40萬t/a CO2汽提法尿素裝置節(jié)電技改措施研究應(yīng)用

趙小芳

(河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司, 河南開封 475100)

河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司二分公司有3套40萬t/a CO2汽提法尿素裝置，主要利用往復(fù)式壓縮機加壓和往復(fù)式柱塞泵加壓提供原料輸送，單套設(shè)計產(chǎn)能為1 330 t/d，每套尿素裝置的主要用電設(shè)備為3臺往復(fù)式壓縮機、3臺往復(fù)式高壓氨泵、3臺往復(fù)式高壓甲銨泵、30臺離心泵、2臺循環(huán)水泵和8臺循環(huán)水風(fēng)機。尿素裝置運行后發(fā)現(xiàn)噸尿素電耗較高。經(jīng)分析對比發(fā)現(xiàn)壓縮機的設(shè)計余量較大，在滿負(fù)荷情況下仍存在余量，設(shè)計匹配上余量較大；循環(huán)水分?jǐn)傠娏枯^多。為了徹底解決噸尿素電耗較高的問題，在2017年對尿素裝置主要用電設(shè)備進(jìn)行了多項技術(shù)改造，最終使噸尿素電耗大幅下降。

1 主要設(shè)備工藝流程

該尿素裝置采用國內(nèi)改良型CO2汽提法工藝，其中小顆粒裝置2套，大顆粒裝置1套，每套生產(chǎn)能力均為40萬t/a。從凈化工段送來的CO2氣體，經(jīng)往復(fù)式壓縮機壓縮在三段出口脫硫后，經(jīng)五級壓縮并通過脫氫工藝后與從氨庫來的液氨經(jīng)往復(fù)式高壓氨泵加壓后一起進(jìn)入高壓合成系統(tǒng)反應(yīng)生成尿素，往復(fù)式壓縮機、往復(fù)式高壓氨泵、往復(fù)式高壓甲銨泵均為2開1備。工藝流程方框圖見圖1[1]。

圖1 工藝流程方框圖

2 尿素裝置電耗高的原因分析

2.1 原料核心動設(shè)備設(shè)計不匹配

尿素裝置核心原料輸送動設(shè)備為壓縮機和高壓氨泵，該尿素裝置設(shè)計往復(fù)式壓縮機和往復(fù)式高壓氨泵均為2開1備，在裝置超產(chǎn)摸索期間，高壓氨泵滿流量運行情況下，往復(fù)式壓縮機的運行還有余量，提升流量的一回一閥門開還有開度，其余配套設(shè)備都能滿足超負(fù)荷15%運行，整個裝置達(dá)到115%長周期穩(wěn)定運行。由于壓縮機屬于大功率耗電設(shè)備，占噸尿素電耗的60%，用電量直接關(guān)系到尿素成本，所以壓縮機余量是造成噸尿素電耗高的一個原因。

2.2 前工藝未完全利用

前系統(tǒng)凈化工藝采用低溫甲醇洗0.8 MPa富CO2甲醇，經(jīng)過閥門減壓后在閃蒸塔上段閃蒸出CO2產(chǎn)品氣，該CO2產(chǎn)品氣經(jīng)過2組繞管換熱器換熱到常溫后，送下游尿素車間。前期負(fù)荷低，為了多產(chǎn)CO2產(chǎn)品氣，將CO2產(chǎn)品氣外送，壓力控制在20 kPa左右；后期由于CO2產(chǎn)品氣富裕用戶少，CO2產(chǎn)品氣壓力升高為60 kPa，前系統(tǒng)提壓后壓縮機打氣量增大，為保證高壓所需的CO2氣量，壓縮機需要打開一回一流量閥來控制流量，造成壓縮機做功流量回流，電耗升高。因此前系統(tǒng)外送的CO2壓力未被壓縮機一段完全合理利用，使凈化工段送來的CO2氣體的壓力與壓縮機設(shè)計壓力不匹配，造成壓縮機回流做功，電耗升高。

2.3 壓縮機設(shè)計余量較大

該往復(fù)式壓縮機型號為6M40-235/157，設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 往復(fù)式壓縮機設(shè)計參數(shù)

原設(shè)計壓縮機入口CO2氣體的溫度壓力與目前前系統(tǒng)實際送尿素裝置的CO2氣體的壓力溫度情況見表2。

從表2可以看出：原設(shè)計的CO2氣體壓力和溫度與目前實際的CO2氣體壓力和溫度差別較大，且原設(shè)計余量較大，造成壓縮機運行后余量較大(尿素合成系統(tǒng)已滿量)，往復(fù)式壓縮機調(diào)節(jié)流量的一回一閥門有開度，造成往復(fù)式壓縮機運行過程存在回流量，造成電量的浪費[2]。

表2 CO2氣體的壓力和溫度

2.4 循環(huán)水電量分?jǐn)傒^高

2.4.1 循環(huán)水風(fēng)機

該尿素裝置共有6臺循環(huán)水體積流量為5 000 m3/h的涼水塔，循環(huán)水系統(tǒng)循環(huán)水體積流量分別為30 000 m3/h和15 000 m3/h，采用電動機帶動風(fēng)機對循環(huán)水進(jìn)行強制機械抽風(fēng)，采用方形逆流式的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)冷卻塔，冷卻塔型號為NL-II-5000m3/h，單塔循環(huán)水體積流量為5 000 m3/h，風(fēng)機尺寸為Φ9 750 mm，風(fēng)量(體積流量)不小于300×104m3/h。設(shè)施管道布置流程平面圖見圖2。供水、回水壓力分別為0.5 MPa、0.25 MPa，回水水溫為42 ℃,供水水溫≤32 ℃,風(fēng)機由電動機驅(qū)動，傳動器為碳纖維軸，電動機功率為200 kW(10 kV接線)，實際效率約85%，風(fēng)機負(fù)荷受水量及溫度影響，分?jǐn)傠娏枯^高。

圖2 設(shè)施管道布置流程平面簡圖

2.4.2 循環(huán)水水泵電動機

該尿素裝置與硝銨裝置共用1個循環(huán)水系統(tǒng)，尿素裝置設(shè)計用循環(huán)水體積流量1.5萬m3/h，硝銨裝置設(shè)計用循環(huán)水體積流量5 000 m3/h，因此設(shè)計采用2臺1.2萬m3/h的循環(huán)水泵運行。原設(shè)計為尿素裝置和硝銨裝置全部滿負(fù)荷運行，由于在硝銨市場和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整情況下不能都達(dá)到滿負(fù)荷運行，所以造成2臺循環(huán)水大泵運行余量大、分?jǐn)傠娏慷?，使噸尿素電耗升高[3]。

3 改造措施

3.1 摸索前工藝提高CO2壓力

分階段逐步提高了CO2產(chǎn)品氣壓力到80 kPa左右。在提壓過程中主要評估了CO2產(chǎn)品氣解吸減少后導(dǎo)致冷量減少對原料氣降溫的影響，另外評估了尾氣量增加后，尾氣冷量的回收情況，最后將壓力提高到80 kPa。

3.2 往復(fù)式壓縮機一段缸改造

對一段缸進(jìn)行改造(與一段缸配套的附屬設(shè)備不變)，后面的二、三、四、五段的所有設(shè)備不變，也不影響運行，滿負(fù)荷運行時一回一流量閥全部關(guān)閉，使壓縮機的一段出口壓力達(dá)到0.22 MPa，一回一流量閥不再留余量(不滿負(fù)荷時調(diào)節(jié)一回一流量閥不影響壓縮機運行)，達(dá)到節(jié)電的目的[4]。

改造前后往復(fù)式壓縮機技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 改造前后往復(fù)式壓縮機技術(shù)參數(shù)

往復(fù)式壓縮機改造后的各缸參數(shù)情況和工藝指標(biāo)情況見表4和表5。

表4 進(jìn)、排氣的壓力、溫度、氣缸直徑

表5 各列活塞力、軸功率

由表5可以看出，改造后往復(fù)式壓縮機的總軸功率為2 109 kW。

2017年8月3套尿素裝置所使用的8臺壓縮機一段缸全部改造完成，運行穩(wěn)定，目前滿負(fù)荷運行。在同樣氣量的情況下,改造前往復(fù)式壓縮機的電流為180 A左右，改造后電流為140 A左右，根據(jù)電氣電量計量每臺往復(fù)式壓縮機每天約節(jié)電約1.6萬kW·h，3套每年約節(jié)電2 880萬kW·h，噸尿素電耗降低19.5 kW·h。

3.3 循環(huán)水泵改造

循環(huán)水系統(tǒng)新上1臺體積流量為6 000 m3/h的循環(huán)水小泵，在硝銨裝置負(fù)荷不滿的情況下，可以開循環(huán)水泵1大1小就可以滿足生產(chǎn)，降低了尿素的循環(huán)水分?jǐn)傠娏?，改造后約降低噸尿素電耗3.5 kW·h。

3.4 循環(huán)水風(fēng)機改造

隨著企業(yè)的不斷發(fā)展、水輪機技術(shù)的不斷升級，以及新型市場化節(jié)能機制的產(chǎn)生，利用自身能量增加水輪機代替用電風(fēng)機，達(dá)到節(jié)電目的。改造要有足夠的循環(huán)水量及壓頭以保證水輪機動力源，且循環(huán)水水泵電流在改造前后不能發(fā)生變化，用水輪機替換原電動機來驅(qū)動風(fēng)機。目前改造2臺，降低噸尿素電耗約2.5 kW·h，改造后的平面布置圖見圖3。

4 結(jié)語

通過以上改造，噸尿素電耗總體降低了25.5 kW·h，夏季噸尿素電耗降低至130 kW·h左右，冬季高產(chǎn)情況下噸尿素電耗降低至120 kW·h以內(nèi),效果非常理想。