煤制合成氨裝置工藝技術(shù)組合比選與能耗分析

胡步千,張占一,施俊華,夏 智

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

我國人口眾多,傳統(tǒng)化石能源量相對不足,人均擁有量遠(yuǎn)低于世界平均水平。在百年未有之大變局下,我國正處在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)展階段,并提出“2030年實現(xiàn)碳達峰,2060年實現(xiàn)碳中和”目標(biāo),由此對我國的能源消費結(jié)構(gòu)提出了轉(zhuǎn)型要求?；ば袠I(yè)能耗高,碳排放總量巨大,節(jié)能減排任務(wù)艱巨。節(jié)能是緩解能源制約、減輕環(huán)境壓力、保障經(jīng)濟安全、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,是實現(xiàn)國家“碳達峰、碳中和”目標(biāo)的必經(jīng)之路,是提高人民生活質(zhì)量、維護中華民族長遠(yuǎn)利益的必然要求。

在煤制合成氨行業(yè)中,不同原料的煤制合成氨工藝路線各有差異,但主要包括原料氣制備、CO 變換、氣體凈化、壓縮氨合成、尾氣回收等工序,能耗主要由原料消耗、燃料消耗、蒸汽消耗和電力消耗等組成,因此對不同工藝技術(shù)路線進行比較選擇和能耗分析,選擇合理節(jié)能的技術(shù)路線意義重大,符合行業(yè)發(fā)展趨勢和要求。

1 氣化工藝技術(shù)選擇(針對粉煤氣化)

針對國內(nèi)多地區(qū)的“三高”煤種,煤氣化工藝更適合采用干煤粉氣化技術(shù)。本文的氣化技術(shù)比選針對干煤粉氣化技術(shù),水煤漿氣化工藝不在本文討論范圍內(nèi)。目前干煤粉氣化技術(shù)主要有兩大類,一類是干煤粉下行水激冷流程,一類是干煤粉廢鍋流程(對流廢鍋/輻射廢鍋)。

目前,國內(nèi)干粉下行水激冷流程應(yīng)用最為廣泛、業(yè)績更多,包括航天爐、SE-東方爐、神寧爐、AP爐(原殼牌)等。同時,國內(nèi)干粉輻射廢鍋氣化爐有運行業(yè)績的有山東潤銀1臺3 500t/d規(guī)模的航天爐和浙江巴陵恒逸2臺2 000t/d規(guī)模的航天爐,該氣化爐近期開車投料成功,仍處于裝置示范階段,有待長期工業(yè)運行數(shù)據(jù)證實其可靠性和先進性,本文暫不比較。目前,國內(nèi)對流廢鍋氣化爐有長期穩(wěn)定運行業(yè)績的為AP廢鍋流程氣化爐(原殼牌),而AP廢鍋氣化爐投資較高,對小規(guī)模氣化裝置而言經(jīng)濟性相對較差。

本文以貴州地區(qū)某合成氨項目為例,激冷流程和對流廢鍋流程兩類干煤粉氣化工藝的主要原料和公用工程消耗見表1(對應(yīng)CO+H2規(guī)模約為77 500Nm3/h)。

表1 激冷流程和對流廢鍋流程干煤粉氣化工藝原料和公用工程消耗對比

由上表看出,對流廢鍋流程氣化工藝比激冷流程副產(chǎn)更多中壓蒸汽,脫鹽水、循環(huán)水耗量及廢水排放量更少,壓縮氣體消耗及電耗更高,此外激冷流程合成氣的水汽比遠(yuǎn)高于對流廢鍋流程。

2 變換工藝技術(shù)選擇

根據(jù)粗合成氣組成及產(chǎn)品要求,變換裝置可采用的工藝主要有絕熱變換工藝、一段絕熱+一段等溫變換工藝及兩段等溫變換3種工藝。

一氧化碳變換工序一般分為變換反應(yīng)及余熱回收系統(tǒng)、冷凝液汽提系統(tǒng)和催化劑升溫硫化系統(tǒng)。無論是絕熱變換工藝還是等溫變換工藝,冷凝液汽提系統(tǒng)和催化劑升溫硫化系統(tǒng)基本是相同的,因此,本文僅針對變換反應(yīng)及余熱回收系統(tǒng)對比。

下面針對典型的激冷流程和對流廢鍋流程氣化產(chǎn)的粗煤氣為原料,以全絕熱變換工藝、一段絕熱+一段等溫變換工藝及兩段等溫變換工藝,在消耗/產(chǎn)出、投資等方面進行對比。

2.1 針對典型干煤粉下行水激冷流程

(1)粗煤氣的規(guī)格見表2。

表2 典型干煤粉下行水激冷流程粗煤氣規(guī)格

(2)采用3種不同一氧化碳變換工藝流程公用工程的消耗對比見表3。

表3 典型干煤粉下行水激冷流程不同變換工藝公用工程消耗對比

由上表可知,不同變換工藝的消耗/產(chǎn)出指標(biāo),除了鍋爐給水和蒸汽之外基本相當(dāng)。兩段等溫副產(chǎn)中壓飽和蒸汽為40t/h,較前兩個變換方案多,同時兩段等溫變換工藝的阻力降最低,可降低后續(xù)氨合成過程中合成氣壓縮機的能耗。

但兩段等溫工藝只能副產(chǎn)中壓飽和蒸汽,相較前兩種可以副產(chǎn)過熱蒸汽的工藝,副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)較低,需結(jié)合全廠蒸汽平衡及下游用戶進行綜合考慮,或者額外增加過熱手段以滿足用戶需求。

(3)投資估算對比。僅對3個變換方案對應(yīng)的設(shè)備購置費、催化劑費用等設(shè)備總投資進行對比,管道、儀表等其他費用不做具體分析,對比數(shù)據(jù)見表4。

表4 典型干煤粉下行水激冷流程不同變換工藝投資對比

兩段等溫變換方案比三段絕熱變換方案投資費用多580萬元,而副產(chǎn)蒸汽量增加4.9t/h,按蒸汽價格120元/t計,采用兩段等溫變換方案,一年多即可收回投資差價。同時,三個方案的循環(huán)水消耗和電耗接近,兩段等溫方案的消耗和阻力降最低、副產(chǎn)蒸汽量最多。因此,從經(jīng)濟性和能耗角度分析,激冷流程氣化工藝制合成氨變換工藝推薦二段等溫變換。

2.2 針對典型干煤粉對流廢鍋流程

(1)粗煤氣的規(guī)格見表5。

表5 典型干煤粉對流廢鍋流程粗煤氣規(guī)格

(2)采用3種不同一氧化碳變換工藝流程公用工程的消耗對比見表6。

表6 典型干煤粉對流廢鍋流程不同變換工藝公用工程消耗對比

對于干煤粉對流廢鍋流程來說,3種變換工藝的公用工程消耗趨勢與干煤粉下行水激冷流程類似。

(3)在氣化采用對流廢鍋流程時,一段絕熱+一段等溫方案的余熱最多,如不考慮變換余熱完全利用時,兩段等溫變換能效最高;如果一段絕熱+一段等溫的方案變換余熱能完全利用,則比兩段等溫節(jié)能。從設(shè)備總投資上比較,與激冷流程類似,兩段等溫變換要高于一段絕熱+一段等溫的方案。因此,從經(jīng)濟性和能耗角度分析,若變換余熱不能完全利用時,干煤粉對流廢鍋流程氣化工藝制合成氨變換工藝推薦二段等溫變換;如果變換余熱能完全利用,推薦采用一段絕熱+一段等溫的方案。

2.3 變換深度的影響

(1)對于干煤粉下行水激冷流程來說,粗煤氣中水含量較高,在催化劑初期,變換無需連續(xù)額外補充蒸汽,無論采用哪種變換工藝,變換氣產(chǎn)品中的CO干基摩爾含量均可以達到0.7%或更低,即變換深度從1.5%降至0.7%,對蒸汽消耗影響很小(小于1t/h)。

因此,針對干煤粉下行水激冷流程,可提高設(shè)計變換深度至0.7%,以提高有效氣的利用率。

(2)以上述干煤粉對流廢鍋流程為例,由于煤氣中H2O含量較低,為了提高變換深度,需連續(xù)補入中壓蒸汽。以兩段等溫變換為例,經(jīng)過計算,如果將出口變換氣中CO干基摩爾含量從1.5%降至0.7%,需要多消耗13t/h的中壓飽和蒸汽,對應(yīng)的冷凝液汽提系統(tǒng)能耗也會增加。

同時由于出口換氣中CO干基摩爾含量從1.5%降至0.7%,產(chǎn)H2量更多,原料煤耗量可從51.63t/h降至50.81t/h,節(jié)約原料煤0.82t/h。

按小時消耗對節(jié)省的原料煤和消耗的蒸汽進行折能綜合比較,0.82t原料煤折合463kg標(biāo)油小于13t中壓蒸汽折合1144kg標(biāo)油,而CO變換至1.5%的方案與變換至0.7%相比,雖然去下游低溫甲醇洗、液氮洗的工藝氣量和能耗也會略有增加,但遠(yuǎn)低于節(jié)約蒸汽的折能。因此,針對干煤粉對流廢鍋流程,不建議進一步提高變換深度,以避免高能耗,變換深度可維持1.5%。

2.4 氣化加變換組合的比較

(1)針對變換來說,由于一段絕熱+一段等溫工藝的投資、能耗等均處于另外兩種工藝之間,因此,氣化加變換組合方案比較將研究全絕熱和全等溫變換工藝,與不同氣化工藝進行組合比較。

以下對3種組合工藝流程進行綜合比較。方案1:干煤粉下行水激冷+兩段等溫變換;方案2:干煤粉對流廢鍋+兩段等溫變換;方案3:干煤粉對流廢鍋+四段絕熱變換;3種方案的公用工程總消耗比較見表7。

表7 不同氣化、變換組合工藝公用工程消耗對比

由上表比較可以看出,3種方案對應(yīng)的煤耗、氧耗差別不大,采用等溫變換壓降低,對下游氨合成的合成氣壓縮機能耗降低很多。

(2)幾種組合方案的主要優(yōu)缺點見表8。

表8 不同氣化、變換組合工藝主要優(yōu)缺點對比

從綜合比較來看,變換工藝采用等溫變換節(jié)能效果優(yōu)勢明顯。在前幾年國內(nèi)項目中,受當(dāng)時等溫變換技術(shù)發(fā)展、專利技術(shù)引用等原因影響,絕大多數(shù)采用的是多段絕熱變換工藝,能耗和投資都較高。

比較3個方案,其綜合能耗計算如下:

方案1:氣化+變換的能耗為:36.34GJ/t(NH3);方案2:氣化+變換的能耗為:30.20GJ/t(NH3);方案3:氣化+變換的能耗為:33.25GJ/t(NH3)。

(3)不同氣化、變換組合工藝綜合能耗對比見表9。

表9 不同氣化、變換組合工藝綜合能耗對比

經(jīng)過計算,在能耗方面,方案2能耗最低;在投資方面,方案3投資最高,方案1投資最低。

3 氨合成壓力選擇

氨合成工藝路線的核心為氫氣與氮氣反應(yīng)生成氨,該反應(yīng)是放熱、體積縮小的可逆反應(yīng),反應(yīng)式如下:

△H0298=-46.22kJ/mol

反應(yīng)同時需要高溫、高壓和催化劑的作用,在工業(yè)生產(chǎn)中,整個氨合成工藝參數(shù)的選擇要綜合考慮到氨凈值、反應(yīng)溫度壓力、催化劑、原料消耗、能量回收及設(shè)備投資等因素,為此,工藝方案的選擇具有很強的技術(shù)經(jīng)濟性。

通常來說,反應(yīng)壓力越高,氨合成的轉(zhuǎn)化率越高,氨凈值也高,但對應(yīng)的合成氣壓縮機功耗則會增加;反之,反應(yīng)壓力低,對應(yīng)的冷凍功耗大,氨壓縮機消耗高,同時這也與選定的催化劑在不同壓力下的活性有關(guān),因此合成壓力的選取需綜合考慮提高氨凈值和節(jié)能等多種影響因素。

針對中大型合成氨裝置(年產(chǎn)30萬t及以上),普遍采用的是中、低壓合成工藝中的合成回路,操作壓力通常在13～16MPa之間,當(dāng)合成氨裝置年產(chǎn)100萬t及以上時,氨合成的壓力可提高至18～19MPa之間,合成壓力最終由合成專利商和選定的催化劑等綜合因素決定,一般來說,裝置規(guī)模越大,選取的合成壓力越高,綜合經(jīng)濟性越好。

4 氨合成余熱利用

根據(jù)項目的節(jié)能要求,在滿足工藝裝置要求的前提下,根據(jù)工藝余熱品位不同,可分別用于副產(chǎn)蒸汽、加熱鍋爐給水或預(yù)熱脫鹽水和補充水、有機朗肯循環(huán)發(fā)電等,以實現(xiàn)能量供需和品位相匹配。

針對氨合成的余熱,一般可以全部預(yù)熱鍋爐給水,也可以全部副產(chǎn)蒸汽或組合進行,主要由全廠蒸汽平衡配置和用戶決定。

一般來說,如采用激冷加絕熱變換工藝,合成的余熱用于預(yù)熱鍋爐給水后送變換廢鍋/全廠鍋爐統(tǒng)一生產(chǎn)過熱蒸汽;如采用激冷加等溫變換工藝,合成的余熱和變換余熱可以一起生產(chǎn)飽和中壓蒸汽,蒸汽給裝置自用或外送界區(qū)。

5 綜合能耗

根據(jù)《高耗能行業(yè)重點領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平(2021年版)》,以優(yōu)質(zhì)無煙塊煤為原料的合成氨單位產(chǎn)品綜合能耗標(biāo)桿水平為1 100kgce/t,基準(zhǔn)水平為1 350kgce/t;以非優(yōu)質(zhì)無煙塊煤、型煤為原料的合成氨能效標(biāo)桿水平為1 200kgce/t,基準(zhǔn)水平為1 520kgce/t;以粉煤為原料的合成氨能效標(biāo)桿水平為1 350kgce/t,基準(zhǔn)水平為1 550kgce/t;以天然氣為原料的合成氨能效標(biāo)桿水平為1 000kgce/t,基準(zhǔn)水平為1 200kgce/t。

截至2020年底,我國合成氨行業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占7%,單位產(chǎn)品綜合能耗低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占19%,同時根據(jù)合成氨行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施指南的要求,到2025年,合成氨行業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗標(biāo)桿水平以上產(chǎn)能比例達到15%,單位產(chǎn)品綜合能耗基準(zhǔn)水平以下產(chǎn)能基本清零,行業(yè)節(jié)能降碳效果顯著,綠色低碳發(fā)展能力大幅增強。

6 結(jié)語

合成氨用途較為廣泛,除用于生產(chǎn)氮肥和復(fù)合肥料以外,還是無機和有機化學(xué)工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料。合成氨行業(yè)規(guī)?；讲町愝^大,不同企業(yè)綜合能耗差異顯著,主要存在能量轉(zhuǎn)換效率偏低、余熱利用不足等問題。通過氣化和變換工藝耦合優(yōu)化以及氨合成余熱的綜合利用,可以進一步實現(xiàn)合成氨行業(yè)節(jié)能降碳升級。