中能化工合成氨裝置優(yōu)化改造總結(jié)

葛超偉

(安徽晉煤中能化工股份有限公司，安徽 臨泉 236400)

0 引 言

安徽晉煤中能化工股份有限公司(簡稱中能化工)有3套航天爐粉煤加壓氣化裝置(共3臺航天爐)，分3期建設(shè)；其中，三期航天爐項目為“600 kt/a合成氨原料路線調(diào)整節(jié)能技術(shù)改造項目”，三期項目一期工程(簡稱三期合成氨裝置)于2020年6月投產(chǎn)。近年來，以航天爐為代表的粉煤加壓氣化工藝在國內(nèi)新型煤化工產(chǎn)業(yè)中被廣泛采用，其在煤制甲醇、煤制合成氨、煤制烯烴、煤制天然氣、煤制油、煤制乙二醇等諸多領(lǐng)域均有應(yīng)用業(yè)績。

中能化工三期合成氨裝置采用新型粉煤加壓氣化(航天爐)、可控移熱變換、低溫甲醇洗脫硫脫碳、液氮洗脫除微量CO、低壓氨合成工藝，于2020年6月打通全系統(tǒng)流程，產(chǎn)出合格產(chǎn)品。裝置投運后，由于系統(tǒng)熱能回收利用效率不高、公用工程設(shè)計匹配度不盡合理等方面的原因，存在變換氣溫度偏高、變換除氧器放空量大、氨壓縮機負荷重、低溫甲醇洗系統(tǒng)尾氣H2S含量超標等問題，經(jīng)不斷地技術(shù)改造與優(yōu)化調(diào)整，現(xiàn)三期合成氨裝置運行穩(wěn)定且已實現(xiàn)達產(chǎn)達標。以下對有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 變換系統(tǒng)問題分析及優(yōu)化改造

1.1 變換氣溫度偏高

1.1.1 問題描述與分析

三期合成氨裝置原始設(shè)計中，將變換系統(tǒng)蒸汽冷凝液(約80 t/h、105 ℃)直接收集后送往脫鹽水站除鐵過濾器除雜過濾后再利用，流程中未對冷凝液進行降溫處理，冷凝液與新制脫鹽水在脫鹽水槽混合后外供各崗位。2021年2月，測得脫鹽水槽內(nèi)脫鹽水溫度高達52 ℃，而變換氣冷卻洗滌塔直接采用脫鹽水對變換氣進行洗滌和冷卻，高溫脫鹽水對變換氣完全沒有冷卻效果，導(dǎo)致變換系統(tǒng)出口氣溫度高達44 ℃，溫度偏高的變換氣進入低溫甲醇洗系統(tǒng)后，會在一定程度上增加低溫甲醇洗煤氣冷卻系統(tǒng)的負荷，致使循環(huán)甲醇溫度不易降低。

1.1.2 優(yōu)化改造措施

中能化工組織工藝人員對變換系統(tǒng)蒸汽冷凝液流程展開分析與排查，與設(shè)計院進行對接計算后發(fā)現(xiàn)，若在其流程中設(shè)置蒸汽冷凝液冷卻器先行適當降溫，然后再送往脫鹽水站，得到溫度適宜的新鮮脫鹽水供各用戶使用，可以解決變換系統(tǒng)出口氣溫度高的問題。考慮到三期合成氨裝置整體流程已經(jīng)成型，沒有條件進行大范圍改造，再次梳理流程后經(jīng)討論決定，在合成崗位新增1臺列管式換熱器(φ1 400 mm×10 946 mm，換熱面積358.4 m2)，利用部分新鮮脫鹽水冷卻變換蒸汽冷凝液，冷卻后的蒸汽冷凝液，一部分去合成蒸發(fā)冷凝器，新鮮脫鹽水被加熱至約60 ℃后去往鍋爐給水預(yù)熱器，經(jīng)加熱和除氧后作為變換汽包補水；剩余部分蒸汽冷凝液經(jīng)新鮮脫鹽水冷卻后仍送往脫鹽水站進行后續(xù)處理。

本項技改于2021年4月實施，新增蒸汽冷凝液冷卻器后工質(zhì)主要溫度數(shù)據(jù)見表1。

表1 新增蒸汽冷凝液冷卻器后工質(zhì)主要溫度數(shù)據(jù) ℃

由表1可以看出，改造后脫鹽水站外供脫鹽水溫度由約52 ℃降至約37 ℃，變換系統(tǒng)出口氣溫度由約44 ℃降至約37 ℃。變換氣溫度降低后，夾帶的水分得到良好分離，低溫甲醇洗系統(tǒng)進口原料氣冷卻器后工藝氣溫度下降約8 ℃，原料氣冷卻分離效果明顯增強，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

1.2 變換除氧器放空量偏大

1.2.1 問題描述與分析

中能化工三期合成氨裝置變換除氧器給水流程設(shè)置中，將部分汽輪機組透平冷凝液加熱后直接補入除氧器進行熱力除氧后供變換汽包。實際生產(chǎn)過程中，透平冷凝液加熱器出口冷凝液溫度高達116 ℃，除氧器在不加外來蒸汽的工況下頂部運行溫度達114 ℃(除氧器設(shè)計操作溫度105 ℃)，正常工況下透平冷凝液補入除氧器后產(chǎn)生大量閃蒸蒸汽。雖然通過改變部分換熱器運行模式等常規(guī)手段調(diào)節(jié)后透平冷凝液溫度降至112 ℃，但除氧器平臺閃蒸蒸汽量仍偏大，水汽彌散到周邊管道、設(shè)備上造成腐蝕加劇，且不利于現(xiàn)場管理；同時，過大的放空量還帶來現(xiàn)場噪聲污染——放空口周邊1 m范圍內(nèi)噪聲高達85 dB(A)，不利于現(xiàn)場作業(yè)人員的職業(yè)衛(wèi)生防護。另外，據(jù)現(xiàn)場放空量測算，變換除氧器放空口排放的閃蒸蒸汽量約0.4～0.6 t/h，這在一定程度上增加了脫鹽水消耗。

1.2.2 優(yōu)化改造措施

透平冷凝液加熱器的主要作用是利用汽輪機組生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的蒸汽冷凝液冷卻變換爐出口的高溫變換氣，同時提升冷凝液的溫度，達到回收熱量的目的。由于現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程已經(jīng)固定，對氣/液相流程進行改造的難度很大，設(shè)計單位不建議對主流程進行改造。

中能化工于2021年3月上會討論上述問題，經(jīng)相關(guān)部門多方調(diào)研與討論后，決定對變換除氧器閃蒸蒸汽進行回收，達到消除噪聲和回收乏汽冷凝液的目的。經(jīng)技術(shù)人員討論，借鑒以往其他裝置的經(jīng)驗，決定增設(shè)乏汽回收器，利用冷介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)部與乏汽進行充分的傳質(zhì)傳熱過程，既將乏汽轉(zhuǎn)化為冷凝液進行回收，又將乏汽中攜帶的熱量予以回收，在實現(xiàn)乏汽減量化排放的同時減輕現(xiàn)場噪聲污染。變換除氧器增設(shè)乏汽回收器流程示意見圖1。

圖1 變換除氧器增設(shè)乏汽回收器流程示意圖

2021年5月底完成乏汽回收器(型號SNQ-500，規(guī)格φ400 mm×1 800 mm)配管及機泵調(diào)試等工作，2021年6月初乏汽回收器正式投用，投用后乏汽回收器部分運行數(shù)據(jù)見表2?？梢钥闯觯儞Q除氧器周邊噪聲降至74 dB(A)左右，在很大程度上緩解了噪聲污染。另外，經(jīng)初步統(tǒng)計，乏汽回收器可通過冷卻乏汽的方式回收脫鹽水約3 200 t/a、回收乏汽汽化潛熱約200 tce(噸標準煤當量)，實現(xiàn)了環(huán)保效益與經(jīng)濟效益的雙贏。

表2 乏汽回收器部分運行數(shù)據(jù)

2 氨壓縮機負荷重問題分析及優(yōu)化改造

三期合成氨裝置配備1臺氨壓縮機，額定制冷量708.8×104kcal，額定蒸汽耗量15 t/h，主要負荷為空分裝置1臺冷凍水氨冷器(冷量需求292×104kcal)、低溫甲醇洗系統(tǒng)3臺循環(huán)甲醇氨冷器和1臺酸性氣氨冷器(合計冷量需求378×104kcal)。

2.1 問題描述與分析

2020年7月，三期合成氨裝置經(jīng)過中低負荷試車期后，負荷緩慢提升至約90%以上，此時氨壓縮機調(diào)節(jié)汽門開度達92%，蒸汽用量達14.4 t/h，試圖再增大調(diào)節(jié)汽門開度，蒸汽用量無明顯變化，氨壓縮機運行負荷已達最大；而此時低溫甲醇洗系統(tǒng)循環(huán)甲醇氨冷器負荷并不能滿足生產(chǎn)所需，主要異?，F(xiàn)象表現(xiàn)為CO2吸收塔頂貧甲醇溫度高出設(shè)計值約6 ℃，導(dǎo)致貧甲醇對CO2吸收效率下降，低溫甲醇洗系統(tǒng)出口凈化氣中CO2含量跑高至0.8%，不利于液氮洗系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

針對出現(xiàn)的問題，綜合二期項目低溫甲醇洗系統(tǒng)運行工況及三期項目低溫甲醇洗系統(tǒng)流程設(shè)計情況進行分析，發(fā)現(xiàn)三期合成氨裝置氨壓縮機運行工況有較大幅度的偏離，其原因主要有如下兩方面。

(1)低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)計貧甲醇循環(huán)量為280 m3/h，實際生產(chǎn)中由于前系統(tǒng)氣量和氣體成分發(fā)生變化，貧甲醇循環(huán)量加大至310 m3/h，高出設(shè)計值約10.7%，造成循環(huán)甲醇氨冷器負荷重，氣氨產(chǎn)生量大，氨壓縮機負荷重。

(2)流程排查中發(fā)現(xiàn)，空分裝置去往低溫甲醇洗系統(tǒng)的氣提氮氣管線存在較大溫升，空分裝置外供低壓氮氣溫度保持在20 ℃，而低溫甲醇洗界區(qū)氮氣管線溫度升至32 ℃，據(jù)氣提氮氣氣量(約20 000 m3/h)測算，此溫升幅度將導(dǎo)致低溫甲醇洗系統(tǒng)增加約50 000 kcal的冷凍功耗，加重氨壓縮機的負荷。

2.2 優(yōu)化改造措施

(1)中能化工氣化系統(tǒng)開車初期，為穩(wěn)定航天爐爐況、提高水冷壁的掛渣效果，選擇了與設(shè)計煤種接近的陜北煤，后隨著中能化工原料煤供應(yīng)渠道的拓展，不同種類的原料煤開始摻燒和試燒，在煤種更換期間以及遇到不適宜的煤種時，往往會出現(xiàn)粗合成氣氣量及成分發(fā)生較大變化，進而對低溫甲醇洗系統(tǒng)的運行產(chǎn)生不良影響。為此，組織對開車初期摻燒和試燒的煤種進行對比分析，篩選出不超過3種原料煤及其固定配比作為氣化原料煤，與煤炭采購部門溝通對接采購和運輸成本后，確定在供應(yīng)渠道暢通、價格合理的情況下盡可能采購選定的煤種；并且，要求質(zhì)檢部門對進廠原料煤按批次進行全分析，根據(jù)煤種特性合理控制摻燒配比，優(yōu)化氣化系統(tǒng)運行條件，加大對粉煤粒度、氧煤比、汽氧比等關(guān)鍵指標的考核，以求獲得最佳工藝氣質(zhì)量；同時，加大低溫甲醇洗系統(tǒng)工況調(diào)整，在凈化氣氣質(zhì)合格的情況下最大限度地減少甲醇循環(huán)量，以降低循環(huán)甲醇氨冷器的負荷。

(2)排查發(fā)現(xiàn)，空分裝置至低溫甲醇洗系統(tǒng)氣提氮氣管線為長約420 m的DN700碳鋼管道，其中80%以上布置在管廊邊界處，主要以東西走向居多，天氣晴好時陽光可以長時間照射管道，致使管道內(nèi)的氣提氮氣出現(xiàn)較大溫升。為此，聯(lián)系施工單位現(xiàn)場對接處理方案，確定按照施工規(guī)范和工藝需求對空分裝置至低溫甲醇洗系統(tǒng)長約420 m的氣提氮氣管線進行保冷。2021年8月管線保冷施工結(jié)束，測得低溫甲醇洗界區(qū)氣提氮氣管線內(nèi)的氮氣溫度降至24 ℃，由此可減少低溫甲醇洗系統(tǒng)約43 500 kcal的冷損，使氨壓縮機低壓段負荷降低約3%，有效緩解了氨壓縮機負荷重的問題。

3 低溫甲醇洗尾氣超標問題分析及優(yōu)化改造

三期合成氨裝置低溫甲醇洗系統(tǒng)采用大連理工低溫甲醇洗工藝，設(shè)置有H2S/CO2吸收塔(C2201/C2202)、閃蒸塔(C2203)、循環(huán)甲醇閃蒸塔(C2208)、氣提/CO2解吸塔(C2204)、常溫氣提塔(C2209)、熱再生塔(C2205)、甲醇/水分離塔(C2206)、尾氣洗滌塔(C2207)。變換氣中H2S和CO2分別在H2S/CO2吸收塔內(nèi)的H2S吸收段和CO2吸收段完成吸收。三期合成氨裝置于2020年6月打通全系統(tǒng)流程后，低溫甲醇洗系統(tǒng)運行狀況良好，日常分析低溫甲醇洗系統(tǒng)C2207排放氣中總硫含量均在10×10-6以下(尾氣中總硫含量指標為10×10-6以下)。

3.1 問題描述與分析

2021年5月發(fā)生過一次供電系統(tǒng)故障，三期合成氨裝置重啟后出現(xiàn)低溫甲醇洗系統(tǒng)排放氣總硫含量超標，最高超過280×10-6，尾氣放空管下風(fēng)向隱約可以嗅到硫化物臭味，不利于環(huán)境保護和作業(yè)現(xiàn)場異味控制。

低溫甲醇洗尾氣主要源于兩部分，一部分為CO2產(chǎn)品氣經(jīng)回收冷量后的放空氣(即CO2產(chǎn)品氣供輸煤和尿素生產(chǎn)后富余的那部分)；另一部分為氣提/CO2解吸塔(C2204)B段閃蒸氣。尾氣超標問題出現(xiàn)后，對這兩股氣體進行連續(xù)取樣分析統(tǒng)計，各工藝氣總硫含量分析數(shù)據(jù)見表3?？梢钥闯?，CO2產(chǎn)品氣中總硫含量一直穩(wěn)定在2×10-6左右，而C2204 B段閃蒸氣總硫含量一直偏高，取樣分析期間最高達到0.003%，這就印證了排放氣總硫超過280×10-6的可能性，并判斷排放氣總硫含量超標主要是C2204 B段閃蒸氣總硫含量高所致，換言之，C2204 B段運行工況是調(diào)整的重點。C2204 B段洗滌甲醇來自C2204 D段，D段不含硫甲醇通過降液管直接進入B段對閃蒸氣進行洗滌，由于來自D段的不含硫甲醇流量不可調(diào)整，因此只能對B段閃蒸壓力進行微調(diào)，但收效甚微。

表3 低溫甲醇洗系統(tǒng)工藝氣總硫含量分析數(shù)據(jù)

低溫甲醇洗系統(tǒng)中，將尾氣洗滌塔塔底的甲醇溶液作為甲醇/水分離塔的進料，同時將甲醇/水分離塔內(nèi)經(jīng)過分離后的廢水小部分作為尾氣洗滌塔的回流液，大部分作為廢水排放至污水處理系統(tǒng)；正常運行期間，甲醇/水分離塔進料管線(位于甲醇/水分離塔第56塊塔盤位置)補入堿液調(diào)節(jié)甲醇溶液的pH，同時希望補入的堿液可以帶入尾氣洗滌塔對尾氣中的硫化物起到中和洗滌的作用。運行過程中發(fā)現(xiàn)，自甲醇/水分離塔進料管補入的堿液多數(shù)通過廢水排放管線排入了污水處理系統(tǒng)，帶入尾氣洗滌塔的堿液量很小，未能發(fā)揮其中和尾氣中硫化物的作用。

3.2 優(yōu)化改造措施

通過多方論證后，計劃將堿液進口由甲醇/水分離塔進料口調(diào)整至尾氣洗滌塔回流液流量調(diào)節(jié)閥后，從尾氣洗滌塔(C2207)第8塊塔盤位置加入，將此堿液直接與尾氣接觸而達到中和尾氣中微量硫的目的。本項技改于2021年8月完成，技改后對C2207排放氣進行取樣分析，排放氣中總硫含量降至5×10-6以下，現(xiàn)場實際異味及感觀狀況明顯好轉(zhuǎn)，改造達到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

目前，化工企業(yè)尤其是煤化工企業(yè)，一方面需滿足國家“碳達峰、碳中和”的遠期要求，另一方面需積極自主開展環(huán)保治理，同時還要應(yīng)對業(yè)內(nèi)的競爭壓力，生存空間越來越窄。對于中小型化工裝置尤其是傳統(tǒng)化工裝置，只有在生產(chǎn)過程中做好自我管控，堅持開展技術(shù)創(chuàng)新和技術(shù)改造，才能生存下去。

煤化工裝置的運行工況時刻都可能發(fā)生改變，生產(chǎn)中只有認真對待和分析各種細小的變化，注重細節(jié)管理、強化過程控制，才能及時發(fā)現(xiàn)并處理運行中的問題或缺陷，助力裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。