置余熱量較大，回收困難，如一氧化碳變換單元循環(huán)水余熱粗略估算約在4.18 GJ，溫度均低于150℃，甚至低于100℃。并且大部分回收方案都是回收余熱產(chǎn)0.45 MPa和1.1 MPa低壓蒸汽，回收方案投資較大，從公司整體來(lái)考慮，正效益不大。

但通過(guò)回收變換單元余熱來(lái)提高粗煤氣溫度，則可改善一氧化碳變換單元預(yù)變換爐反應(yīng)，降低水氣比。即將變換工藝149℃的冷凝液經(jīng)循環(huán)水冷卻至常溫后，送煤氣化粗煤氣洗滌塔，不經(jīng)過(guò)降溫處理，提高粗煤氣溫度。經(jīng)測(cè)算，變換單元最高可節(jié)約工藝蒸汽6 t/h左右。因設(shè)備原因，目前變換工藝?yán)淠簻囟忍岣咧?0℃左右，節(jié)約工藝蒸汽2 t/h左右。

2.5 梯級(jí)利用

高、中壓蒸汽驅(qū)動(dòng)透平做功，只能利用顯熱，而顯熱遠(yuǎn)小于蒸汽冷凝潛熱，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)凝汽式透平做功的高、中壓蒸汽熱量利用率很低，高壓蒸汽熱量利用率約25%，中壓蒸汽只有20%左右。梯級(jí)利用的主要方法是先做功再加熱，即高、中壓蒸汽驅(qū)動(dòng)透平先做功，利用較大部分顯熱后，再抽出低壓蒸汽，低壓蒸汽加熱能力和高中壓蒸汽相差較小。

工藝蒸汽進(jìn)入一氧化碳變換單元配水氣比時(shí)，壓力由4.7 MPa減壓至3.7 MPa，減壓幅度較大。根據(jù)梯級(jí)利用的原則，如果利用該股蒸汽先驅(qū)動(dòng)透平做功，再去變換單元，通過(guò)測(cè)算，可替代960 kW的電機(jī)做功，節(jié)能效益明顯。

2.6 能源換產(chǎn)品

最典型的能源換產(chǎn)品方案是在裝置運(yùn)行負(fù)荷設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，盡可能提高負(fù)荷。目前該裝置盡可能保證在95%的高負(fù)荷運(yùn)行，年平均負(fù)荷已達(dá)93.5%。

具體的能源換產(chǎn)品方案需要對(duì)各生產(chǎn)裝置深入分析，找出能耗與物耗關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)理論測(cè)算與試驗(yàn)相結(jié)合尋找最佳工藝參數(shù)。如水氣比是一氧化碳變換單元最重要的工藝參數(shù)，水蒸汽與一氧化碳反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。提高水氣比，更多一氧化碳參與反應(yīng)，變換出口一氧化碳含量降低。但是水氣比高，蒸汽消耗增加，變換余熱增加，后續(xù)的余熱回收困難，多產(chǎn)的0.45 MPa蒸汽放空。筆者分析了水氣比與變換出口一氧化碳含量及變換余熱回收的關(guān)系，提出在氣溫較低尤其是冬季采暖水投用時(shí)，水氣比由1.02提高至1.04，工藝蒸汽消耗增加約2 t/h，但是變換出口一氧化碳含量降低0.01%～0.02%（變換出口一氧化碳含量降低0.01%，每天多產(chǎn)氨1.3 t），并且多產(chǎn)出的0.45 MPa余熱蒸汽能夠較好利用，整體效益較明顯。

3 優(yōu)化效果

2016年下半年開(kāi)始對(duì)蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行了多次診斷和分析，相關(guān)優(yōu)化措施如提高電廠中壓蒸汽溫度、改善保溫、提高表冷真空度、回收循環(huán)水余熱以提高粗煤氣溫度、提高冬季水氣比操作等實(shí)施后效果良好。2017年，合成氨裝置綜合蒸汽消耗同比降低0.1 t/t（即生產(chǎn)每噸氨蒸汽消耗降低0.1 t），相當(dāng)于節(jié)約蒸汽6.5 t/h左右，減少生產(chǎn)成本700余萬(wàn)元，節(jié)能降耗明顯。

4 結(jié)論

裝置工藝優(yōu)化和改造方案的實(shí)施，需要結(jié)合裝置具體情況進(jìn)行全面系統(tǒng)性分析。對(duì)蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化利用分析研究和技術(shù)方案的實(shí)施，取得了較好的節(jié)能效果，為下一步煤氣化合成氨裝置蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化工作深入開(kāi)展打好了基礎(chǔ)。