60萬t/a合成氨系統變換裝置“零蒸汽”消耗優化設計

(山東三維石化工程股份有限公司上海分公司，上海 200233)

近年來，以煤為原料生產合成氨的煤化工工藝得到了大力的發展。其中，粉煤氣化技術憑借其能耗低、有效氣含量高等特點，在近期國內新建或原料路線升級改造的大型合成氨裝置中得到了廣泛應用。某化肥廠進行原料路線改造，用粉煤氣化爐替代原有固定床氣化爐，配套建設的變換裝置采用絕熱變換+絕熱變換+水移熱控溫變換的三段中、低溫耐硫變換技術。

由于粉煤氣化的粗煤氣中CO干基含量可以達到65%(v)以上，甚至可達到70%(v)，水氣比僅在0.79左右。合成氨生產中需要進行CO完全變換，因此，需在粗煤氣中補充一定量的水或蒸汽來提高水氣比以滿足變換反應的需要。筆者就60萬t/a合成氨裝置的設計優化探討了如何通過優化熱量回收工藝，達到變換裝置“零蒸汽”消耗。

1 氣化粗煤氣組成

60萬t/a合成氨原料路線改造配套建設的三段中、低溫耐硫變換主要操作參數見表1。

表1 主要操作參數

續表

2 CO變換反應熱

CO變換工藝的基本原理是CO和水蒸氣在一定的壓力和溫度條件下，在催化劑的作用下發生變換反應，并放出大量的反應熱，其反應方程式如下：

ΔHΘ298=-41.19 kJ/mol

變換反應的反應熱隨溫度的升高而減少，其關系式為：

Q=10861-1.44T-0.4×10-4T2+8×10-8T3

其中，Q為反應熱，kcal/kmol；T為溫度，K。

生產中，當變換爐升溫結束，轉入正常生產后，即可利用反應熱來進行連續生產，而變換反應為平衡反應，達到反應的平衡溫距后，反應將無法繼續進行，因此需要通過冷媒介質將產生的反應熱移除，三段變換反應所產生的反應熱見表2。

表2 變換反應器放熱量(25℃標準反應熱)

通過上表計算結果，每段反應均有大量的反應熱產生，如何合理利用變換反應所產生的反應熱對整個合成氨裝置的節能降耗有著非常積極的作用。一般設計思路為高品位熱量用于副產蒸汽，低品位熱量用于預熱脫鹽水、鍋爐水等供其他裝置使用。然而，對于4.0 MPa(g)煤氣化配套變換裝置一般副產蒸汽的壓力在4.0 MPa(g)以下，由于沒有過熱熱源，這部分蒸汽無法作為動力蒸汽使用，僅能用于一般的化工用汽，利用價值不高；另一方面，變換需要補充大量的水或者蒸汽來滿足反應需要，若采用補入蒸汽來提高水氣比，需補入過熱動力蒸汽。消耗大量的過熱動力蒸汽而產出大量的飽和蒸汽，這對于企業產品節能降耗非常不利。從工藝設計的角度來說，非常不合理。針對這一問題，考慮在設計中利用好變換自身反應熱，做到變換裝置“零蒸汽”補入，達到節能降耗、降低生產成本，提升企業競爭力的目標。

3 變換裝置熱平衡分析

3.1 變換裝置外供熱量分析

變換裝置作為全廠的“供熱心臟”需通過冷媒質將反應熱合理地供給其他裝置，結合工廠的實際需求，需要考慮以下供熱：①需要向氣化裝置供應180 ℃鍋爐水20 t/h，供180 ℃以上高溫工藝冷凝液100 t/h；②需向鍋爐供應110 ℃熱脫鹽水700 t/h；③剩余熱量用于副產蒸汽，并入廠內蒸汽管網，廠內現有飽和蒸汽管網分別為2.5 MPa(g)、1.27 MPa(g)、0.5 MPa(g)或0.3 MPa(g)。

3.2 變換裝置自身耗熱量分析

粉煤氣化變換入口水汽比僅0.79，不能滿足合成氨裝置變換深度的需求。為了滿足合成氨裝置變換反應深度要求，需要提高合成氣的水氣比。傳統變換一般采用補入過熱動力蒸汽的方式來滿足水氣比的要求。但是，由于變換裝置無蒸汽過熱熱源，僅能副產飽和蒸汽，這就造成了補入高品位的過熱蒸汽，副產低品位的飽和蒸汽，從裝置操作經濟性角度考慮是非常不合理的。

針對以上問題，設計中將鍋爐水通過冷激汽化器的高速噴頭霧化后直接與高溫變換氣混合，通過高溫變換氣將鍋爐水直接氣化。在冷激汽化器下層設有鮑爾環填料層，確保了出冷激汽化器的變換氣中不含游離水，而補水用高溫鍋爐水來自3#變換爐后的鍋爐給水預熱器，有效地利用了變換低品位熱量。且補水后的變換氣的水氣比仍未達到飽和狀態，不會存在游離水析出催化劑結塊的風險。補水前后變換水氣比變化情況見表3。

表3 水汽比對比

通過以上分析可知，合理回收變換裝置的熱量對整個合成氨裝置的設計有著非常積極的意義。變換裝置熱量回收方案主要思路有以下2點：①最大限度地回收高品位熱量，提高回收能量的品質；②滿足不同廠區的公用工程需要。60萬t/a合成氨原料路線改造項目三段變換反應的反應熱總量約為2.5×108kJ/h(25 ℃標準反應熱)，綜合考慮項目節能及工廠實際需求，流程中需設計變換爐進料換熱器、工藝冷凝液預熱器、中壓廢熱鍋爐、鍋爐給水預熱器、脫鹽水預熱器及變換水冷器。各熱交換設備操作參數及熱負荷見表4。

表4 熱負荷表

4 變換裝置工藝流程設計

對于整個變換反應，進口CO含量及出口CO指標確定后，整個反應熱基本不變。不同工程項目有著不同的能耗需求，針對該廠的實際情況，對全廠熱平衡計算后，設計變換裝置工藝流程。來自氣化裝置的合成氣經1#氣液分離器分離冷凝下來的工藝冷液后，經變換爐進料換熱器預熱到約240 ℃，經脫毒槽去除灰塵等后送入1#變換爐；經部分變換后的變換氣中的CO干基含量約為24.92%(v)，溫度約為443 ℃，此變換氣首先經變換爐換熱器預熱粗煤氣后，經工藝冷凝液加熱器加熱送氣化裝置洗滌塔的工藝冷凝液，出工藝冷凝液加熱器的變換氣溫度約為348 ℃，經1#冷激汽化器補入鍋爐水后，將水汽比調整到0.5，溫度230 ℃送2#變換爐；出2#變換爐的變換氣溫度約為367 ℃，先經過中壓廢熱鍋爐副產2.5 MPa(g)飽和蒸汽后，變換氣進2#冷激汽化器調節水汽比后進3#水移熱控溫變換爐，出3#水移熱控溫變換爐的變換氣中CO干基含量約為0.4%(v)，溫度約為200 ℃。此變換氣經鍋爐給水預熱器、低壓廢熱鍋爐、2#氣液分離器、脫鹽水預熱器、3#氣液分離器、變換水冷器后經洗氨塔洗滌后送下游脫硫脫碳裝置。

上述流程在滿足整個合成氨裝置供熱需求同時，也實現了變換裝置“零蒸汽”補入的工藝設計。且在此基礎上盡量副產高品位的蒸汽供全廠其他裝置達到熱量的合理利用目標。

5 結語

(1)利用變換高位熱能汽化變換低溫熱能預熱后的高溫鍋爐水，高效地利用了變換裝置低位熱能。

(2)變換裝置作為整個合成氨裝置的“供熱心臟”，合理分配、利用反應熱對整個合成氨系統的節能降耗有著非常積極的作用；裝置設計充分利用了變換反應熱，保證了整個合成氨裝置及其配套設施的用能需求。

(3)變換裝置調節水汽比若全部采用蒸汽，需消耗9.8 MPa(g)，525 ℃的動力蒸汽約70 t/h，而僅能多副產出2.5 MPa(g)或0.5 MPa(g)的低壓飽和蒸汽約80 t/h；此部分蒸汽利用價值不高。以發電計，9.81 MPa(g)的蒸汽背壓到2.5 MPa(g)，每噸蒸汽可以發電71 kW·h；每小時可以發電4 970 kW·h；以裝置年運行7 200 h計，每年節約的高位熱能約可發電3.58×107kW·h。

(4)以該廠所在地工業用電0.6元/kW·h的價格計，年節約生產成本2148萬元，噸氨成本下降了約35.8元，對于企業節能降耗有著積極的意義。