气头合成氨装置节能优化分析

孟硕

（中国海洋石油集团有限公司节能减排监测中心，天津 300457）

合成氨工业初期用煤作原料，后期随着天然气的大量开发，建设了大量的以天然气为原料的合成氨装置，即气头合成氨装置。气头合成氨装置相比煤头合成氨，具有原材料清洁污染小、综合能耗低的优点，因此在初期受到大力推崇，但随着21世纪以来天然气价格不断攀升，气头合成氨装置成本过高的缺点逐步显现出来。

气头合成氨企业为降低成本，通过技术引进和自身技术创新，主要工艺装置能耗已大大降低，随着能耗水平不断提升，节能空间变得越来越小。目前节能工作的主要问题是缺少全厂各工艺装置间能量系统整合，缺乏对工艺系统的整体分析，以及对大系统匹配的能量总体优化利用的考虑[1]。

1 气头合成氨装置工艺概况

气头合成氨装置以天然气为原料生产合成氨，主要有天然气转化，高、低温变换，脱碳、净化，合成，氨提纯5个阶段。在天然气转化工艺阶段，原料天然气、空气及水在一/二段炉进行转化，天然气转化为H2，生成大量的CO2及CO；然后工艺气体经高/低温变换后，CO大部分转化为CO2；在脱碳、净化工艺阶段，工艺气首先进入脱碳装置脱除CO2，然后进入甲烷化反应器，剩余少量CO2及CO在催化剂作用下转化为CH4，之后工艺气经深冷脱除CH4，得到所需的N2和H2；最后工艺气进入合成塔进行氨的合成，经过提纯得到产品氨。

2 气头合成氨装置用能分析及优化

根据过程系统“三环节”能量流结构模型，可以将过程系统划分为能量利用、能量回收和能量转化三个环节[2]。以“三环节”用能分析方法为指导，结合上下游装置对合成氨装置每个工艺环节进行系统性分析。

以某合成氨装置为例对用能优化过程进行说明，该合成氨装置设计规模为45万t/a，采用凯洛格—布朗路特公司（简称KBR）组合合成氨工艺技术。装置工艺流程如图1所示。

图1 某合成氨装置工艺流程

2.1 能量利用环节分析及优化

能量利用环节是指在整个工艺流程中所有的反应和分离过程，能量利用环节对能量的需求决定了工艺流程能耗。合成氨装置反应过程很多，包括一段转化反应、二段转化反应、高温变化反应、低温变化反应、甲烷化反应、氨合成反应等。气头合成氨装置反应过程工艺已十分成熟，各研究机构通过数十年的摸索，开发出了多种成熟的专利工艺，而且均考虑到了工艺能量需求最低问题。在实际操作中，反应过程参数控制极其严格，因此反应过程一般不作为优化的对象。

针对分离过程，可利用流程模拟软件（如Aspen plus）对精馏塔建模，优化操作参数，如同时调整再沸器和冷凝器、中段取热比例、操作压力、进料温度等参数中的两个或多个，在满足分离工艺要求情况下，改变过程对热量或冷量的需求。该合成氨装置分离过程较少且简单、自由度低，无中段取热，可调整参数很少，且过程耗能很低，所有分离过程总耗能占比不到装置能耗的1%，所以该环节不作为节能优化重点。

2.2 能量回收环节分析及优化

能量回收环节指换热网络，一般为优化工作的重点。合成氨装置换热网络复杂，且不同工艺阶段温差大，天然气转换阶段物流温度高达800℃以上，净化阶段最低温度–150℃以下。该环节利用“夹点”技术对装置换热网络进行分析，找到不合理之处，确定优化方向[4]。该装置换热网络冷热物流数据如表1所示。

夹点分析冷热复合曲线如图2所示，图中曲线分别为冷、热组合曲线及总组合曲线；换热网络网格拓扑结构如图3所示。

通过夹点分析，可知该合成氨装置换热网络夹点温度为630.5℃，结合装置换热网络结构图，可知该网络有两点违背夹点规则：夹点之上使用了冷公用工程和夹点之下使用了热公用工程，具体为：1）二段炉反应产物892℃，在夹点之上直接采用冷公用工程冷却，一段炉使用天然气、空气及蒸汽在夹点之下，使用热公用工程加热。但经分析可知，该装置二段炉反应产物热量并未损失，而是通过产蒸汽方式对热量进行回收，回收热量等于一段炉反应原料所使用热公用工程量，所以此处虽违反夹点规则，但并无能量损失。2）脱碳、净化工艺阶段甲烷化反应器进料和废气、氨提纯工艺阶段氨精馏塔125–D再沸器三股物流温度均在夹点之下，但实际上直接采用热公用工程（蒸汽）加热，造成能量损失。因此，该换热网络的优化方向为针对甲烷化反应器进料、废气和氨精馏塔125–D再沸器的加热热源进行改进，尽量使用装置内部余热，替代热公用工程。

表1 装置冷、热物流数据

图2 装置换热网络夹点分析冷热复合曲线

图3 装置换热网络网格拓扑结构

以甲烷化反应器进料为例，该装置现流程为来自脱碳单元温度为48.1℃、质量流量约为10 t/h的工艺气经甲烷化进出口换热器114–C与甲烷化反应器出口工艺气换热至276.3℃，然后进蒸汽加热器172–C经高压蒸汽加热至287.5℃进甲烷化反应器106–D，工艺气在106–D转化之后温度升至318.9℃，然后进甲烷化进出口换热器114–C与进口工艺气换热，温度降至86.9℃，当前高压蒸汽耗汽量为2.5 t/h，该工艺段流程见图4。由夹点分析可知，净化工艺阶段甲烷化反应器进料不应使用高压蒸汽加热，对甲烷化进出口换热器114–C换热温差进行分析，热端为276.3℃、318.9℃，换热温差为42.6℃；冷端为48.1℃、86.9℃，换热温差为38.8℃。热、冷端换热温差均在40℃左右，温差较大，可以判断换热器114–C回收热量不充分，因此可以通过强化热量回收的方式充分回收出口工艺气的热量，即增加114–C的换热面积，可以通过更换换热器或在原换热器基础上增加1台换热器实现。为增加操作弹性，原蒸汽加热器保留，增加进出口换热器面积后，工艺气经进出口换热器与甲烷化反应器出口工艺气换热后温度至285.5℃，大幅提高了进蒸汽加热器的温度，高压蒸汽消耗量由2.5 t/h降至0.5 t/h，节省高压蒸汽消耗2.0 t/h，节能效果明显。

图4 装置甲烷化反应进出口工艺气换热流程

2.3 能量转换环节分析及优化

能量转换环节主要是指将燃料、电力等能源转化为可被工艺过程利用的热能和动能等。合成氨装置中，最重要能量转换环节为一段炉，一段炉通过燃烧天然气为反应提供热能；其次为压缩机，主要包括天然气转化工艺阶段空气压缩机、合成阶段合成气压缩机；除此之外，装置中大量的泵也消耗较大的电能。能量转换环节要求能量高效转换，设备转换效率与设备自身的先进性有很大关系，除此之外，还与企业的控制水平有关。

重点对设备进行效率分析，针对低效设备分析原因，提出改进方法。例如一段炉，如效率偏低（低于90%）可对炉体保温、烟气热量回收或控制进行分析，进而提出有针对性的改进措施；对于泵类及压缩机类，即使效率低，但在工艺要求不能改变的情况下，提升效率很难，可以对于效率过低设备进行经济性分析，论证更换设备的可行性。

2.4 系统分析及优化

系统分析指不同装置之间的能量分析，对于合成氨装置，装置内部能量已达到最优后，可分析能量与其他装置之间的集成，如通过与其他装置之间的热联合、对其他装置的热进料等实现热量的集成及回收；除此之外，上下游装置之间的进料压力状态，也需作为考虑对象，进行系统性分析，判断是否存在对能耗影响的因素。

经分析，该合成氨装置下游有尿素装置，脱碳单元脱除后的CO2可以作为尿素装置的原料进行尿素的合成[5]。脱碳工艺阶段采用α–MDEA溶液作吸收剂，在高压条件下吸收工艺气中的CO2，吸收CO2后的富液在闪蒸塔中减压至161 kPa，脱除大部分CO2，并在塔底得到半贫液，半贫液一部分回吸收流程进行CO2吸收，一部分进入解析塔进一步脱除CO2形成贫液，贫液由解析塔底出解析塔，解析塔塔顶解析气送回闪蒸塔，进入闪蒸塔底部进一步处理。从闪蒸塔顶部出来的CO2气体86 t/h经压缩机升压至14.3 MPa后送入尿素装置，剩下约22 t/h的气体直接排放到大气中。可对工艺流程进行如下改进：将现有闪蒸塔的压力增加，随着压力增加，在闪蒸温度保持不变的情况下，闪蒸CO2的流量将降低，当流量降低至86 t/h时，闪蒸塔压力为200 kPa。为保证半贫液及贫液纯度与原工艺相同，需增设一低压闪蒸罐，从闪蒸塔出来的物料继续进入新增的低压闪蒸罐，新增闪蒸罐控制压力161 kPa，即与原有闪蒸塔的操作压力相等，此时剩余的22 t/h的CO2闪蒸气从新增闪蒸罐中闪蒸出来，这部分闪蒸气压力低，直接通大气放空。优化后增加了去尿素装置CO2气体的压力，提高了尿素压缩机入口的CO2压力，降低了尿素压缩机净功率410 kW，节能效果十分明显。

3 结论

经过对装置的系统优化，方案实施后可降低装置能耗1.1%，产生较好的经济效益。气头合成氨是能耗大户，有必要对装置进行系统性的节能分析。以“三环节”理论为指导，结合流程模拟技术及夹点技术，对装置进行全面分析，尤其对能量回收环节进行重点分析，并结合上下游装置系统分析，找出用能问题，进而针对问题给出优化方案，降低合成氨装置能耗及全厂能耗。