基于设备选型改造探讨合成氨节能减排的有效途径

谢放华

（湖南安淳高新技术有限公司，湖南安淳 410017）

氮肥企业是耗能大户，面对市场的冲击，如何节约能源、最大限度地降低生产成本以及搞好装置挖潜是企业生死存亡的关键，因此合成氨厂造气工序的节能降耗是化肥企业生存与发展的关键；对于固定床煤气发生炉的节能降耗，设备的配置与调整是核心问题，固定床煤气发生炉的汽化效率高低直接影响到节能降耗，汽化效率高低受许多条件约束，本文从设备的选型、改造和安装节能专用设备三个方面展开讨论。

1 设备选型节能

1.1 煤气炉的选型

近几年来，业界一些专家和同行在对比了小氮肥、中氮肥企业的炉型、煤耗、温度控制等方面的设备和工艺参数后指出，目前固定床制气生产过程中，煤气炉的高径比是制约中氮厂或一部分尚未进行改造的小氮肥厂节能降耗的主要因素。长期实践表明：选用直筒炉是比较理想的，选择时要注意高径比在2∶1之间比较合理。炉底部的炉渣过渡区必须在300～400 mm，这样有利于燃料层稳定下移，可避免发生流炭现象，有利于降低炉渣含碳和节能降耗。

河南心连心化肥有限公司于2007年12月开始对造气车间原有Φ3.0 m造气炉系统进行拆建技改，并于2008年4月下旬一次性开车成功。新型CY-Φ3.2 m煤气炉适用于以各种原料煤进行造气，它的主要特性有如下：①降低一次风入炉风速，优化入炉布风状态。老式煤气炉一次风入炉流量达到35 000 Nm3/h时，流速为21.6 m/s；而新型CYΦ3.2 m煤气炉流速降到了5.6 m/s，对炉内料层的冲击大幅下降。②降低炉膛内炭层的气流速度，提高吹风强度，减少“吹翻”现象。③炉下部采用耐高温设计，更适应烧劣质煤，操作弹性提高。④新型CY-3.2 m煤气炉炉体总高6 600 mm，高径比达到2∶1，上气道出气口采用顶部斜出。夹套高度为3 000 mm，既不会“挂疤”，又降低了炉上温度和带出物，操作弹性大幅提高。

1.2 炉箅选型

炉箅是煤气炉的核心部件之一，其功能好坏直接影响到炉况正常与否，也必然影响到节能降耗。相当长的一段时间内，业界对炉箅的配置和使用存在误区。生产中炉箅的形式只保守地采用塔形，同时采用较高的高度，通常Φ 3 000 mm系列炉所用的炉箅高度控制在1.65～1.75 m，Φ 2 000 mm系列炉控制在1.45 m左右。炉箅越高，整个煤气发生炉的高度也越大，更重要的是，炉箅占炉膛的体积就越大，会占据更多气化层的气化空间，有效气化层不得不向上推移，使干燥层到氧化层的气化空间进一步受到限制，从而导致炭层过薄，CO2还原得不到保障，气体成分差。另外，靠近炉箅部分的炭与一次空气送来的氧接触，提温速度过快，造成结块；如果一次风量控制不好，煤气炉由于风压过大，炭层很容易被吹翻。

较好的炉箅应具有以下功能：①应具备承渣、导渣、降渣、推渣、破渣、排渣的功能。②合理布风。根据煤气炉使用的原料品种、炭层高度、风机风压和风量来选取布风合理的炉箅。新型CY-Φ3.2 m煤气炉入炉箅布风状态为扇形分散状气流，与炉箅风道相应，形成均匀布风。③通风面积大。只有通风面积大的炉箅，才能实现煤气炉高负荷生产所需要的风量。④带出物少。炉算通道折边设计合理，一般带出物不会太多（每天在15 kg左右），有的锥形炉一天带出物多达1.4 t，影响煤气炉正常运行。⑤使用寿命长。质量差的炉箅使用寿命仅6个月，好的铸钢炉箅使用寿命可达2～3 a。

炉箅的合理配置是制约煤气发生炉煤耗的主要因素，合理地设计炉箅高度可以使有效炭层得到提高，改善炉内操作情况，降低煤耗。为使炉箅发挥最佳效果，有利于气化反应，要根据炉箅的型式、炉箅在造气炉所处位置的不同、造气炉操作工况等因素进行调整。

1.3 联合废锅的选型

选用热管锅炉和套管锅炉比较好，余热回收效果较完全，套管锅炉还具有阻力低、不易集灰的特点，选择锅炉时要注意内部的通道面积，一定要大于进口管的截面积，否则会出现废锅阻力大，影响发气量的情况。

1.4 洗涤塔的选型

洗涤塔的种类较多，有填料塔、旋流板塔、筛板塔、隔板错位塔、角钢塔、无通混板式塔、空塔喷淋等，各有利弊，最后要看效果。判定传质冷却效果的指标有：①出塔煤气温度要小于40℃；②塔的进口压力要小于0.4 kPa，塔的出口到气柜煤气进口，煤气在管道里的流速保持在6 m/s左右。

1.5 透平机选型

透平机在实际运行中工作效率远远未得到发挥。同时由于透平机与脱硫泵的流量又基本相同，故在实际工作中，受透平机运行特性限制，脱硫富液不能完全通过透平机得到回收，多余的富液只能从脱硫塔出口与闪蒸槽间的近路通过，且由于阀门进出口压差较大，对阀门及管道造成较大的冲刷，管道及阀门受冲刷而容易泄漏，形成安全隐患。为此，河南心连心化肥有限公司在2008年对透平机进行了重新选型，更换后的新2#透平机，设计参数为：Q=480 m3/h，H=150 m。由于新透平机设计参数与实际要求较为接近，脱硫泵日均电耗在第一步改造的基础上又下降了10%左右。

1.6 高效旋风除尘器

由于用较差煤制气，生产中带出物偏多，因此一定要采用除尘效率较高的旋风除尘器，使吹风和上吹气体中90%的带出物在除尘器中清除，以免对后面的阀门、设备造成损坏。

1.7 采用管式高压夹套

管式高压夹套锅炉操作压力为1.3 MPa，使气化炭层体积扩大，由冷壁效应造成的低温温度上升60℃，优化型煤气化，降低返焦率；同时使原料煤中有限的热量，尽量多地用于气化，尽最少地用于产蒸汽，还提高了自产蒸汽的品位。

1.8 改装节能风机

近年在我国推广的韩国南元拓博风机采用了为航空工业与核工业配置的空气轴承技术，超高速回转电机（1×104～20×104r/min），精密制造的高效率、长寿命的SUS630材料叶轮，可以实现低电流启动并可单、多台同时联动自动控制作业等最新技术，具有完全无油、低噪音、无振动、高压头（≤0.15 MPa）、省维护、安装空间小、节能高效等显著特点。其与现国内煤气罗茨机比较，相同出力条件下电耗理论值可低20%。

2 设计技改

2.1 煤气炉

开磷集团通过实施白煤降耗攻关，对煤气炉进行系统性技改，月度吨氨白煤消耗降到1.72 t，创历史最好水平：成功对9#锅炉实施改烧合成弛放气、脱碳放空气和造气吹风气的技术改造，充分利用废气及余热，吨氨燃煤消耗基本控制在0.7～0.9 t，日节约燃煤近70 t，同时还有效地减少了SO2等有害气体的排放，实现了节能与环保的双赢。

2.2 脱硫泵技改

200DJ-43×8型多级脱硫泵正常生产中，脱硫泵出口阀开度为25% ～30%，系统压力≤2.2 MPa，脱硫泵出口压力≥3.2 MPa，加上脱硫塔自身高度及管道阻力约0.5 MPa，脱硫泵出口压力与系统压力之间余量仍有0.5 MPa，与设计扬程344 m相比较，脱硫泵显然存在能量过剩的问题。

为此，对脱硫泵进行结构改造，拆去出液端的一级叶轮，增加专用轴套以替代原叶轮。改造后，对流量产生了一定的影响，但可以通过调整出口阀门来增加流量，在对流量产生不大影响的前提下，通过降低脱硫泵扬程来起到降低电耗的作用。对比改造前后，脱硫泵日均电耗下降了15%以上，节能效果明显。

3 安装节能专用设备

3.1 安装变频器

变频调速是通过改变电机定子的供电频率来达到电机的调速，它可以根据电机负载的变化实现自动平滑的增速或减速，调速特性基本保持了异步电动机固有的特性，即转差率小的特点，因而其效率高、调整范围宽、精度高，且能实现无级调速，节电效率在20%～30%。变频技术在氮肥行业往复泵和离心风机上的运用已经非常成熟了。

3.2 安装内馈斩波调速设备

内馈斩波调速设备是由内馈调速电机和斩波控制装置组成。该技术是新型交流调速技术，特别适用于需要高效节能的高压大、中容量交流电机的调速。与调速性能最佳的高压变频相比，它具有效率高、价格低、谐波含量少、功率因素高等优点。

内馈调速是一种将调速电机的部分转子功率（即电转差功率）以电能的形式反馈给电机内部的调节绕组的特殊调速方式。电机调速时，转子的部分功率通过电传导馈入内馈绕组，如果忽略损耗，内馈绕组所获得的功率与转子被移出的功率相等，转子反馈给调节绕组的功率越多，轴功率输出就越少，转数就越低。

斩波实质是调速主电路的强电数字控制技术，斩波器相当于按一定的频率、周期性地接通和关断的高速开关。在斩波控制中，控制斩波开关的导通时间（即占空比），就可以实现对逆变电流的控制，于是控制了反馈到内馈绕组的电流和功率，从而实现内馈调速。这种斩波电路巧妙地解决了晶闸管的关断问题，使内馈调速摆脱了移相控制的束缚，形成斩波加内馈的优化组合。

3.3 安装无功功率补偿装置

各种交流用电设备大多数不但需要有功功率，而且还需要一些电能来建立交变电磁场。这些用来建立交变电磁场的电能，并不像有功功率那样通过对外作功而转变为其它形式能量，相反，建立交变电磁时从电源取得的电能，在交变电磁场消失时，又全部退回给电源。对于这种在用电设备与发电机之间往返交换的电能称为无功电能，无功功率实质上是电路内用电设备与发电机之间的交换电功率。

无功损耗和有功损耗都是对电能的浪费，当无功功率供不应求时，电压水平将降低而使电能质量变坏，并且由发电机向用户提供无功功率时，又造成电能损耗。为了解决这两个重要问题，必须采用无功功率补偿技术，即无功补偿。无功补偿一般有以下几种方法。

①电网并联电力电容器。此装置造价低，维护容易，损耗小，它每提供1 kvar的无功功率，大约只消耗0.003～0.006 kW的有功功率，比其它任何专用的无功补偿装置的损耗都低。②调相机。这是一种专门发出无功功率的旋转电机，它只消耗很少的电能而可以向电力系统提供大量的无功功率。它造价高、维修不便并且有功损耗高。每发1 kvar无功功率大约消耗0.02～0.05 kW的有功功率。③同步电动机的进相运行方式。同步电动机在带动机械负载正常工作的情况下，可以通过调节励磁的方法，使其向电力系统提供无功功率。使用同步机进相运行方式得到的无功功率，一般消耗较多的有功功率。每提供1 kvar无功功率大约消耗0.05～0.10 kW的有功功率。④电缆与高压架空线路。3～35 kV的电缆线路在带电运行时，都可以提供一定的无功功率，是一种不需要任何额外投资的无功补偿装置，但是它们所提供的无功功率大小是无法调节的。

4 总结

随着合成氨造气技术的不断发展，在保证产量和质量的前提下，提高煤气发生炉的制气效率，有效降低煤耗已经成为一个非常关键的问题，设备的配置与调整是核心问题。影响煤头合成氨工艺节能降耗的因素很多，除了上述设备因素外，工艺的因素、人的因素和科学化管理也十分重要，技术因素与管理因素要相结合，才能保证合成氨厂的节能降耗、低成本、高效益运行，实现可持续发展。