合成氨裝置節(jié)能降耗探究

(寧煤烯烴二分公司，寧夏 銀川 750409)

企業(yè)的生存發(fā)展離不開(kāi)經(jīng)濟(jì)效益提高，降低生產(chǎn)成本、節(jié)能降耗是提高經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。企業(yè)在生產(chǎn)階段，優(yōu)化工藝指標(biāo)、生產(chǎn)管理精細(xì)化是降低成本的主要措施。

1 合成氨裝置工藝流程

神華寧煤烯烴二分公司合成氨規(guī)模15萬(wàn)t/a，原料分別是煤制油公司供給的99.9%(φ)[1]氫氣與裂解裝置供給的95%氫氣，經(jīng)過(guò)PSA變壓吸附塔提純到99.99%，與煤制油供給的99.99%的氮?dú)獍?∶1混合，壓縮后送入氨合成塔反應(yīng)生成氨。反應(yīng)放熱通過(guò)加熱反應(yīng)氣、余熱鍋爐回收。產(chǎn)品氣氨通過(guò)冷凝分離，最后送煤制油氣化與鍋爐裝置脫硫除硝使用。合成氨裝置工藝流程見(jiàn)圖1。

2 裝置大型機(jī)組介紹

本套合成氨裝置中，合成氣壓縮機(jī)為沈陽(yáng)遠(yuǎn)大往復(fù)式壓縮機(jī)，共3臺(tái)，2開(kāi)1備；氨冷凍機(jī)是煙臺(tái)冰輪螺桿式，共6臺(tái)，第一氨壓縮機(jī)3臺(tái)，2開(kāi)1備，第二氨壓縮機(jī)3臺(tái)，2開(kāi)1備。大型機(jī)組明細(xì)見(jiàn)表1。

3 節(jié)能降耗措施

3.1 提高單程轉(zhuǎn)化率

合適的反應(yīng)溫度、壓力、空速，當(dāng)催化劑活性降低導(dǎo)致能耗較高時(shí)，及時(shí)更換是提高單程轉(zhuǎn)化率的有效措施。

圖1 合成氨裝置工藝流程注：1—氨合成塔；2—開(kāi)工加熱爐；3— 合成汽包；4—蒸汽過(guò)熱器；5—合成氣余熱回收器；6—鍋爐給水預(yù)熱器；7—熱交換器；8—水冷器；9—冷交換器；10—一級(jí)氨冷器；11—二級(jí)氨冷器；12—氨分離器；13—氨閃蒸罐；14—氨產(chǎn)品泵；15—第二氨壓縮機(jī)；16—第一氨壓縮機(jī)；17—氨壓縮機(jī)最終水冷器； 18—氨受槽；19—氨產(chǎn)品換熱器；20—弛放氣冷卻器；21—惰性氣分離器；22—閃蒸氣增壓機(jī)；23—合成氣壓縮機(jī)；24—解析器壓縮機(jī)；25—PSA變壓吸附

表1 大型機(jī)組明細(xì)

3.1.1催化劑影響

氨合成是放熱可致體積縮小的可逆反應(yīng)，因?yàn)樵谕葪l件下反應(yīng)很慢(同等條件指在高溫、高壓中有催化劑與無(wú)催化劑的對(duì)比下)，所以必須借助催化劑增加反應(yīng)速率。鐵系列催化劑活性高，價(jià)格低廉、耐溫性能好、抗中毒能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)，所以在行業(yè)內(nèi)廣泛使用。氨合成催化劑在使用過(guò)程中，受硫、磷、溫度、灰塵附著等因素的影響會(huì)逐漸老化，具體表現(xiàn)在凈氨值下降、熱點(diǎn)溫度下移。本裝置氨合成塔裝填山東臨朐泰豐TA201-2-H、TA201-2催化劑28m3，共分3個(gè)床層。催化劑設(shè)計(jì)使用壽命是10年，當(dāng)前裝置僅運(yùn)行2年，催化劑活性仍然較高。在后期運(yùn)行過(guò)程，若凈氨值下降，循環(huán)量增加，通過(guò)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用測(cè)算決定更換催化劑的時(shí)機(jī)。

3.1.2壓力影響

氨合成有高壓法(60～100MPa)、中壓法(15～60MPa)和低壓法(小于15MPa)，本工藝采用低壓法，壓力是8～15MPa。低壓法也是目前比較流行的工藝，因?yàn)榈蛪悍ㄔ谀芎呐c投資上更占優(yōu)勢(shì)。在9.1MPa、進(jìn)塔氨含量2.5%、出塔氨含量14.71%條件下，壓力提高時(shí)，出塔氨含量提高。不同壓力下的凈氨值見(jiàn)表2。

表2 不同壓力下的凈氨值

3.1.3溫度影響

進(jìn)合成塔催化劑床層溫度高，出催化劑床層溫度低，可提高氨轉(zhuǎn)化率。合成氨放熱反應(yīng)，熱點(diǎn)溫度保持在第一床層，第二、第三層處于降溫狀態(tài)時(shí)，有利于平衡氨含量的提高。不同溫度、壓力下純3H2-N2混合氣體的平衡氨含量見(jiàn)表3。

表3 不同溫度、壓力下純3H2-N2混合氣體的

3.1.4空速影響

空速的增加提高了液氨產(chǎn)量，空速?gòu)?0 000h-1提高到20 000h-1，產(chǎn)量提高率=(2417-1350)/1350=79%。但空速增加1倍，電耗增加1倍(等壓過(guò)程)，所以低空速有利于節(jié)能?？账倥c出口氨含量對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 空速與出口氨含量對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]

注：壓力為30MPa，溫度為500℃。

在一定負(fù)荷運(yùn)行下，優(yōu)化工藝運(yùn)行的溫度、壓力、空速等條件，追求高轉(zhuǎn)化率，降低循環(huán)量，降低電耗。在9.1MPa，進(jìn)塔氣量123 895Nm3/h，液氨產(chǎn)量10.03t/h的條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)化率降低1%，進(jìn)塔氣量增加4.6%，合成氣壓縮機(jī)電耗、氨冷凍負(fù)荷隨之增加。轉(zhuǎn)化率與壓縮機(jī)負(fù)荷變化見(jiàn)表5。

表5 轉(zhuǎn)化率與壓縮機(jī)負(fù)荷變化

3.2 降低入塔氨含量

降低入塔氨含量，提高凈氨值。本套裝置工藝產(chǎn)品氫氣與氮?dú)饧兌葹?9.99%，幾乎沒(méi)有雜質(zhì)氣體，在壓力、溫度、空速相等的條件下，進(jìn)塔氨含量越高，凈氨值越低。

3.3 優(yōu)化生產(chǎn)操作

依據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷情況及時(shí)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)。因?yàn)楸狙b置產(chǎn)生的液氨僅供煤制油內(nèi)部使用，屬“以用定產(chǎn)”的生產(chǎn)模式。當(dāng)前液氨消耗非常穩(wěn)定地維持在240t/d，差不多就是半負(fù)荷生產(chǎn)(滿(mǎn)負(fù)荷是450t/d)。經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)組能力的考察與論證，決定將合成氣壓縮機(jī)兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行的模式調(diào)整為單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)合成氣壓縮機(jī)的每臺(tái)的電流是100～110A，單機(jī)組運(yùn)行后電流上漲到145A，僅電機(jī)電能消耗一項(xiàng)即可每小時(shí)節(jié)約1 041.9kW·h。合成氣壓縮機(jī)兩臺(tái)變一臺(tái)運(yùn)行電耗降低情況見(jiàn)表6。

表6 合成氣壓縮機(jī)兩臺(tái)變一臺(tái)運(yùn)行電耗降低情況

因?yàn)閴毫μ岣?，轉(zhuǎn)化率提高，循環(huán)氣量減少，冷凍機(jī)組負(fù)荷也相應(yīng)降低，氨冷凍機(jī)組電機(jī)電能消耗每小時(shí)節(jié)約304.5kW·h(見(jiàn)表7)。

除了提高單機(jī)負(fù)荷、降低設(shè)備運(yùn)行臺(tái)數(shù)，降低單機(jī)運(yùn)行回流量也是降低機(jī)組電耗的重要措施。回流對(duì)系統(tǒng)不做功，降低回流就是減少無(wú)用功，降低了機(jī)組運(yùn)行電耗。合成氣壓縮機(jī)單機(jī)回流分一回一、二回一、三回三。進(jìn)塔氣進(jìn)熱交換前有系統(tǒng)回流閥，調(diào)節(jié)循環(huán)氣量，降低系統(tǒng)回流也是降低電耗的有效措施。

3.4 降低入塔惰性氣體組分

提高反應(yīng)氣純度能大大降低入塔惰性氣體組分，減少惰性氣體排放。老合成氨工藝中，氫氣純度不高，導(dǎo)致惰性氣體排放量很大。降低入塔惰性氣含量對(duì)合成氨的影響有以下幾點(diǎn)：①降低了原料氣的排放；②減少了氨的排放；③降低了合成氣壓縮機(jī)、氨冷凍機(jī)做功。

3.5 反應(yīng)熱的綜合利用

NH3反應(yīng)的反應(yīng)熱為46.2kJ/mol，反應(yīng)熱部分用于加熱進(jìn)塔原料氣，部分熱量通過(guò)合成汽包副產(chǎn)蒸汽。熱量的回收利用，降低了循環(huán)水用量、冷凍用量和電耗。

3.6 保持長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行

開(kāi)停車(chē)會(huì)造成原料氣體放空，氫氣、氮?dú)庀脑黾?，電耗增加。在開(kāi)停車(chē)過(guò)程中，不但原料氣體放空，而且置換系統(tǒng)消耗了大量工藝氮?dú)?。開(kāi)車(chē)時(shí)，在升溫過(guò)程中未產(chǎn)出產(chǎn)品，機(jī)組卻正常運(yùn)行消耗電能，開(kāi)工加熱爐消耗燃料氣。初期低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行機(jī)組造成電單耗增加；開(kāi)停車(chē)時(shí)，造成循環(huán)水、氮?dú)?、儀表風(fēng)單耗增加等。減少開(kāi)停車(chē)次數(shù)可降低成本增加效益，保持長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.7 降低循環(huán)水用量

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員都是按照最大負(fù)荷物料與能量恒算。在半負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，循環(huán)水閥全開(kāi)造成了大量循環(huán)水電耗浪費(fèi)。通過(guò)調(diào)整循環(huán)水回水閥門(mén)開(kāi)度，保持好相應(yīng)的溫差，在滿(mǎn)足工藝指標(biāo)的前提下，降低循環(huán)水用量。經(jīng)測(cè)算，通過(guò)降低循環(huán)水用量可實(shí)現(xiàn)每小時(shí)節(jié)電564.5kW·h(見(jiàn)表8)。

3.8 電伴熱

寧夏屬北方寒冷地區(qū)，冬季為了物料防凍，設(shè)置了伴熱。伴熱有蒸汽伴熱、電伴熱、熱水伴熱等。熱水伴熱、蒸汽伴熱根據(jù)氣溫變化及時(shí)啟停。電伴熱采用自動(dòng)控制回路，設(shè)置溫控器、數(shù)顯儀，依據(jù)物料特性設(shè)置最低工作溫度(大于凝固溫度5～10℃即可)，設(shè)定太高會(huì)造成不必要的電耗。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，僅整合合成氣壓縮機(jī)和氨冷凍機(jī)運(yùn)行、降低循環(huán)水用量這兩條措施，每小時(shí)就可節(jié)電1 910.9kW·h，按照電費(fèi)0.36元/kW·h計(jì)，可節(jié)約成本68.79元/t(液氨)。

合成氨作為傳統(tǒng)成熟工業(yè)，新型設(shè)備、工藝技術(shù)已經(jīng)少有創(chuàng)新發(fā)展。自2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)后，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)已經(jīng)從原來(lái)的高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展。當(dāng)前，針對(duì)各企業(yè)工藝情況，提高精細(xì)化管理，每個(gè)操作過(guò)程、工藝控制指標(biāo)數(shù)都要根據(jù)實(shí)際情況合理優(yōu)化。節(jié)能降耗、降本增效，是時(shí)代的召喚，也是化工生產(chǎn)管理人員的使命。