合成氨裝置節能降耗探究

(寧煤烯烴二分公司，寧夏 銀川 750409)

企業的生存發展離不開經濟效益提高，降低生產成本、節能降耗是提高經濟效益的有效手段。企業在生產階段，優化工藝指標、生產管理精細化是降低成本的主要措施。

1 合成氨裝置工藝流程

神華寧煤烯烴二分公司合成氨規模15萬t/a，原料分別是煤制油公司供給的99.9%(φ)[1]氫氣與裂解裝置供給的95%氫氣，經過PSA變壓吸附塔提純到99.99%，與煤制油供給的99.99%的氮氣按3∶1混合，壓縮后送入氨合成塔反應生成氨。反應放熱通過加熱反應氣、余熱鍋爐回收。產品氣氨通過冷凝分離，最后送煤制油氣化與鍋爐裝置脫硫除硝使用。合成氨裝置工藝流程見圖1。

2 裝置大型機組介紹

本套合成氨裝置中，合成氣壓縮機為沈陽遠大往復式壓縮機，共3臺，2開1備；氨冷凍機是煙臺冰輪螺桿式，共6臺，第一氨壓縮機3臺，2開1備，第二氨壓縮機3臺，2開1備。大型機組明細見表1。

3 節能降耗措施

3.1 提高單程轉化率

合適的反應溫度、壓力、空速，當催化劑活性降低導致能耗較高時，及時更換是提高單程轉化率的有效措施。

圖1 合成氨裝置工藝流程注：1—氨合成塔；2—開工加熱爐；3— 合成汽包；4—蒸汽過熱器；5—合成氣余熱回收器；6—鍋爐給水預熱器；7—熱交換器；8—水冷器；9—冷交換器；10—一級氨冷器；11—二級氨冷器；12—氨分離器；13—氨閃蒸罐；14—氨產品泵；15—第二氨壓縮機；16—第一氨壓縮機；17—氨壓縮機最終水冷器； 18—氨受槽；19—氨產品換熱器；20—弛放氣冷卻器；21—惰性氣分離器；22—閃蒸氣增壓機；23—合成氣壓縮機；24—解析器壓縮機；25—PSA變壓吸附

表1 大型機組明細

3.1.1催化劑影響

氨合成是放熱可致體積縮小的可逆反應，因為在同等條件下反應很慢(同等條件指在高溫、高壓中有催化劑與無催化劑的對比下)，所以必須借助催化劑增加反應速率。鐵系列催化劑活性高，價格低廉、耐溫性能好、抗中毒能力強、使用壽命長，所以在行業內廣泛使用。氨合成催化劑在使用過程中，受硫、磷、溫度、灰塵附著等因素的影響會逐漸老化，具體表現在凈氨值下降、熱點溫度下移。本裝置氨合成塔裝填山東臨朐泰豐TA201-2-H、TA201-2催化劑28m3，共分3個床層。催化劑設計使用壽命是10年，當前裝置僅運行2年，催化劑活性仍然較高。在后期運行過程，若凈氨值下降，循環量增加，通過經濟費用測算決定更換催化劑的時機。

3.1.2壓力影響

氨合成有高壓法(60～100MPa)、中壓法(15～60MPa)和低壓法(小于15MPa)，本工藝采用低壓法，壓力是8～15MPa。低壓法也是目前比較流行的工藝，因為低壓法在能耗與投資上更占優勢。在9.1MPa、進塔氨含量2.5%、出塔氨含量14.71%條件下，壓力提高時，出塔氨含量提高。不同壓力下的凈氨值見表2。

表2 不同壓力下的凈氨值

3.1.3溫度影響

進合成塔催化劑床層溫度高，出催化劑床層溫度低，可提高氨轉化率。合成氨放熱反應，熱點溫度保持在第一床層，第二、第三層處于降溫狀態時，有利于平衡氨含量的提高。不同溫度、壓力下純3H2-N2混合氣體的平衡氨含量見表3。

表3 不同溫度、壓力下純3H2-N2混合氣體的

3.1.4空速影響

空速的增加提高了液氨產量，空速從10 000h-1提高到20 000h-1，產量提高率=(2417-1350)/1350=79%。但空速增加1倍，電耗增加1倍(等壓過程)，所以低空速有利于節能。空速與出口氨含量對應關系見表4。

表4 空速與出口氨含量對應關系[3]

注：壓力為30MPa，溫度為500℃。

在一定負荷運行下，優化工藝運行的溫度、壓力、空速等條件，追求高轉化率，降低循環量，降低電耗。在9.1MPa，進塔氣量123 895Nm3/h，液氨產量10.03t/h的條件下，當轉化率降低1%，進塔氣量增加4.6%，合成氣壓縮機電耗、氨冷凍負荷隨之增加。轉化率與壓縮機負荷變化見表5。

表5 轉化率與壓縮機負荷變化

3.2 降低入塔氨含量

降低入塔氨含量，提高凈氨值。本套裝置工藝產品氫氣與氮氣純度為99.99%，幾乎沒有雜質氣體，在壓力、溫度、空速相等的條件下，進塔氨含量越高，凈氨值越低。

3.3 優化生產操作

依據生產負荷情況及時調整機組運行臺數。因為本裝置產生的液氨僅供煤制油內部使用，屬“以用定產”的生產模式。當前液氨消耗非常穩定地維持在240t/d，差不多就是半負荷生產(滿負荷是450t/d)。經過對機組能力的考察與論證，決定將合成氣壓縮機兩臺機組運行的模式調整為單臺機組運行，兩臺機組運行時合成氣壓縮機的每臺的電流是100～110A，單機組運行后電流上漲到145A，僅電機電能消耗一項即可每小時節約1 041.9kW·h。合成氣壓縮機兩臺變一臺運行電耗降低情況見表6。

表6 合成氣壓縮機兩臺變一臺運行電耗降低情況

因為壓力提高，轉化率提高，循環氣量減少，冷凍機組負荷也相應降低，氨冷凍機組電機電能消耗每小時節約304.5kW·h(見表7)。

除了提高單機負荷、降低設備運行臺數，降低單機運行回流量也是降低機組電耗的重要措施。回流對系統不做功，降低回流就是減少無用功，降低了機組運行電耗。合成氣壓縮機單機回流分一回一、二回一、三回三。進塔氣進熱交換前有系統回流閥，調節循環氣量，降低系統回流也是降低電耗的有效措施。

3.4 降低入塔惰性氣體組分

提高反應氣純度能大大降低入塔惰性氣體組分，減少惰性氣體排放。老合成氨工藝中，氫氣純度不高，導致惰性氣體排放量很大。降低入塔惰性氣含量對合成氨的影響有以下幾點：①降低了原料氣的排放；②減少了氨的排放；③降低了合成氣壓縮機、氨冷凍機做功。

3.5 反應熱的綜合利用

NH3反應的反應熱為46.2kJ/mol，反應熱部分用于加熱進塔原料氣，部分熱量通過合成汽包副產蒸汽。熱量的回收利用，降低了循環水用量、冷凍用量和電耗。

3.6 保持長周期穩定運行

開停車會造成原料氣體放空，氫氣、氮氣消耗增加，電耗增加。在開停車過程中，不但原料氣體放空，而且置換系統消耗了大量工藝氮氣。開車時，在升溫過程中未產出產品，機組卻正常運行消耗電能，開工加熱爐消耗燃料氣。初期低負荷運行時，運行機組造成電單耗增加；開停車時，造成循環水、氮氣、儀表風單耗增加等。減少開停車次數可降低成本增加效益，保持長周期穩定運行。

3.7 降低循環水用量

在設計過程中，設計人員都是按照最大負荷物料與能量恒算。在半負荷生產時，循環水閥全開造成了大量循環水電耗浪費。通過調整循環水回水閥門開度，保持好相應的溫差，在滿足工藝指標的前提下，降低循環水用量。經測算，通過降低循環水用量可實現每小時節電564.5kW·h(見表8)。

3.8 電伴熱

寧夏屬北方寒冷地區，冬季為了物料防凍，設置了伴熱。伴熱有蒸汽伴熱、電伴熱、熱水伴熱等。熱水伴熱、蒸汽伴熱根據氣溫變化及時啟停。電伴熱采用自動控制回路，設置溫控器、數顯儀，依據物料特性設置最低工作溫度(大于凝固溫度5～10℃即可)，設定太高會造成不必要的電耗。

4 結語

綜上所述，僅整合合成氣壓縮機和氨冷凍機運行、降低循環水用量這兩條措施，每小時就可節電1 910.9kW·h，按照電費0.36元/kW·h計，可節約成本68.79元/t(液氨)。

合成氨作為傳統成熟工業，新型設備、工藝技術已經少有創新發展。自2008年經濟危機后，中國的經濟已經從原來的高速增長轉向高質量發展。當前，針對各企業工藝情況，提高精細化管理，每個操作過程、工藝控制指標數都要根據實際情況合理優化。節能降耗、降本增效，是時代的召喚，也是化工生產管理人員的使命。