合成氨尿素企业低品位热能回收再利用改造探讨

(四川美丰化工股份有限公司，四川 遂宁 629200)

四川美丰化工股份有限公司与新疆建设兵团第一师合作，在阿拉尔成立了新疆美丰化工有限公司(以下简称新疆美丰)。该公司于2012年12月建成投产，一期工程主要产品是尿素，合成氨10万t/a、尿素18万t/a，投产当年达标达产。其主要生产工艺是采用天然气蒸汽加压一二段连续转化，高低变甲烷化净化，通过MDEA脱碳工艺分离出CO2和氢氮气，纯净的CO2通过加压后送到CO2汽提工艺尿素生产装置生产出尿素产品，合格的氢氮气通过加压后送到低压氨合成装置生产液氨。整个工艺技术在当前国内和国际上都比较先进。尽管在设计初期和设计院都进行了充分交流和研讨，设计院为了能源的利用采取了很多技术措施(没有选用煤制合成氨工艺，而选用了能耗相对较低的天然气工艺和CO2尿素汽提工艺)，但从运行分析看，虽然高品位能源利用非常充分，但是低品位热能基本没有利用。通过调研发现，整个合成氨尿素行业对低品位热能的利用都非常不充分，甚至有些单位基本没有回收，所以资源浪费大。特别是在当前尿素产能严重过剩，市场竞争非常激烈的情况下，如何为企业增产降耗更是同行业的日常工作重心，已经是常态化的工作。

1 装置能耗现状分析

针对刚投产装置能耗高、低品位热能利用不充分的问题，新疆美丰成立攻关小组，专门进行同行调研考察，与设计院进行技术交流，生产运行分析，收集整理分析生产运行数据。

1.1 行业对标

(1)合成氨尿素企业是耗能大户。化工行业是能源消费大户，每年能源消耗量超过1亿t标准煤，主要集中在基础化学原料制造业、化肥制造业和有机化学品制造业，这3个行业的能量消耗合计占化学工业总能源消费量的80%以上。其中在化肥制造业中，氮肥制造(含合成氨)占90%以上，占化学工业总能源消费量的50%。所以合成氨是化工行业中的能耗大户。

(2)合成氨尿素企业能源利用率低。从目前化工生产企业来看，化工企业的能源利用效率仅仅只有42%，而合成氨只有39%，烧碱为46.5%，乙烯为45.2%。合成氨尿素企业既是耗能大户，又是能源利用率最低的行业。目前世界先进水平的天然气合成氨能耗为29GJ/t，我国引进装置平均能耗约37GJ/t；而世界先进水平的煤制合成氨装置能耗为46～49GJ/t，我国平均能耗高达62GJ/t。从当前行业能耗情况分析来，浪费的75%以上都是低品位热能。因为低品位热能的利用价值低，加上合成氨尿素生产过程余热较多，所以很多企业基本都没有利用。

1.2 低品位热能的回收利用情况

(1)低品位热能利用不充分。大量低压蒸汽基本没有利用，仅仅约1/4的低压蒸汽用于转化脱氧槽脱出脱盐水中的空气和伴热，大约有0.4 MPa、4.16 t/h低压蒸汽被直接放空。

(2)低品位热能回收不充分。含一定能量的合成氨工艺冷凝液和尿素蒸汽冷凝液(两者的温度基本都在90 ℃左右)，不但没有利用，还要用大量的循环水冷却到常温后送到下一工序。

(3)高品位热能降低使用。生产办公取暖需要大量的热源，由于生产地点离城较远，无法实施外部集中供暖，新疆美丰专门采购了1台小锅炉，以天然气烧锅炉来解决生活办公的供热问题。通过统计，平均消耗天然气300～400 Nm3/h。供热取暖只需低品位热能即可，而用天然气烧锅产生的是高品位热能，就出现了优质低用的不合理方案。

(4)降能措施不到位。部分设备管道保温、保冷、防冻措施不到位，在冬季出现了冰冻情况，需要大量的蒸汽来吹扫解冻，造成能源浪费。

综上所述，虽然客观上合成氨尿素企业是能耗大户，但新疆美丰的基本能耗约高于同行业的平均水平，同时自身装置上有很多不完善的地方也是造成能耗高的主要原因，尤其是低品位热能的浪费。自身一方面在大量浪费生产余热和低品位热能，另一方面取暖又在消耗高品位能源，这是一个相互矛盾的问题。通过分析发现，放掉的低压蒸汽和被冷却到常温的工艺冷凝液和蒸汽冷凝液(温度仍然在90 ℃)，在生产装置上无法再利用，属于生产余热。攻关小组成员根据生产生活能源供应需求情况分析，供暖只需要30 ℃左右的热水循环使用即可，这个温度下的能量是一个非常低品位的能量，于是提出能否把生产余热——低压蒸汽、工艺冷凝液和蒸汽冷凝液低品位热能集中起来，用于生活、办公供热取暖，这将是一个新的课题，在当地没有先例，在同行业也没有先例，如果能实现就开辟了我国西北、东北合成氨尿素生产企业低品位热能新的用途，更能充分利用合成氨尿素的低品位热能和生产余热。

2 改造方案

由于生活办公供热问题是一个系统问题，攻关小组成员需要充分调研、分析研究，并与相关专业设计院进行多次技术交流，基本达成了充分利用合成氨尿素生产低品位热能来解决供暖的可行性。

攻关小组开始自行选址，策划设备布置、管道走向和供热方式等技术问题，绘制供热草图，与专业设计院一起设计出了全厂低品位热能回收再利用方案。

(1)低品位热能输出参数。放空的低压蒸汽： 0.4 MPa、4.16 t/h； 尿素输出的蒸汽冷凝液8.32 t/h， 温度90 ℃；合成氨工艺冷凝液约8.0 t/h，温度90 ℃。

(2)部分设备参数见表1。

表1 部分设备参数

(3)低品位热能回收利用工艺流程见图1。将90 ℃左右的合成氨工艺冷凝液(8 m3/h)和尿素蒸汽冷凝液(8.32 m3/h)分别送到供热站充分混合调温，用泵分别送到各供热点，供热后返回供热站，利用生产多余的低压蒸汽进行循环加热，然后又与新送来的工艺冷凝液和蒸汽冷凝液调温后送出，形成一个循环回路，由于合成氨尿素是连续生产的，所以冷凝液和低压蒸汽也是连续的，冷凝液一部分用于装置的伴热和吹扫，另一部分用于供热取暖，全部低压蒸汽用于供热调温用，最后将降温后的冷凝液抽出一部分送回生产装置循环使用。由于余热多，全部用于自身供热有过剩，通过策划把多余的热能送到了工业园的其他复合肥和节水公司供暖，还按照市场价收取了一定成本费用，解决了兄弟公司的冬季供暖问题。

图1 低品位热能回收利用工艺流程

3 改造后效果分析

通过以上改造，实现了低品位热能的再利用，新疆美丰充分利用了合成氨尿素生产余热，也解决了生活办公的供热问题，节约了资源，减少了能源的浪费，降低了生产消耗，同时把非常紧缺的天然气资源充分用到产品生产上，实现了很好的经济效益和社会效益。

3.1 经济分析

3.1.1停运了1台供热锅炉产生的经济效益

供热锅炉消耗天然气按最低量300 Nm3/h，按照生活用气计算2.20元/Nm3，同时取消该岗位，减少操作工4人，每人每年总支出5.5万元，设备每年维修费和折旧费共计2.00万元，供热系统每年运行4个月(11月15日至次年3月15日)，锅炉已经折价销售给其他用户，年节约费用：

300×2.2×24×30×4÷10 000+4×5.5+2=214.08万元

3.1.2向兄弟单位供暖产生的经济效益

按照新疆相关部门规定，非居民集中供热价格为每平方米每个月35元，计量热价0.28元/kW·h，在此基础上双方协商，每平方米每个月供热收取成本价10元，通过测算两家企业总共供热面积8 459.66 m2，为确保两家企业供热，增加管道仪器表材料及施工费51 300.59元。年产生经济效益：

10×8 459.66×4-51 300.59=28.71万元

3.1.3多产尿素产生的经济效益

利用以前取暖消耗天然气300 Nm3/h转化为产品尿素，按照吨尿素耗天然气计算，可以多产0.57 t/h尿素，这样也解决了当前天然气供应紧张、装置负荷不饱满的问题，扣除吨尿生产全部成本1 400元/t，当前新疆市场尿素均价按1 550元/t计算，产生的经济效益：

0.57×(1 550-1 400)×24×30×4=24.62万元

3.1.4减少循环水产生的经济效益

按照新疆美丰对90 ℃的合成氨工艺冷凝液(8m3/h)和尿素蒸汽冷凝液(8.32 m3/h)分别利用循环水冷却到常温30 ℃，由于没有单独计量，只能估算需要的循环水量，循环水所有成本按0.30元/t，产生的经济效益：

(8+8.32)×(273+90)÷(273+30)×0.3×24×30×4=1.69万元

总上所述本项目年可增加经济效益：

214.08+28.71+24.62+1.69=269.10万元

为增设供暖系统增加投资：

设计费10.00万元，设备仪器仪表管道投资38.07万元，安装费1.5万元，建筑物费用1.2万元，加上日常生产管理各种人工支出合计11.00万元，合计增加投资：61.77万元。

由此可见，充分利用好合成氨尿素生产过程余热和低品位热能对企业会产生较大的经济效益，同时节约了能源，减少了资源浪费，该项目还为兄弟单位供热，也产生了较好的社会效益。如果把这经济效益折算成尿素成本，尿素按18万t/a计，全年吨尿成本可以降低1.41%。针对新疆美丰存在的能源使用上的问题，分别采取了一些措施，吨尿消耗天然气降了5 Nm3左右，合成氨成本也明显降低。

3.2 存在的不足

由于该项目取暖供热有很明显的季节性，因此有很大的局限性，只有冬季才需要，在夏季只能恢复到原工艺流程——低压蒸汽放空，冷凝液和蒸汽冷凝液采取冷却后送下工序循环使用，不能起到很好的节能效果，低品位热能的利用仍然不是很充分，因此新疆美丰将继续研究探索如何长期充分利用合成氨尿素生产余热和低品位热能，如果找到全年都能长期回收利用回该装置的余热和低品位热能的途径，将对降低生产成本效果更加明显，收益可观。

4 结语

建议合成氨行业在设计时就与当地工业园其他企业统筹规划设计，充分考虑企业生产过程中产生的余热和低品位热能的回收再利用，可以将低品位热能转化为蒸汽、电或供热给园区的其他企业，实行循环经济，能源再利用，提高能源利用率。