合成氨裝置原料天然氣替代的實(shí)踐

黃衛(wèi)星，嚴(yán)軍開，肖 震

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600）

南海石油、天然氣勘探始于20世紀(jì)70年代，其石油儲量較少，卻發(fā)現(xiàn)大量天然氣儲量。自20世紀(jì)80年代開始，由中國海油主導(dǎo)，相繼在南海鶯歌海、北部灣滾動開發(fā)了崖13-1氣田、東方1-1氣田、樂東氣田，為中海石油化學(xué)股份有限公司天然氣化肥裝置提供了穩(wěn)定的原料天然氣供應(yīng)。中海石油化學(xué)股份有限公司海南基地一期（以下簡稱中?；瘜W(xué)一期）30萬t/a合成氨裝置，原料氣采用三亞外海崖13-1氣田天然氣。該氣田開發(fā)于1996年，目前產(chǎn)氣量不斷衰減，供氣合同將于2016年2月到期。在一期天然氣化肥裝置面臨停氣停產(chǎn)的危機(jī)下，海南基地化肥裝置在僅有崖13-1氣田供氣的基礎(chǔ)上，發(fā)展到先后開發(fā)東方1-1氣田、樂東22-1、樂東15-1多氣源，其氣源替代具有良好的外部條件，需要在裝置內(nèi)部工藝上對氣源替代的可行性進(jìn)行充分研究。

1 工藝介紹

中?；瘜W(xué)一期合成氨裝置采用英國ICI工藝，以天然氣為原料生產(chǎn)液氨，同時(shí)該裝置副產(chǎn)二氧化碳，與液氨一起作為原料送往尿素裝置生產(chǎn)尿素。

天然氣進(jìn)入裝置后，用途可分為原料氣和燃料氣。原料氣進(jìn)入工藝主流程，經(jīng)壓縮、脫硫、兩段轉(zhuǎn)化、高低溫變換、脫碳、甲烷化、氨合成等單元，生產(chǎn)液氨產(chǎn)品。燃料氣分三路進(jìn)入輔鍋、燃?xì)馔钙?、一段爐燒嘴，燃燒產(chǎn)生熱量，分別起輔助產(chǎn)生蒸汽、驅(qū)動空氣壓縮機(jī)、提供反應(yīng)熱的作用，如圖2所示。

圖1 ICI合成氨工藝主要工藝簡圖

圖2 天然氣用途分配圖

裝置天然氣替代就要從以上四路天然氣用戶入手，分析天然氣替代對裝置的影響。燃料氣替代涉及到燃燒燒嘴性能及設(shè)備安全性；原料氣占總天然氣用量的70%，其替代改造牽涉的范圍廣，難度很大，是天然氣替代的重中之重。

2 燃料氣替代

合成氨裝置燃料氣有三路，主要替代改造了兩路燃?xì)猓狠o鍋燃?xì)夂鸵欢螤t燃?xì)猓骷s6500m3/h，而燃?xì)馔钙剿?500m3/h崖城氣不變，以保證原天然氣管線仍處在用狀態(tài)。

2.1 輔鍋雙燃料改造

輔鍋02B001是由意大利MACCHI公司制造，用來平衡蒸汽管網(wǎng)或給裝置提供開車蒸汽的，其設(shè)計(jì)能力為生產(chǎn)513℃、10.8MPa（G）的高壓蒸汽100t/h。燃料氣是由崖13-1氣田提供的富氣，正常運(yùn)行狀態(tài)下其消耗燃?xì)饬繛?000~7000m3/h。

2.1.1 改造措施

2007年，伴隨崖13-1氣田天然氣產(chǎn)量衰減，供氣計(jì)劃減少5000萬m3/a。為避免系統(tǒng)減負(fù)荷生產(chǎn)，經(jīng)過協(xié)調(diào)，策劃利用新投產(chǎn)的樂東15-1氣田天然氣，補(bǔ)充作為輔鍋燃料。

樂東氣甲烷含量低，二氧化碳含量高，熱值低。海上樂東氣引入天然氣處理終端后，先進(jìn)行脫碳處理，脫碳后的樂東氣與崖13-1氣組分對比如表1。

表1 崖13-1氣與樂東氣組分對比

樂東氣脫碳后熱值只相當(dāng)于崖13-1氣田天然氣熱值的88.8%。在相同負(fù)荷情況下，全部使用樂東脫碳?xì)庾鳛槿細(xì)鈴U鍋的燃料氣，天然氣流量增加11.2%，增加燃?xì)饬髁考s700m3/h。

首先要對燒嘴是否滿足新工況進(jìn)行論證。目前環(huán)形燒嘴開度在50%~70%，仍有余量。經(jīng)過測試，在現(xiàn)有條件下不必更換新燒嘴，燒嘴區(qū)域的噪音水平有所增加。

經(jīng)過論證，采用將樂東氣天然氣管道并入現(xiàn)行鍋爐燃?xì)饪刂乒艿赖姆桨?，流程見圖3。

圖3 輔鍋燃?xì)夤芫€技改工藝流程圖（虛線內(nèi)為新增管線）

輔鍋燃?xì)馓娲脑欤?007年5月提出論證，2008年設(shè)計(jì)、組織現(xiàn)場施工，2009年9月正式投用，投用后輔鍋運(yùn)行正常。

2.1.2 改造效果

通過輔鍋雙燃料改造，輔鍋全部替換為樂東脫碳?xì)?，減少崖13-1氣田天然氣供應(yīng)0.4752億m3/a，增加消耗樂東脫碳?xì)?.5284億m3/a。既避免了崖13-1氣田衰減帶來的裝置減負(fù)荷問題，又解決了新增樂東氣田的天然氣銷路，上下游裝置雙贏。

2.2 一段爐燃料氣替代

2016年2月中?；瘜W(xué)一期原料天然氣合同到期，一段爐燃料氣不得不替代。東方氣熱值太低，經(jīng)預(yù)脫碳后的東方氣含水太高，均對一段爐運(yùn)行有影響。因此，一段爐燃料氣最終也選擇替換為熱值稍高的樂東氣。

2.2.1 改造措施

一段爐燃料氣改造，必須保證一段爐轉(zhuǎn)化管不超溫，一段爐引風(fēng)機(jī)能力、燃?xì)鉄炷芰δ軡M足要求。由于一段爐原料氣同時(shí)替代，一段爐出口溫度下降15℃左右，部分一段爐負(fù)荷后移至二段爐[1]，因此，燃?xì)馓娲筇烊粴饬吭隽坑邢?，轉(zhuǎn)化管不會超溫。

一段爐風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)能力處理煙氣88167m3/h，煙氣成分主要來源于燃燒空氣，主要組成是氮和水蒸汽。經(jīng)測算，燃料氣量變化對煙氣總量變化影響不大，引風(fēng)機(jī)的能力滿足要求。

燃?xì)馓娲鞒桃妶D4。

圖4 一段爐燃料氣替代改造圖（虛線為新增管線）

不僅將樂東氣引至一段爐燃?xì)夤芫€，同時(shí)新改造的東方1-1原料氣脫碳后，引一支也進(jìn)入一段爐燃?xì)夤芫€。脫碳后的東方氣與樂東氣熱值相當(dāng)，緊急情況下可以相互替代。

2016年2月大修將新增的樂東氣、脫碳后的東方氣配管引入一段爐。在4月的開車中投用。投用前一段爐燃?xì)夂难鲁菤?600m3/h左右。改造后，由于一段爐出口溫度由765℃降至735℃(為防止盤管超溫及保護(hù)爐管)，所需熱量減少，所耗樂東氣流量沒有增加，基本仍為6000m3/h左右?，F(xiàn)場檢測各轉(zhuǎn)化管及盤管溫度，無超溫現(xiàn)象，設(shè)備運(yùn)行正常。

2.2.2 改造效果

一段爐燃?xì)馓娲脑焱瓿珊?，燃?xì)庥蓸窎|氣供應(yīng)運(yùn)行，事故狀態(tài)可以切換至崖城氣或脫碳后的東方氣。這樣，一段爐燃?xì)饩陀辛巳齻€(gè)氣田的供應(yīng)保證。一個(gè)氣田斷天然氣，威脅不了一段爐的運(yùn)行。最惡劣情況下，即使系統(tǒng)退至一段爐氮?dú)馍郎?，恢?fù)開車也比較快。改造使系統(tǒng)抗天然氣波動的能力更強(qiáng)。

但該改造的缺點(diǎn)是，氣源切換采用現(xiàn)場切斷閥人工倒換，切換較難控制，操作困難，不利于緊急情況下的切換。另一缺點(diǎn)是，一段爐升溫開車階段，爐膛溫度較低，由于樂東氣熱值低，燒嘴容易熄滅。因此需要專人監(jiān)控，隨時(shí)點(diǎn)燃熄滅的燒嘴，防止燃爆事故的發(fā)生。

3 合成氨原料氣替代

合成氨工藝主系統(tǒng)的原料氣用量為3.8億m3/a，是天然氣的主要用戶，其替代牽涉面廣，影響復(fù)雜，改造比選的方案也多。

3.1 改造思路

工藝氣要從崖城氣替換為東方1-1氣田天然氣。二者組分對比見表2。崖城氣甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)84%，而東方1-1氣田天然氣甲烷體積分?jǐn)?shù)只有60%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)高達(dá)20%，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)高達(dá)17%。東方1-1天然氣具有低總碳、高二氧化碳、高氮的特征。

改造的思路是，盡量不改變目前的工藝主流程、工藝操作參數(shù)，對東方1-1貧甲烷天然氣進(jìn)行處理，將工藝氣反應(yīng)后的氫氮比控制在2.5:1，維持合成氨反應(yīng)的正常進(jìn)行。

表2 崖13-1氣與東方氣主要組分對比

針對東方1-1氣田天然氣高含二氧化碳的特性，興建預(yù)脫碳裝置，將進(jìn)入裝置的天然氣中二氧化碳提前脫除[2]。經(jīng)過預(yù)脫碳裝置，天然氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)由20%下降到4%，降低主裝置原脫碳系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷。至于預(yù)脫碳工藝的選擇，有熱鉀堿法、MDEA脫碳工藝兩種。基于能耗及系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)量有限的考慮，選用MDEA脫碳方法。

針對東方1-1氣田天然氣氮?dú)夂扛叩奶匦裕鉀Q的思路有二：1）通過深冷冷凍法、溶劑吸收法、變壓吸附法等方法脫除氮?dú)?，其工藝?fù)雜，投資大，運(yùn)行成本高，本裝置未采用這一思路；2）在二段爐現(xiàn)有的加空氣補(bǔ)氮工序中，二段爐改加富氧空氣[3]，減少外加氮?dú)獾姆椒?，既不影響目前二段爐轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的氧氣，又實(shí)現(xiàn)了氫氮比維持2.5:1的系統(tǒng)合成反應(yīng)要求，其中需新建一套空分裝置，實(shí)現(xiàn)二段爐加富氧需要，空分的規(guī)模取決于二段爐需要的富氧量，主要用來平衡氫氮比。

3.2 改造措施

項(xiàng)目前期研究在2011年委托湘潭大學(xué)、2013年9月委托西南化工研究設(shè)計(jì)院有限公司與中國成達(dá)工程有限公司進(jìn)行咨詢研究。2014年1月最終選定改造方案，確定目前合成氨裝置只需在前端增加一套預(yù)脫碳裝置，輔助增加一套產(chǎn)氧的空分裝置，系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)工藝天然氣的替代。在更深入的研究中，經(jīng)詳細(xì)核算發(fā)現(xiàn)二段爐的燃燒噴嘴工況惡化，火焰中心下移，對二段爐催化劑不利，更換二段爐加空氣燃燒噴嘴。

圖5 原料氣替代流程圖（虛線內(nèi)為新增裝置）

2015年1月開始成立改造項(xiàng)目組，推進(jìn)項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)備采辦及現(xiàn)場施工管理；2016年4月裝置大修，新增的預(yù)脫碳裝置及空分裝置接入系統(tǒng)，大修后一次開車成功。

4 面臨問題與凸顯優(yōu)點(diǎn)

天然氣替代改造完成后，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，負(fù)荷（東方F平臺氣）保持在34.76×103m3/h，平均日產(chǎn)氨998.22t，基本滿足性能保證值(原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1000t/d)；噸氨耗天然氣為1521m3，噸氨綜合能耗是33.97GJ，與改造前的1150m3、31.84GJ相比有較大的提高，這與天然氣熱值較低、增加預(yù)脫碳裝置及四期空分裝置帶來的電力蒸汽消耗等有較大提高有關(guān)。

4.1 氣源替代需面臨的問題

（1）氨碳平衡：使用崖城氣時(shí)，合成氨裝置的產(chǎn)品氨及脫碳生產(chǎn)的二氧化碳正好維持尿素裝置的氨碳平衡。但采用預(yù)脫碳工藝后，原料中二氧化碳被脫除到4%，低于原崖城氣9%二氧化碳含量，尿素裝置生產(chǎn)二氧化碳原料不足。從新增預(yù)脫碳引出一條二氧化碳管線，用作尿素二氧化碳原料補(bǔ)充使用。由于預(yù)脫碳放空二氧化碳含有腐蝕性硫組分，并且存在一些烷烴有機(jī)物，該管線投用后發(fā)現(xiàn)對尿素裝置產(chǎn)生較大不利影響，目前停用。多余的產(chǎn)品氨送氨罐，新建一套液氨充裝裝置，液氨外賣，用于海南省島內(nèi)各火電廠的煙氣脫硝。

（2）對01天然氣壓縮機(jī)的影響：東方1-1天然氣入口壓力為2.7MPa，高于原崖城氣的入口壓力（2.3MPa）。首次天然氣壓縮機(jī)引天然氣發(fā)現(xiàn)，其油封在2.7MPa壓力下發(fā)生泄漏。目前通過天然氣入口調(diào)節(jié)閥控制壓力在2.5MPa，避免天然氣壓縮機(jī)的密封泄漏。

（3）對02機(jī)組的影響：加富氧后空壓機(jī)負(fù)荷降為設(shè)計(jì)負(fù)荷84%，彌補(bǔ)了其驅(qū)動機(jī)燃?xì)馔钙浆F(xiàn)有能力不足的問題，消除了裝置長周期運(yùn)行的最主要瓶頸。但加富氧空氣后，發(fā)現(xiàn)空壓機(jī)內(nèi)部碳鋼管道及隔板腐蝕加劇。目前計(jì)劃更換空壓機(jī)隔板為不銹鋼隔板。

4.2 氣源替代帶來的優(yōu)點(diǎn)

合成氨裝置原料天然氣替代完成后，裝置的抗風(fēng)險(xiǎn)能力得到提高，凸顯以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)適應(yīng)不同氣質(zhì)原料天然氣的彈性增大。原天然氣流程被完整保留下來。輔鍋燃?xì)饩o急情況下可以切至崖13-1氣；若新脫碳系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可開旁路維持系統(tǒng)運(yùn)行；一段爐燃料氣同樣可利用現(xiàn)有樂東氣管線。若崖13-1氣田有富余氣，一段爐原料氣存在配氣生產(chǎn)的手段。若以后采用海上新開發(fā)東方13-2氣田的富氣，其天然氣CO2含量降低，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)10%，二段爐加入富氧量只需降為1200m3/h，四期空分只需要50%負(fù)荷運(yùn)行，天然氣脫碳裝置不再投用，仍能適應(yīng)新天然氣組分的變化。

（2）避免裝置停車，保證惡劣臺風(fēng)天氣等情況下裝置的供氣安全。輔鍋為裝置提供蒸汽，是保證壓縮機(jī)等關(guān)鍵機(jī)組運(yùn)行的條件。南海海況惡劣，是臺風(fēng)生成地之一。崖13-1氣田在三亞外海110km的海上，臺風(fēng)生成時(shí)，生產(chǎn)人員撤離，平臺生產(chǎn)是在岸上終端通過衛(wèi)星遙控，容易發(fā)生故障。裝置平均每年有1～2次的斷氣威脅，在遠(yuǎn)端平臺斷氣時(shí)，裝置減負(fù)荷運(yùn)行。此時(shí)，鍋爐燃?xì)獠粔蛴?，系統(tǒng)蒸汽不足，立即安排尿素裝置停車。輔鍋雙燃料改造完成后，在崖城氣故障情況下，鍋爐可以倒樂東氣運(yùn)行；在樂東氣田故障情況下，鍋爐可以倒崖城氣運(yùn)行。兩大氣田相距300km，同時(shí)故障的可能性極小。輔鍋的燃?xì)馓娲档土搜b置斷氣停車的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）消除燃?xì)馔钙侥芰Σ蛔愕钠款i。長期以來，合成氨裝置燃?xì)馔钙礁挥嗄芰Σ蛔?，運(yùn)行中因內(nèi)部流道結(jié)垢，空壓機(jī)所打空氣量逐步下降，裝置負(fù)荷被迫下調(diào)，影響裝置的長周期運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)性。加富氧后空壓機(jī)負(fù)荷降為設(shè)計(jì)負(fù)荷84%，系統(tǒng)所需空氣流量由41.5×103m3/h降為37×103m3/h，裝置的安全性大大提高，長周期的運(yùn)行有了根本的保證。

5 結(jié)語

經(jīng)過數(shù)年的艱苦努力，中?；瘜W(xué)一期合成氨裝置先后對輔鍋燃料氣、一段爐燃料氣、合成氨工藝原料氣三類天然氣用戶氣源替代進(jìn)行了可行性研究，改造獲得圓滿成功，避免了裝置的停產(chǎn)，創(chuàng)造了較好的效益，同時(shí)也為國內(nèi)天然氣合成氨裝置適應(yīng)不同氣源改造提供了有益的借鑒。