氣頭合成氨裝置節(jié)能優(yōu)化分析

孟碩

（中國海洋石油集團有限公司節(jié)能減排監(jiān)測中心，天津 300457）

合成氨工業(yè)初期用煤作原料，后期隨著天然氣的大量開發(fā)，建設(shè)了大量的以天然氣為原料的合成氨裝置，即氣頭合成氨裝置。氣頭合成氨裝置相比煤頭合成氨，具有原材料清潔污染小、綜合能耗低的優(yōu)點，因此在初期受到大力推崇，但隨著21世紀(jì)以來天然氣價格不斷攀升，氣頭合成氨裝置成本過高的缺點逐步顯現(xiàn)出來。

氣頭合成氨企業(yè)為降低成本，通過技術(shù)引進和自身技術(shù)創(chuàng)新，主要工藝裝置能耗已大大降低，隨著能耗水平不斷提升，節(jié)能空間變得越來越小。目前節(jié)能工作的主要問題是缺少全廠各工藝裝置間能量系統(tǒng)整合，缺乏對工藝系統(tǒng)的整體分析，以及對大系統(tǒng)匹配的能量總體優(yōu)化利用的考慮[1]。

1 氣頭合成氨裝置工藝概況

氣頭合成氨裝置以天然氣為原料生產(chǎn)合成氨，主要有天然氣轉(zhuǎn)化，高、低溫變換，脫碳、凈化，合成，氨提純5個階段。在天然氣轉(zhuǎn)化工藝階段，原料天然氣、空氣及水在一/二段爐進行轉(zhuǎn)化，天然氣轉(zhuǎn)化為H2，生成大量的CO2及CO；然后工藝氣體經(jīng)高/低溫變換后，CO大部分轉(zhuǎn)化為CO2；在脫碳、凈化工藝階段，工藝氣首先進入脫碳裝置脫除CO2，然后進入甲烷化反應(yīng)器，剩余少量CO2及CO在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為CH4，之后工藝氣經(jīng)深冷脫除CH4，得到所需的N2和H2；最后工藝氣進入合成塔進行氨的合成，經(jīng)過提純得到產(chǎn)品氨。

2 氣頭合成氨裝置用能分析及優(yōu)化

根據(jù)過程系統(tǒng)“三環(huán)節(jié)”能量流結(jié)構(gòu)模型，可以將過程系統(tǒng)劃分為能量利用、能量回收和能量轉(zhuǎn)化三個環(huán)節(jié)[2]。以“三環(huán)節(jié)”用能分析方法為指導(dǎo)，結(jié)合上下游裝置對合成氨裝置每個工藝環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)性分析。

以某合成氨裝置為例對用能優(yōu)化過程進行說明，該合成氨裝置設(shè)計規(guī)模為45萬t/a，采用凱洛格—布朗路特公司（簡稱KBR）組合合成氨工藝技術(shù)。裝置工藝流程如圖1所示。

圖1 某合成氨裝置工藝流程

2.1 能量利用環(huán)節(jié)分析及優(yōu)化

能量利用環(huán)節(jié)是指在整個工藝流程中所有的反應(yīng)和分離過程，能量利用環(huán)節(jié)對能量的需求決定了工藝流程能耗。合成氨裝置反應(yīng)過程很多，包括一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)、二段轉(zhuǎn)化反應(yīng)、高溫變化反應(yīng)、低溫變化反應(yīng)、甲烷化反應(yīng)、氨合成反應(yīng)等。氣頭合成氨裝置反應(yīng)過程工藝已十分成熟，各研究機構(gòu)通過數(shù)十年的摸索，開發(fā)出了多種成熟的專利工藝，而且均考慮到了工藝能量需求最低問題。在實際操作中，反應(yīng)過程參數(shù)控制極其嚴(yán)格，因此反應(yīng)過程一般不作為優(yōu)化的對象。

針對分離過程，可利用流程模擬軟件（如Aspen plus）對精餾塔建模，優(yōu)化操作參數(shù)，如同時調(diào)整再沸器和冷凝器、中段取熱比例、操作壓力、進料溫度等參數(shù)中的兩個或多個，在滿足分離工藝要求情況下，改變過程對熱量或冷量的需求。該合成氨裝置分離過程較少且簡單、自由度低，無中段取熱，可調(diào)整參數(shù)很少，且過程耗能很低，所有分離過程總耗能占比不到裝置能耗的1%，所以該環(huán)節(jié)不作為節(jié)能優(yōu)化重點。

2.2 能量回收環(huán)節(jié)分析及優(yōu)化

能量回收環(huán)節(jié)指換熱網(wǎng)絡(luò)，一般為優(yōu)化工作的重點。合成氨裝置換熱網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，且不同工藝階段溫差大，天然氣轉(zhuǎn)換階段物流溫度高達800℃以上，凈化階段最低溫度–150℃以下。該環(huán)節(jié)利用“夾點”技術(shù)對裝置換熱網(wǎng)絡(luò)進行分析，找到不合理之處，確定優(yōu)化方向[4]。該裝置換熱網(wǎng)絡(luò)冷熱物流數(shù)據(jù)如表1所示。

夾點分析冷熱復(fù)合曲線如圖2所示，圖中曲線分別為冷、熱組合曲線及總組合曲線；換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過夾點分析，可知該合成氨裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點溫度為630.5℃，結(jié)合裝置換熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，可知該網(wǎng)絡(luò)有兩點違背夾點規(guī)則：夾點之上使用了冷公用工程和夾點之下使用了熱公用工程，具體為：1）二段爐反應(yīng)產(chǎn)物892℃，在夾點之上直接采用冷公用工程冷卻，一段爐使用天然氣、空氣及蒸汽在夾點之下，使用熱公用工程加熱。但經(jīng)分析可知，該裝置二段爐反應(yīng)產(chǎn)物熱量并未損失，而是通過產(chǎn)蒸汽方式對熱量進行回收，回收熱量等于一段爐反應(yīng)原料所使用熱公用工程量，所以此處雖違反夾點規(guī)則，但并無能量損失。2）脫碳、凈化工藝階段甲烷化反應(yīng)器進料和廢氣、氨提純工藝階段氨精餾塔125–D再沸器三股物流溫度均在夾點之下，但實際上直接采用熱公用工程（蒸汽）加熱，造成能量損失。因此，該換熱網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方向為針對甲烷化反應(yīng)器進料、廢氣和氨精餾塔125–D再沸器的加熱熱源進行改進，盡量使用裝置內(nèi)部余熱，替代熱公用工程。

表1 裝置冷、熱物流數(shù)據(jù)

圖2 裝置換熱網(wǎng)絡(luò)夾點分析冷熱復(fù)合曲線

圖3 裝置換熱網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)

以甲烷化反應(yīng)器進料為例，該裝置現(xiàn)流程為來自脫碳單元溫度為48.1℃、質(zhì)量流量約為10 t/h的工藝氣經(jīng)甲烷化進出口換熱器114–C與甲烷化反應(yīng)器出口工藝氣換熱至276.3℃，然后進蒸汽加熱器172–C經(jīng)高壓蒸汽加熱至287.5℃進甲烷化反應(yīng)器106–D，工藝氣在106–D轉(zhuǎn)化之后溫度升至318.9℃，然后進甲烷化進出口換熱器114–C與進口工藝氣換熱，溫度降至86.9℃，當(dāng)前高壓蒸汽耗汽量為2.5 t/h，該工藝段流程見圖4。由夾點分析可知，凈化工藝階段甲烷化反應(yīng)器進料不應(yīng)使用高壓蒸汽加熱，對甲烷化進出口換熱器114–C換熱溫差進行分析，熱端為276.3℃、318.9℃，換熱溫差為42.6℃；冷端為48.1℃、86.9℃，換熱溫差為38.8℃。熱、冷端換熱溫差均在40℃左右，溫差較大，可以判斷換熱器114–C回收熱量不充分，因此可以通過強化熱量回收的方式充分回收出口工藝氣的熱量，即增加114–C的換熱面積，可以通過更換換熱器或在原換熱器基礎(chǔ)上增加1臺換熱器實現(xiàn)。為增加操作彈性，原蒸汽加熱器保留，增加進出口換熱器面積后，工藝氣經(jīng)進出口換熱器與甲烷化反應(yīng)器出口工藝氣換熱后溫度至285.5℃，大幅提高了進蒸汽加熱器的溫度，高壓蒸汽消耗量由2.5 t/h降至0.5 t/h，節(jié)省高壓蒸汽消耗2.0 t/h，節(jié)能效果明顯。

圖4 裝置甲烷化反應(yīng)進出口工藝氣換熱流程

2.3 能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)分析及優(yōu)化

能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)主要是指將燃料、電力等能源轉(zhuǎn)化為可被工藝過程利用的熱能和動能等。合成氨裝置中，最重要能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)為一段爐，一段爐通過燃燒天然氣為反應(yīng)提供熱能；其次為壓縮機，主要包括天然氣轉(zhuǎn)化工藝階段空氣壓縮機、合成階段合成氣壓縮機；除此之外，裝置中大量的泵也消耗較大的電能。能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)要求能量高效轉(zhuǎn)換，設(shè)備轉(zhuǎn)換效率與設(shè)備自身的先進性有很大關(guān)系，除此之外，還與企業(yè)的控制水平有關(guān)。

重點對設(shè)備進行效率分析，針對低效設(shè)備分析原因，提出改進方法。例如一段爐，如效率偏低（低于90%）可對爐體保溫、煙氣熱量回收或控制進行分析，進而提出有針對性的改進措施；對于泵類及壓縮機類，即使效率低，但在工藝要求不能改變的情況下，提升效率很難，可以對于效率過低設(shè)備進行經(jīng)濟性分析，論證更換設(shè)備的可行性。

2.4 系統(tǒng)分析及優(yōu)化

系統(tǒng)分析指不同裝置之間的能量分析，對于合成氨裝置，裝置內(nèi)部能量已達到最優(yōu)后，可分析能量與其他裝置之間的集成，如通過與其他裝置之間的熱聯(lián)合、對其他裝置的熱進料等實現(xiàn)熱量的集成及回收；除此之外，上下游裝置之間的進料壓力狀態(tài)，也需作為考慮對象，進行系統(tǒng)性分析，判斷是否存在對能耗影響的因素。

經(jīng)分析，該合成氨裝置下游有尿素裝置，脫碳單元脫除后的CO2可以作為尿素裝置的原料進行尿素的合成[5]。脫碳工藝階段采用α–MDEA溶液作吸收劑，在高壓條件下吸收工藝氣中的CO2，吸收CO2后的富液在閃蒸塔中減壓至161 kPa，脫除大部分CO2，并在塔底得到半貧液，半貧液一部分回吸收流程進行CO2吸收，一部分進入解析塔進一步脫除CO2形成貧液，貧液由解析塔底出解析塔，解析塔塔頂解析氣送回閃蒸塔，進入閃蒸塔底部進一步處理。從閃蒸塔頂部出來的CO2氣體86 t/h經(jīng)壓縮機升壓至14.3 MPa后送入尿素裝置，剩下約22 t/h的氣體直接排放到大氣中。可對工藝流程進行如下改進：將現(xiàn)有閃蒸塔的壓力增加，隨著壓力增加，在閃蒸溫度保持不變的情況下，閃蒸CO2的流量將降低，當(dāng)流量降低至86 t/h時，閃蒸塔壓力為200 kPa。為保證半貧液及貧液純度與原工藝相同，需增設(shè)一低壓閃蒸罐，從閃蒸塔出來的物料繼續(xù)進入新增的低壓閃蒸罐，新增閃蒸罐控制壓力161 kPa，即與原有閃蒸塔的操作壓力相等，此時剩余的22 t/h的CO2閃蒸氣從新增閃蒸罐中閃蒸出來，這部分閃蒸氣壓力低，直接通大氣放空。優(yōu)化后增加了去尿素裝置CO2氣體的壓力，提高了尿素壓縮機入口的CO2壓力，降低了尿素壓縮機凈功率410 kW，節(jié)能效果十分明顯。

3 結(jié)論

經(jīng)過對裝置的系統(tǒng)優(yōu)化，方案實施后可降低裝置能耗1.1%，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。氣頭合成氨是能耗大戶，有必要對裝置進行系統(tǒng)性的節(jié)能分析。以“三環(huán)節(jié)”理論為指導(dǎo)，結(jié)合流程模擬技術(shù)及夾點技術(shù)，對裝置進行全面分析，尤其對能量回收環(huán)節(jié)進行重點分析，并結(jié)合上下游裝置系統(tǒng)分析，找出用能問題，進而針對問題給出優(yōu)化方案，降低合成氨裝置能耗及全廠能耗。