合成氨尿素企業(yè)低品位熱能回收再利用改造探討

(四川美豐化工股份有限公司，四川 遂寧 629200)

四川美豐化工股份有限公司與新疆建設(shè)兵團(tuán)第一師合作，在阿拉爾成立了新疆美豐化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱新疆美豐)。該公司于2012年12月建成投產(chǎn)，一期工程主要產(chǎn)品是尿素，合成氨10萬(wàn)t/a、尿素18萬(wàn)t/a，投產(chǎn)當(dāng)年達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)。其主要生產(chǎn)工藝是采用天然氣蒸汽加壓一二段連續(xù)轉(zhuǎn)化，高低變甲烷化凈化，通過MDEA脫碳工藝分離出CO2和氫氮?dú)猓儍舻腃O2通過加壓后送到CO2汽提工藝尿素生產(chǎn)裝置生產(chǎn)出尿素產(chǎn)品，合格的氫氮?dú)馔ㄟ^加壓后送到低壓氨合成裝置生產(chǎn)液氨。整個(gè)工藝技術(shù)在當(dāng)前國(guó)內(nèi)和國(guó)際上都比較先進(jìn)。盡管在設(shè)計(jì)初期和設(shè)計(jì)院都進(jìn)行了充分交流和研討，設(shè)計(jì)院為了能源的利用采取了很多技術(shù)措施(沒有選用煤制合成氨工藝，而選用了能耗相對(duì)較低的天然氣工藝和CO2尿素汽提工藝)，但從運(yùn)行分析看，雖然高品位能源利用非常充分，但是低品位熱能基本沒有利用。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，整個(gè)合成氨尿素行業(yè)對(duì)低品位熱能的利用都非常不充分，甚至有些單位基本沒有回收，所以資源浪費(fèi)大。特別是在當(dāng)前尿素產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的情況下，如何為企業(yè)增產(chǎn)降耗更是同行業(yè)的日常工作重心，已經(jīng)是常態(tài)化的工作。

1 裝置能耗現(xiàn)狀分析

針對(duì)剛投產(chǎn)裝置能耗高、低品位熱能利用不充分的問題，新疆美豐成立攻關(guān)小組，專門進(jìn)行同行調(diào)研考察，與設(shè)計(jì)院進(jìn)行技術(shù)交流，生產(chǎn)運(yùn)行分析，收集整理分析生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

1.1 行業(yè)對(duì)標(biāo)

(1)合成氨尿素企業(yè)是耗能大戶。化工行業(yè)是能源消費(fèi)大戶，每年能源消耗量超過1億t標(biāo)準(zhǔn)煤，主要集中在基礎(chǔ)化學(xué)原料制造業(yè)、化肥制造業(yè)和有機(jī)化學(xué)品制造業(yè)，這3個(gè)行業(yè)的能量消耗合計(jì)占化學(xué)工業(yè)總能源消費(fèi)量的80%以上。其中在化肥制造業(yè)中，氮肥制造(含合成氨)占90%以上，占化學(xué)工業(yè)總能源消費(fèi)量的50%。所以合成氨是化工行業(yè)中的能耗大戶。

(2)合成氨尿素企業(yè)能源利用率低。從目前化工生產(chǎn)企業(yè)來看，化工企業(yè)的能源利用效率僅僅只有42%，而合成氨只有39%，燒堿為46.5%，乙烯為45.2%。合成氨尿素企業(yè)既是耗能大戶，又是能源利用率最低的行業(yè)。目前世界先進(jìn)水平的天然氣合成氨能耗為29GJ/t，我國(guó)引進(jìn)裝置平均能耗約37GJ/t；而世界先進(jìn)水平的煤制合成氨裝置能耗為46～49GJ/t，我國(guó)平均能耗高達(dá)62GJ/t。從當(dāng)前行業(yè)能耗情況分析來，浪費(fèi)的75%以上都是低品位熱能。因?yàn)榈推肺粺崮艿睦脙r(jià)值低，加上合成氨尿素生產(chǎn)過程余熱較多，所以很多企業(yè)基本都沒有利用。

1.2 低品位熱能的回收利用情況

(1)低品位熱能利用不充分。大量低壓蒸汽基本沒有利用，僅僅約1/4的低壓蒸汽用于轉(zhuǎn)化脫氧槽脫出脫鹽水中的空氣和伴熱，大約有0.4 MPa、4.16 t/h低壓蒸汽被直接放空。

(2)低品位熱能回收不充分。含一定能量的合成氨工藝?yán)淠汉湍蛩卣羝淠?兩者的溫度基本都在90 ℃左右)，不但沒有利用，還要用大量的循環(huán)水冷卻到常溫后送到下一工序。

(3)高品位熱能降低使用。生產(chǎn)辦公取暖需要大量的熱源，由于生產(chǎn)地點(diǎn)離城較遠(yuǎn)，無法實(shí)施外部集中供暖，新疆美豐專門采購(gòu)了1臺(tái)小鍋爐，以天然氣燒鍋爐來解決生活辦公的供熱問題。通過統(tǒng)計(jì)，平均消耗天然氣300～400 Nm3/h。供熱取暖只需低品位熱能即可，而用天然氣燒鍋產(chǎn)生的是高品位熱能，就出現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)低用的不合理方案。

(4)降能措施不到位。部分設(shè)備管道保溫、保冷、防凍措施不到位，在冬季出現(xiàn)了冰凍情況，需要大量的蒸汽來吹掃解凍，造成能源浪費(fèi)。

綜上所述，雖然客觀上合成氨尿素企業(yè)是能耗大戶，但新疆美豐的基本能耗約高于同行業(yè)的平均水平，同時(shí)自身裝置上有很多不完善的地方也是造成能耗高的主要原因，尤其是低品位熱能的浪費(fèi)。自身一方面在大量浪費(fèi)生產(chǎn)余熱和低品位熱能，另一方面取暖又在消耗高品位能源，這是一個(gè)相互矛盾的問題。通過分析發(fā)現(xiàn)，放掉的低壓蒸汽和被冷卻到常溫的工藝?yán)淠汉驼羝淠?溫度仍然在90 ℃)，在生產(chǎn)裝置上無法再利用，屬于生產(chǎn)余熱。攻關(guān)小組成員根據(jù)生產(chǎn)生活能源供應(yīng)需求情況分析，供暖只需要30 ℃左右的熱水循環(huán)使用即可，這個(gè)溫度下的能量是一個(gè)非常低品位的能量，于是提出能否把生產(chǎn)余熱——低壓蒸汽、工藝?yán)淠汉驼羝淠旱推肺粺崮芗衅饋恚糜谏睢⑥k公供熱取暖，這將是一個(gè)新的課題，在當(dāng)?shù)貨]有先例，在同行業(yè)也沒有先例，如果能實(shí)現(xiàn)就開辟了我國(guó)西北、東北合成氨尿素生產(chǎn)企業(yè)低品位熱能新的用途，更能充分利用合成氨尿素的低品位熱能和生產(chǎn)余熱。

2 改造方案

由于生活辦公供熱問題是一個(gè)系統(tǒng)問題，攻關(guān)小組成員需要充分調(diào)研、分析研究，并與相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)院進(jìn)行多次技術(shù)交流，基本達(dá)成了充分利用合成氨尿素生產(chǎn)低品位熱能來解決供暖的可行性。

攻關(guān)小組開始自行選址，策劃設(shè)備布置、管道走向和供熱方式等技術(shù)問題，繪制供熱草圖，與專業(yè)設(shè)計(jì)院一起設(shè)計(jì)出了全廠低品位熱能回收再利用方案。

(1)低品位熱能輸出參數(shù)。放空的低壓蒸汽： 0.4 MPa、4.16 t/h； 尿素輸出的蒸汽冷凝液8.32 t/h， 溫度90 ℃；合成氨工藝?yán)淠杭s8.0 t/h，溫度90 ℃。

(2)部分設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 部分設(shè)備參數(shù)

(3)低品位熱能回收利用工藝流程見圖1。將90 ℃左右的合成氨工藝?yán)淠?8 m3/h)和尿素蒸汽冷凝液(8.32 m3/h)分別送到供熱站充分混合調(diào)溫，用泵分別送到各供熱點(diǎn)，供熱后返回供熱站，利用生產(chǎn)多余的低壓蒸汽進(jìn)行循環(huán)加熱，然后又與新送來的工藝?yán)淠汉驼羝淠赫{(diào)溫后送出，形成一個(gè)循環(huán)回路，由于合成氨尿素是連續(xù)生產(chǎn)的，所以冷凝液和低壓蒸汽也是連續(xù)的，冷凝液一部分用于裝置的伴熱和吹掃，另一部分用于供熱取暖，全部低壓蒸汽用于供熱調(diào)溫用，最后將降溫后的冷凝液抽出一部分送回生產(chǎn)裝置循環(huán)使用。由于余熱多，全部用于自身供熱有過剩，通過策劃把多余的熱能送到了工業(yè)園的其他復(fù)合肥和節(jié)水公司供暖，還按照市場(chǎng)價(jià)收取了一定成本費(fèi)用，解決了兄弟公司的冬季供暖問題。

圖1 低品位熱能回收利用工藝流程

3 改造后效果分析

通過以上改造，實(shí)現(xiàn)了低品位熱能的再利用，新疆美豐充分利用了合成氨尿素生產(chǎn)余熱，也解決了生活辦公的供熱問題，節(jié)約了資源，減少了能源的浪費(fèi)，降低了生產(chǎn)消耗，同時(shí)把非常緊缺的天然氣資源充分用到產(chǎn)品生產(chǎn)上，實(shí)現(xiàn)了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.1 經(jīng)濟(jì)分析

3.1.1停運(yùn)了1臺(tái)供熱鍋爐產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

供熱鍋爐消耗天然氣按最低量300 Nm3/h，按照生活用氣計(jì)算2.20元/Nm3，同時(shí)取消該崗位，減少操作工4人，每人每年總支出5.5萬(wàn)元，設(shè)備每年維修費(fèi)和折舊費(fèi)共計(jì)2.00萬(wàn)元，供熱系統(tǒng)每年運(yùn)行4個(gè)月(11月15日至次年3月15日)，鍋爐已經(jīng)折價(jià)銷售給其他用戶，年節(jié)約費(fèi)用：

300×2.2×24×30×4÷10 000+4×5.5+2=214.08萬(wàn)元

3.1.2向兄弟單位供暖產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

按照新疆相關(guān)部門規(guī)定，非居民集中供熱價(jià)格為每平方米每個(gè)月35元，計(jì)量熱價(jià)0.28元/kW·h，在此基礎(chǔ)上雙方協(xié)商，每平方米每個(gè)月供熱收取成本價(jià)10元，通過測(cè)算兩家企業(yè)總共供熱面積8 459.66 m2，為確保兩家企業(yè)供熱，增加管道儀器表材料及施工費(fèi)51 300.59元。年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：

10×8 459.66×4-51 300.59=28.71萬(wàn)元

3.1.3多產(chǎn)尿素產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

利用以前取暖消耗天然氣300 Nm3/h轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品尿素，按照噸尿素耗天然氣計(jì)算，可以多產(chǎn)0.57 t/h尿素，這樣也解決了當(dāng)前天然氣供應(yīng)緊張、裝置負(fù)荷不飽滿的問題，扣除噸尿生產(chǎn)全部成本1 400元/t，當(dāng)前新疆市場(chǎng)尿素均價(jià)按1 550元/t計(jì)算，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益：

0.57×(1 550-1 400)×24×30×4=24.62萬(wàn)元

3.1.4減少循環(huán)水產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

按照新疆美豐對(duì)90 ℃的合成氨工藝?yán)淠?8m3/h)和尿素蒸汽冷凝液(8.32 m3/h)分別利用循環(huán)水冷卻到常溫30 ℃，由于沒有單獨(dú)計(jì)量，只能估算需要的循環(huán)水量，循環(huán)水所有成本按0.30元/t，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益：

(8+8.32)×(273+90)÷(273+30)×0.3×24×30×4=1.69萬(wàn)元

總上所述本項(xiàng)目年可增加經(jīng)濟(jì)效益：

214.08+28.71+24.62+1.69=269.10萬(wàn)元

為增設(shè)供暖系統(tǒng)增加投資：

設(shè)計(jì)費(fèi)10.00萬(wàn)元，設(shè)備儀器儀表管道投資38.07萬(wàn)元，安裝費(fèi)1.5萬(wàn)元，建筑物費(fèi)用1.2萬(wàn)元，加上日常生產(chǎn)管理各種人工支出合計(jì)11.00萬(wàn)元，合計(jì)增加投資：61.77萬(wàn)元。

由此可見，充分利用好合成氨尿素生產(chǎn)過程余熱和低品位熱能對(duì)企業(yè)會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)節(jié)約了能源，減少了資源浪費(fèi)，該項(xiàng)目還為兄弟單位供熱，也產(chǎn)生了較好的社會(huì)效益。如果把這經(jīng)濟(jì)效益折算成尿素成本，尿素按18萬(wàn)t/a計(jì)，全年噸尿成本可以降低1.41%。針對(duì)新疆美豐存在的能源使用上的問題，分別采取了一些措施，噸尿消耗天然氣降了5 Nm3左右，合成氨成本也明顯降低。

3.2 存在的不足

由于該項(xiàng)目取暖供熱有很明顯的季節(jié)性，因此有很大的局限性，只有冬季才需要，在夏季只能恢復(fù)到原工藝流程——低壓蒸汽放空，冷凝液和蒸汽冷凝液采取冷卻后送下工序循環(huán)使用，不能起到很好的節(jié)能效果，低品位熱能的利用仍然不是很充分，因此新疆美豐將繼續(xù)研究探索如何長(zhǎng)期充分利用合成氨尿素生產(chǎn)余熱和低品位熱能，如果找到全年都能長(zhǎng)期回收利用回該裝置的余熱和低品位熱能的途徑，將對(duì)降低生產(chǎn)成本效果更加明顯，收益可觀。

4 結(jié)語(yǔ)

建議合成氨行業(yè)在設(shè)計(jì)時(shí)就與當(dāng)?shù)毓I(yè)園其他企業(yè)統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計(jì)，充分考慮企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱和低品位熱能的回收再利用，可以將低品位熱能轉(zhuǎn)化為蒸汽、電或供熱給園區(qū)的其他企業(yè)，實(shí)行循環(huán)經(jīng)濟(jì)，能源再利用，提高能源利用率。