浅析合成氨节能减排

2019-12-31

四川化工 2019年5期

(四川泸天化股份公司，四川泸州, 646300)

1 概况

泸天化股份公司合成车间新系统合成氨装置是上世纪70年代从美国凯洛格公司成套引进的年产30万吨生产装置，是公司天然气最大用户和耗能大户，合成车间新系统经过第二次扩能技改后，年产量增加了50%，吨氨综合能耗降到KBR公司考核的32.86GJ/t，合成车间新系统装置工艺生产流程简图如图1。

图1 工艺生产流程简图

近几年公司合成车间新系统装置由于生产原材料短缺和价格的上涨，装置平均负荷较低，能耗高，生产成本增加，产品利润空间进一步缩小；虽然吨氨综合能耗能够达到国家最低标准，但作为公司新系统装置与国内先进合成氨装置能耗比较还有较大差距。为了完成公司节能减排目标，合成新系统装置必须深挖潜能，合理优化操作，降低系统成本物耗，提升公司经济效益，为此车间结合生产实际，将降低合成新系统吨氨综合能耗为作一个新的目标课题。

合成车间新系统装置是以天然气为原料的耗能大户，虽然经过1988年和2004年两次扩能技改，年产量增加了50%达45万吨，其吨氨综合能耗在实际操作时降到了34 GJ/t左右，但与先进装置还存在一定差距。本装置的动力驱动主要是用天然气锅炉加热炉水和回收装置废热锅炉的热量产生蒸汽，由于天然气价格上涨，导致吨氨综合能耗增加；所以在生产操作中只能通过深挖装置潜能，在装置开、停车和正常生产中优化工艺参数，使吨氨综合能耗达到最优，从而降低吨氨生产成本。

2 燃料气系统优化

在合成新系统合成氨生产中，燃料气是由本系统高压天然气、回收系统驰放气、合成老系统低压天然气和驰放气组成；燃料气的消耗主要是一段转化加热用的顶烧、烟烧燃料气为转化反应提供热量；其次是辅锅产汽所需要的天然气和为提高高压蒸汽过热度所需要天然气，所以节约燃料气也要从这几方面着手[1]。

2.1 合理控制水碳比，减少转化反应燃料气消耗

减少一段炉蒸汽转化的热负荷就要降低转化反应的水碳比，降低水碳比不但降低了工艺蒸汽消耗量而且可有效地降低一段炉转化的热负荷，但是水碳比不是越低越好，因为过量的水蒸汽还是防止转化炉管析炭的重要手段。所以要从实际情况出发，根据一段炉催化的效率，将水碳比控制在3.38—3.41左右，在全面评价经济效益的基础上确定转化反应的最优水碳比。

2.2 依据一段炉出口残余在线监测参数，优化调整一段炉和压缩机参数

在生产中，气矿输送的天然气组分经常发生变化，根据一段炉出口残余甲烷量参数AI-1A和原料气压缩机的负荷参数，及时调整天然气压缩机转速和一段炉出口温度参数，将一段炉的残余甲烷调控在<13.28%，以控制燃料气的消耗，减少转化燃料气的消耗量。

2.3 优化调节一段炉引风机和鼓风机负荷，加强一段炉余热回收

生产中根据一段炉负压和氧气含量参数，随气温和工况的变化及时调整引风机和鼓风机负荷，确保一段炉燃料气充分燃烧，加强了盘管余热回收，减少蒸汽耗用。

2.4 优化辅锅负荷减少燃料气消耗

降低辅锅负荷，2018年2月优化操作前辅锅负荷为1200kg/h，参照和对比国内同类型合成氨装置的辅锅负荷(700kg/h)，并结合本系统的蒸汽管网构成特点，我们在生产过程加强了辅锅负荷的控制，充分利用厂供外管网中压蒸汽，2018年辅锅优化操作后将其负荷降至900-820kg/h左右；2019年系统2月份开车正常后，辅锅燃料气消耗下降，运行数据如表1。

表1 优化前后辅锅负荷及高压蒸汽过热温度对照表

2.5 装置开停车和正常生产中优化回收工艺废气作为燃料气

(1)合成氨在生产过程中要放一部分驰放气，经过普里森系统处理后的高低压氢气回收至合成回路系统，增加了氨产量，高纯氢外送油脂，非渗透气送至101-B燃料气系统，有效降低了一段炉燃料气的消耗。

(2)2006年合成车间设计了回收大甲醇尾气管线，不仅解决了甲醇生产中尾气排放对大气的污染问题，而且装置通过回收氢气也增加了氨产量。

(3)2015年车间新配回收老系统驰放气管线，通过回收老系统排放的驰放气(作为燃料气)至一段炉燃料气系统，减少了老系统驰放气的放空，同时也降低了本系统燃料气用量。

(4)钴钼加氢、氧化锌升温放空天然气的回收，每次开车天然气回收量达70000 Nm3，停车降温时可同样进行回收，天然气回收流量在20000 Nm3左右。

(5)系统停车过程中，合成系统卸压气体液回收至一段炉燃料气系统，合成系统停车后可对驰放气回收作为一段炉燃料气用，直至合成系统压力降至3MPa，可回收驰放气量约50000 Nm3。

(6)低变还原载气的回收，新更换低变催化剂在开车过程中需进行催化剂还原操作，还原载气一般为脱硫后天然气，平均流量约为16000 Nm3/H，在满足还原质量和系统稳定的情况下，车间技改通过新配专用回收载气管线，可实现载气的全部回收。

3 蒸汽系统优化

在合成氨生产中，蒸汽主要有以下三个方面的用途：一是作为工艺原料为转化反应原料，二是作为蒸汽透平的动力来源，三是作为加热介质；在实际生产中也是根据水蒸汽的上述用途，进行节能降耗工作，主要是增加系统自产蒸汽，减少外界输入蒸汽；生产中加强和调度联系减少中压蒸汽和低压蒸汽的放空；减少高、中压蒸汽的直接降级使用。

3.1 优化水碳比操作，减少转化反应蒸汽耗用

首先，在不影响一段炉转化反应的和催化剂的效率情况下，控制水碳比在底限值操作，以减少转化蒸汽的消耗和一段炉燃料气消耗；其次，合理调整MIC-25的蒸汽用量，减少加入二段炉的蒸汽量，同时也降低系统阻力，降低了生产能耗。

3.2 合理降低循环水温度，减少压缩机组蒸汽消耗

合理降低循环水温度，可以减少透平蒸汽消耗量，根据装置运行采集参数得出，在高负荷情况下如果凉水塔的出水温度在28～30℃以上，通过增开凉水塔一台冷却风机，可以让循环水温度下降2℃左右，增开风机虽然吨氨电耗成本增加了0.007Gcal，大机组透平段间冷却温度下降，四大压缩机蒸汽透平的蒸汽用量减少，吨氨蒸汽耗降低了0.025Gcal，综合能耗降低0.018 Gcal，所以系统高温季节高负荷下凉水塔需全开风机，在较低负荷下压缩机返回阀有开度时应适量少开风机，风机运行台数调整的同时现场各岗位应对各机泵油温作相应调整，并根据工艺参数的变化对各水冷器水量作相应调整，以达到最优化。

3.3 优化调整高压-中压-低压蒸汽系统

系统可以通过加强回收废热锅炉热和合成塔热量，以增加系统自产高压蒸汽量；适当提高高压蒸汽的过热温度，可以提高高压蒸汽能级，高压蒸汽的做功能力和热利用率相应增强，降低系统的能耗；系统产生的高压蒸汽主要由合成压缩机的高压透平使用，生产中高压蒸汽通过PIC-12做功后转化为中压蒸汽进入中压蒸管网，合理调节PIC-12开度和PIC-6的压力，103-J的一级后压力，降低中压蒸汽用量。正常生产中为了防止中压蒸汽直接通过低压蒸汽减压阀减压至低压蒸汽系统，脱碳冷贫液泵用背压透平，蒸汽通过背压透平做功转化为低压蒸汽，以平衡脱碳系统再生塔再沸器再生所用蒸汽，减少中压蒸汽的降级使用。

3.4 减少蒸汽放空量，降低吨氨蒸汽消耗

生产中加强与调度联系，减小中压蒸汽放空，2017年系统经过技改，新增低压蒸汽调节阀，将系统富余低压蒸汽送入外界低压蒸汽管网，减少低压蒸汽的放空；生产中为了给脱盐水加热物理脱氧，需要低压蒸汽加热，在保证脱盐水中溶解氧含量的情况下，可适当减少脱氧槽的低压蒸汽消耗，通过蒸汽调节阀控制脱氧槽的压力在0.07—0.09MPa左右，加强给水系统热量回收。

3.5 优化调整天然气压缩机进气压力和氢氮气压缩机透平一级后压力降低蒸汽消耗

(1)提高天然气压缩机进口压力，当外界天然气压力充足时适当提高天然气压缩机入口压力，降低天然气压缩机蒸汽消耗，高负荷的情况下，将天然气压缩机入口压力控制在0.56-0.57MPa左右，由于进口压力提高，天然气压缩机蒸汽透平调节阀的开度变小，天然气压缩机耗用的蒸汽量减少。

通过查阅近两年生产资料，我们发现：相同负荷下，原料气压缩机的进口压力不同，对应的蒸汽耗量也不相同，如表3。

表2 系统负荷与原料气压缩机进口压力对应表

表3 原料气压缩机能耗对应表

如果我们在生产维护过程中将原料气压缩机进口压力提至高限操作，从表3中我们可以看到负荷一定的情况下原料气压缩机进口压力每提高0.01MPa，可节约蒸汽2.1261 t/h，降低能耗60.3812×108J/h。

(2)提高氢氮气压缩机一级后压力，相同负荷(即氢氮气压缩机低压缸出口压力相差不大)的条件下，其一级后压力的值越小，说明该压缩机所耗的蒸汽也就越多，所以，生产操作中将其一级后压力向设计值靠，并统计氢氮气压缩机的运行数据2017与2018年进行比对、核算如表4。

表4 系统优化前后氢氮气压缩机汽耗对照表

4 结束语

为实现公司合成新系统装置年吨氨综合能耗降至33.5 GJ/t，即：吨氨综合能耗降0.5 GJ/t目标，生产中通过降低合成新系统吨氨综合能耗优化操作，合成岗位冷氨泵由透平倒电机运行；原料气压缩机进口压力靠高限操作，氢氮气压缩机一级后压力提高0.1MPa；降低辅锅天然气消耗负荷680-800kg/h，高压蒸汽过热温度靠460℃运行；回收大甲返氢时按比例配入空气时适当降低一段炉出口温度等操作更为合理，2018年合成车间新系统装置吨氨综合考核能耗达到了前所未有的33.05 GJ/t，圆满实现了节能减排的目标，装置节能、降耗增效起了良好明显效果，进一步降低了生产运行成本；提升和增强了企业的生存能力和竞争能力，在以后的生产运行过程中，要精心操作，细心维护，继续深挖装置潜能，使装置能够发挥出更大的潜力以降低装置吨氨能耗。