合成氨裝置燃機乏氣廢熱回收路線的選擇與探討

陳鳳壯

(海洋石油富島有限公司 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司(簡稱海洋富島公司)富島一期合成氨裝置投產(chǎn)于1996年，采用日本千代田公司ICI-AMV節(jié)能型工藝，空氣壓縮機使用以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(以下簡稱燃機)驅(qū)動。該套裝置采用了燃機-輔鍋聯(lián)合系統(tǒng)，燃機做功后產(chǎn)生溫度為500 ℃的乏氣送至輔助鍋爐(以下簡稱輔鍋)回收余熱，同時殘氧體積分?jǐn)?shù)為16%的乏氣可作為助燃空氣，輔鍋自身可點燃3個燃燒器，產(chǎn)生壓力11.2 MPa(絕壓)、溫度513 ℃的高壓過熱蒸汽100 t/h。采用燃機-輔鍋聯(lián)合系統(tǒng)后，燃?xì)饩C合效率能達(dá)到85%(普通凝汽式蒸汽透平綜合效率為40%、單機燃機的簡單循環(huán)效率<31.2%)。結(jié)合ICI-AMV工藝所采用的低水碳比、二段爐加過量空氣、苯菲爾二段吸收/再生脫碳工藝、低壓氨合成等節(jié)能工藝的優(yōu)點，富島一期合成氨裝置噸氨的能耗由傳統(tǒng)大型天然氣化肥廠的39.8 GJ下降至29.5 GJ。

1 燃機-輔鍋聯(lián)合的優(yōu)越性

1.1 運行的獨立性和穩(wěn)定性

20世紀(jì)80年代在我國大化肥合成氨裝置中引入燃機，其乏氣引入一段爐進(jìn)行回收利用，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的[1]。引入燃機技術(shù)在化肥廠運用需要一個消化吸收過程，在工廠生產(chǎn)前期，燃機控制系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)故障，燃機經(jīng)常跳車，造成一段爐爐膛負(fù)壓高聯(lián)鎖動作跳車[2]。由于一段爐位于合成氨裝置前工段，裝置跳車后恢復(fù)時間較長，同時對設(shè)備運行與催化劑壽命帶來不利影響。

為減少燃機故障對一段爐的影響，富島一期合成氨裝置建設(shè)時就要求設(shè)計方日本千代田公司對ICI-AMV工藝進(jìn)行技術(shù)革新，將燃機乏氣引至輔鍋(見圖1)，使一段爐運行的獨立性和穩(wěn)定性大大提高。燃機跳車后，輔鍋可以自動切換為常規(guī)鍋爐運行方式而不停車，同時避免一段爐停工，不僅提高了高壓蒸汽管網(wǎng)的操作彈性，還在最大程度上避免了燃機跳車對整套裝置的影響[3]。一段爐煙氣與輔鍋煙氣的排放不進(jìn)入同一個煙囪，也增加了一段爐與輔鍋各自的穩(wěn)定性。

圖1 富島一期合成氨裝置燃機、空壓機、一段爐、二段爐與輔鍋的關(guān)系

1.2 能耗分析

1.2.1 間接停車損失更少

若燃機乏氣引入一段爐進(jìn)行利用，一旦燃機發(fā)生故障極易造成一段爐停車，而停車及恢復(fù)生產(chǎn)時的能耗較大，帶來的間接損失較大。富島一期合成氨裝置投產(chǎn)前5年間就因燃機自身原因停車多達(dá)45次，證明當(dāng)時選擇將燃機乏氣引入輔鍋

具有前瞻性，間接減少了裝置開停車能耗。

1.2.2 設(shè)計能耗更低

一段爐對流段各工藝介質(zhì)盤管較多，與裝置工況關(guān)聯(lián)性非常強。由于工藝介質(zhì)盤管對加熱有一定的要求，使得一段爐對來自燃機的煙氣量和溫度都有較高的要求，這在一定程度上限制了燃機的工況，也不利于提高余熱的回收效率。為滿足各組物料盤管換熱的需求，富島一期合成氨裝置一段爐出口設(shè)計煙氣溫度通常較高(見表1)，燃機乏氣溫度為500 ℃，一段爐出口煙氣溫度為162 ℃，輔鍋出口煙氣溫度為138 ℃。在相同的煙氣初溫條件下，尾部煙氣溫度越低，煙氣的焓降越大，余熱利用效率就越高。將燃機煙氣引至一段爐與引至輔鍋比較，引至輔鍋后，煙氣出口溫度可以不受主系統(tǒng)工況的限制而降得更低，即出口煙氣焓值更低，更多的熱量可用于與水的換熱，燃料消耗更少，因此燃機乏氣送至輔鍋的能量利用率要高于送至一段爐。

表1 一段爐與輔鍋煙氣設(shè)計溫度

1.2.3 可選用高效燃機

燃機獨立于一段爐后，受系統(tǒng)工藝條件的制約減少，不需要很高的排氣溫度和乏氣量就能滿足設(shè)計要求。因此，富島一期合成氨裝置燃機設(shè)計之初便選用效率高、排氣少的機型，見表2。

表2 燃機能耗數(shù)據(jù)比較

1.2.4 燃機余熱自產(chǎn)蒸汽

燃機乏氣被送入輔鍋以后，其余熱在不點輔鍋的情況下可以增加蒸汽產(chǎn)量15 t/h，占輔鍋設(shè)計蒸汽產(chǎn)量的15%。燃機乏氣引入輔鍋聯(lián)合運行，與燃機和輔鍋各自獨立運行相比，可以節(jié)省天然氣1 100 m3/h。

1.3 改造空間更大

燃機獨立于一段爐后，受到系統(tǒng)工藝條件制約減少，針對燃機的節(jié)能改造，也不會對系統(tǒng)造成負(fù)面影響。富島一期合成氨裝置先后兩次針對燃機進(jìn)行了較大的節(jié)能改造，取得了較好的效果。

富島一期合成氨裝置位于海南高溫?zé)釒У貐^(qū)，每年夏季(4～10月)受高氣溫的影響，燃機不得不降低負(fù)荷運行，是制約裝置生產(chǎn)的瓶頸問題。2003年4月，對富島一期合成氨裝置的燃機入口空氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加一套空冷系統(tǒng)。投用后，燃機入口空氣溫度由32 ℃降至19 ℃，裝置負(fù)荷由29 000 m3/h升至30 500 m3/h，合成氨產(chǎn)量由988 t/h提高至1 050 t/h，燃機乏氣溫度由495 ℃降至480 ℃[4]。由于燃機運行更加穩(wěn)定，燃機停車次數(shù)明顯減少，由改造前平均每年停車7次下降至每年1次。

隨著燃機運行時間延長，效率下降，夏季高溫時空冷系統(tǒng)難以滿足裝置滿負(fù)荷運行的要求[5]。2016年富島一期合成氨裝置天然氣供應(yīng)合同到期，新氣源為高CO2和高N2含量的天然氣，為此對富島一期合成氨裝置的燃機進(jìn)行了改用純氧的改造，一方面是為了平衡系統(tǒng)工藝物料，另一方面也有助于降低燃機的功耗。改造后，工藝空氣量由42 780 m3/h降至39 030 m3/h，二段爐溫度提高了20 ℃，蒸汽產(chǎn)量增加10 t/h，蒸汽更加容易平衡。由于富氧的加入，對燃機功率的需求降低，保證了燃機的安全運行，裝置產(chǎn)能也得到了大幅提高。

2 燃機-輔鍋系統(tǒng)存在的問題

燃機乏氣進(jìn)入輔鍋后，燃機乏氣與輔鍋煙氣共用一個煙囪，燃機產(chǎn)生的NOx在沒有還原劑的情況下無法消除，因此直接影響輔鍋排放煙氣中NOx的含量。由于1996年建廠時煙氣NOx排放要求較寬，且燃機低氮減排技術(shù)尚不成熟，使得燃機乏氣中NOx含量較高。富島一期合成氨裝置燃機乏氣中NOx質(zhì)量濃度設(shè)計值為440 mg/m3，遠(yuǎn)高于最新型燃機的NOx排放限值(質(zhì)量濃度50 mg/m3)。為此，采用燃機注蒸汽和降低燃機功率等手段，降低了燃機乏氣中實際NOx含量，排放數(shù)據(jù)見表3。

表3 富島一期合成氨裝置的整體NOx排放情況

由表3可知：富島一期合成氨裝置一段爐煙氣和輔鍋煙氣單獨進(jìn)行排放，由于獨特的燃機、輔鍋、一段爐工藝路線設(shè)計，燃機乏氣引入輔鍋，整套裝置排放的煙氣NOx總量低于燃機乏氣引入一段爐的同類、同規(guī)模的裝置。盡管NOx排放總量較少、NOx排放含量較低，但由于富島一期合成氨裝置輔鍋執(zhí)行的是國家標(biāo)準(zhǔn)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)，該標(biāo)準(zhǔn)對排放煙氣中NOx的含量要求比一段爐執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 9078—1996)更加嚴(yán)格。受到燃機出口高濃度NOx乏氣的影響，輔鍋出口NOx質(zhì)量濃度無法滿足鍋爐的最新排放標(biāo)準(zhǔn)要求(NOx質(zhì)量濃度<100 mg/m3)。

3 煙氣脫硝路線和技術(shù)

燃機和輔鍋聯(lián)合系統(tǒng)既可以選擇從前端進(jìn)行脫硝也可以選擇從后端進(jìn)行脫硝。前端脫硝即通過改進(jìn)燃燒器、燃燒混合方式等方法減少NOx的產(chǎn)生，實現(xiàn)降低NOx的排放濃度；后端脫硝即通過對已經(jīng)產(chǎn)生的NOx進(jìn)行還原或吸收處理，降低NOx的排放濃度。

前端脫硝的主要技術(shù)有DLN干式低氮減排技術(shù)和WLN濕式低氮減排技術(shù)。DLN技術(shù)主要是通過對燃?xì)廨啓C燃燒室的改進(jìn)，使燃料、空氣充分預(yù)混，并優(yōu)化燃料分配和運行方式來實現(xiàn)對燃料、空氣摻混的合理控制，使燃料在火焰筒中處于“貧燃料”，以降低火焰中心溫度，控制燃料空氣比和燃燒時間，從而減少NOx的生成量。WLN技術(shù)主要是將蒸汽與天然氣以一定比例預(yù)混合，然后以蒸汽稀釋天然氣，增加火焰面燃燒產(chǎn)物的量，用同等的燃燒熱量去加熱更多的燃燒產(chǎn)物，自然就降低了火焰溫度，達(dá)到降低NOx排放量的目的。

后端脫硝路線中，具有代表性的是選擇性催化還原(SCR)技術(shù)和選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)[6]。其中SCR技術(shù)是當(dāng)前較為成熟的脫硝技術(shù)，以尿素或氨基化合物作為還原劑，脫硝效率可達(dá)70%～90%，應(yīng)用業(yè)績最多。SCR技術(shù)使用TiO2為載體，以V2O5、V2O5-WO3或V2O5-MoO3為活性成分的催化劑，催化劑為模塊化結(jié)構(gòu)，可制成蜂窩式、板式或波紋式等3種類型。SCR技術(shù)反應(yīng)溫度分為高溫(345～590 ℃)、中溫(260～380 ℃)和低溫(80～300 ℃)等3個區(qū)間，反應(yīng)位置多在省煤器前后。國內(nèi)外SCR系統(tǒng)大多采用的溫度區(qū)間為315～400 ℃。SNCR技術(shù)同樣使用尿素或氨基化合物作為還原劑，其與SCR技術(shù)最大的區(qū)別在于不使用催化劑，因此反應(yīng)溫度要求也較高，多在850～1 100 ℃，反應(yīng)位置在輔鍋爐膛。SNCR技術(shù)的脫硝效率一般為30%～60%，受輔鍋結(jié)構(gòu)及尺寸的影響很大，多用作低NOx燃燒技術(shù)的補充處理手段。SNCR技術(shù)具有工程造價低、布置簡易、占地面積小、適合老廠改造等優(yōu)點，新廠可以根據(jù)輔鍋設(shè)計配合使用。但無論SCR技術(shù)還是SNCR技術(shù)，都不能忽視氨逃逸、設(shè)備腐蝕的副作用，改造設(shè)備還必須充分考慮對燃機和輔鍋原參數(shù)的影響等問題。

由于輔鍋煙氣排放新標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，而富島一期合成氨裝置建設(shè)之初選用的燃機脫硝技術(shù)相對落后，不得不面臨輔鍋煙氣脫硝改造的問題?？紤]到富島一期合成氨裝置的實際情況和適用性，海洋富島公司將選擇對燃機脫硝改造的DLN技術(shù)為主，配合輔鍋煙氣脫硝SNCR技術(shù)，尋求有效降低排放煙氣中NOx含量的方法。

4 結(jié)語

富島一期合成氨裝置燃機-輔鍋聯(lián)合系統(tǒng)可以說是一項創(chuàng)新，改變了燃機乏氣去一段爐的傳統(tǒng)選擇，在操作獨立性、縮短開車時間、降低能耗和減少污染物排放等方面都顯示出了優(yōu)越性。該路線減小了系統(tǒng)對燃機乏氣的依賴性，間接增加了燃機的改造空間，富島一期合成氨裝置在2003年和2016年的兩次改造均獲成功，突破了裝置運行瓶頸問題，取得了良好的經(jīng)濟效益。經(jīng)過23年的運行，已證明富島一期合成氨裝置燃機-輔鍋路線的優(yōu)越性和可靠性，但不可否認(rèn)的是，由于煙氣最新排放標(biāo)準(zhǔn)要求較高，新建裝置需要特別考慮燃機選型和燃機煙氣脫硝技術(shù)的選擇問題。