超级吸氨器在氨合成系统节能中的应用

白雪峰，吴 杰，史晶森

（山西丰喜华瑞煤化工有限公司，山西新绛 043100）

0 引 言

山西丰喜华瑞煤化工有限公司（简称丰喜华瑞）以焦炉煤气与半水煤气（固定床间歇式气化炉制气）为原料生产合成氨与尿素，原设计产能为合成氨180kt／a、尿素300kt／a。由于焦化厂所能提供的焦炉气量增加，按照以气定产的原则，丰喜华瑞对合成氨装置进行了升级改造，增设了1套氨合成系统，合成氨产能扩大至240kt／a、尿素产能扩大至400kt／a。产能扩大后，夏季高温天气氨合成系统需冷量增加，冰机进出口压力增大，冰机负荷加重，经常需增开1台冰机（夏季以外冰机两开两备，夏季冰机三开一备，高温天气甚至会出现需要系统减量的情况），导致吨氨成本增高；同时，周边焦化厂供应丰喜华瑞的焦炉煤气量极不稳定，波动较大，导致合成氨装置负荷调节频繁，合成冰机开停机频繁。经分析与研究，2020年8月增设了1套超级吸氨器氨水制备系统，即从冰机入口处将750m3／h左右气氨引入超级吸氨器，利用脱盐水吸收气氨制备氨水用于烟气氨法脱硫系统（烟气氨法脱硫系统原使用的氨水源自原超级吸氨器氨水制备系统），通过分流合成冷冻系统的气氨，实现了氨合成系统的节能降耗与冰机负荷的可调。以下对有关情况作一简介。

1 夏季高温天气冰机电耗情况

丰喜华瑞合成冷冻工序共4台螺杆式氨制冷压缩机（简称冰机），型号均为JZ3KA31.5，制冷量3718kW，制冷剂为R717，电机额定功率1120kW、电压10kV，配套5台蒸发式冷凝器（简称蒸发冷），夏季高温天气时冰机三开一备，吨氨电耗居高不下。以2020年6月为例，合成氨装置冷冻工序的能耗情况见表1。

表1 2020年6月冰机耗电量及吨氨电耗分析

由表1可以看出，冰机日均用电量为53086 kW·h，合成氨日均产量为714.24t，吨氨冰机平均电耗约74kW·h，在丰喜华瑞2020年6月吨氨总能耗中占比高达5.3%，远高于行业平均水平（业内冰机系统能耗在合成氨生产总能耗中占比约3%）。虽然冰机电耗受到气温、循环水温度、蒸发冷蒸发量等因素的影响，但究其根本，冰机能耗的高低主要取决于进口气氨量。

2 原超级吸氨器的应用情况

丰喜华瑞采用氨法脱硫工艺对锅炉烟气进行脱硫，为获取20%的氨水，2017年丰喜华瑞购入1台超级吸氨器，利用超级吸氨器将液氨与脱盐水按比例混合直接配制氨水，其冷却循环水源自尿素循环水系统的凉水塔，夏季时造成尿素循环水温度高达32℃，影响到尿素蒸发系统的运行，尿素一段蒸发系统真空度仅为-38.544 kPa，导致夏季尿素装置负荷提升困难。

3 氨水制备系统工艺流程优化及应用情况

3.1 超级吸氨器优化利用

原超级吸氨器的工作原理为，利用循环（冷却）水与液氨换热，将液氨汽化，汽化形成的气氨进喷淋吸收段；界外送入的软水，经分布器，软水与气氨逆流接触反应，制备氨水，反应过程中产生的热量由循环水带走。通过对超级吸氨器工作原理的研究，并与设备厂家沟通，我们决定将冰机进口低压气氨引一部分入超级吸氨器，利用分布器将气氨及水均匀分布吸收，制成一定浓度的氨水，再将高温氨水与循环水换热，完成初步降温，之后氨水与液氨进行热交换，液氨汽化所需热量由氨水提供，即在超级吸氨器内同时完成氨水降温与液氨汽化的过程，如此一来，既能降低冰机进口气氨总量，又能减少循环水用量，达到节能降耗的目的。

3.2 技改方案

（1）在冰机入口处增设1台超级吸氨器，其型号为UXAQ-5000（G＋L），过流部分材质为ss304，撬体材质为碳钢，液氨稀释能力5t／h。

（2）在超级吸氨器上设置1个气氨进口，使得系统既可以稀释（吸收）液氨，又可以稀释（吸收）气氨。

（3）增设1台临时氨水储槽，增设3台氨水泵（1台作为氨水循环泵，1台作为氨水输送泵，另1台作为备泵），单泵流量25m3／h、扬程50m、电机功率7.5kW。配制好的氨水送入临时氨水储槽，达到规定浓度后利用氨水输送泵送入正式氨水储槽；未达到规定浓度的氨水，利用氨水循环泵送入超级吸氨器继续增浓。

按照上述技改方案，以液氨为原料时，输出氨水温度＜25℃，氨水浓度为15% ～28%，循环水用量为125m3／h；以气氨为原料生产时，由于没有液氨汽化时的吸热，氨水完全靠外部循环（冷却）水降温，循环水用量为250m3／h，输出氨水温度高于循环水进水温度3～5℃（循环水温差＜15℃），所得氨水浓度最高只能达到20%，若要生产更高浓度的氨水，需输入部分液氨参与生产。

3.3 氨水制备系统工艺流程优化

从管网送来的脱盐水进入超级吸氨器，通过调节阀及流量计控制脱盐水流量在20m3／h（以生产20%浓度的氨水为例），液氨经调节阀（稳定减压后的压力指标模拟以控制液氨流量）进入超级吸氨器，当工艺水 （脱盐水）流量为20t／h，氨水浓度恰好在20%，此时的减压后压力即为控制参数；液氨与脱盐水按比例进入超级吸氨器直接制成一定浓度的氨水（气氨生产氨水原理与采用液氨生产氨水时相同），配制好的氨水送入氨水储槽。在氨水出口管路上配有密度仪及温度变送器，通过PLC运算显示即时氨水浓度；氨水储槽内排出的废气送入洗氨塔回收其中的气氨，尾气排入大气，洗氨塔采用脱盐水吸氨，形成的稀氨水送入尿素解吸水解系统处理。氨水制备系统工艺流程如图1。

图1 氨水制备系统工艺流程框图

3.4 技改后冰机节能效果

本项技改完成后，冰机由原来的开3台改为开2台。以技改后的2020年10月15—19日丰喜华瑞冰机电耗与合成氨产量为例，对合成氨冷冻工序的能耗进行分析，有关数据详见表2。可以看出，冰机日均用电量为30018kW·h，合成氨日均产量为631.79t，吨氨冰机平均电耗为48kW·h，冰机系统的能耗在合成氨生产总能耗中的占比约3.45%，较技改前有了较大的改观，达到了节能的目的。

表2 2020年10月15—19日冰机耗电情况

3.5 技改后生产中出现的问题及解决措施

（1）在线氨水浓度显示不准确。超级吸氨器的氨水浓度显示有密度仪取值及氨水温度取值，通过氨水密度表对应显示。由于不同温度、不同压力下氨在水中的溶解度不同，氨水送入氨水槽后，氨水中的氨极易逸出，而氨水密度仪设置在进入氨水槽的管线上，入口管道内氨水的氨分压与氨水槽内氨水的氨分压存在差异，导致氨水槽内氨水浓度与在线密度仪测量所得的浓度有所差异。为解决这一问题，我们采取人工分析与在线密度仪配合的办法测定氨水浓度，并逐次进行记录，摸索其规律。

（2）由于冰机进口的气氨总量减少，在超级吸氨器开车的情况下，需从液氨球罐向冰机系统液氨储槽中补充液氨，以保证冷冻系统的液氨总量，造成冷冻系统惰性气量增大而放空频率增加。为解决这一问题，我们将冰机放空气送入洗氨塔，洗氨后尾气放空。

4 效益分析

丰喜华瑞合成冷冻工序共4台螺杆式氨制冷压缩机（冰机），制冷量为3718kW，电机额定功率为1120kW，配套5台蒸发冷，技改前夏季高温天气时冰机三开一备。自超级吸氨器优化后投运以来，已停用1台冰机，冰机吨氨电耗从约74kW·h降至48kW·h，吨氨节电约26kW·h；截至投稿之日超级吸氨器已运行55d，合成氨平均日产量以650t计，则冰机节电约92.95×104kW·h，折合节约生产成本约46.47万元。

5 结束语

丰喜华瑞针对合成冰机开停机频繁以及夏季冰机负荷重而需增开1台冰机（高温天气甚至会出现需要系统减量的情况）的问题，2020年8月增设1套超级吸氨器氨水制备系统后，通过分流部分合成冷冻系统的气氨，不仅在夏季高温天气时能够减少冰机开机台数，而且在其他时间也能通过调节超级吸氨器的负荷达到调节冰机负荷的目的。例如，在开2台冰机满足不了生产所需、开3台冰机又有点浪费的情况下，通过适当开大超级吸氨器气氨进口阀，提高超级吸氨器的负荷，此问题就能得以解决。据了解，国内以焦炉煤气为原料的合成氨装置大都存在负荷调节频繁的问题，此举的推广价值较大。

另外，目前环保形势严峻，大量工业锅炉的烟气脱硫升级改造采用氨法脱硫工艺，其氨水用量极大，氨合成系统之超级吸氨器制备的氨水除供本厂氨法脱硫系统使用外，也可直接外售，从而提升企业的综合经济效益。