運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)優(yōu)化尿素裝置換熱網(wǎng)絡(luò)

王焰

摘 要：二氧化碳汽提法尿素生產(chǎn)裝置是上世紀(jì)70年代引進(jìn)的，其工藝依然是主流的尿素生產(chǎn)工藝之一。運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)分析尿素裝置的換熱網(wǎng)絡(luò)，依據(jù)夾點(diǎn)三原則，找出不合理換熱網(wǎng)絡(luò)配置，提出改進(jìn)不合理的公用工程布置建議，優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)和裝置用能，降低尿素裝置能耗。

關(guān)鍵詞：二氧化碳汽提工藝;夾點(diǎn)技術(shù);換熱網(wǎng)絡(luò);公用工程

1 引言

夾點(diǎn)技術(shù)是林霍夫（Linnhof）在二十世紀(jì)八十年代早期推行提升生產(chǎn)裝置熱集成的一種優(yōu)化方法，適用于過程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和節(jié)能改造。本文通過例舉夾點(diǎn)技術(shù)分析裝置的現(xiàn)實(shí)用能情況，為改進(jìn)、完善裝置合理用能，優(yōu)化能源配置提供了充足的理論支持。

2 工藝流程概述

上世紀(jì)七十年代，我國引進(jìn)了斯塔米卡邦二氧化碳汽提尿素工藝流程：原料氨經(jīng)高壓氨泵加壓至16MPa進(jìn)入氨預(yù)熱器（102-C），預(yù)熱至90℃左右，經(jīng)高壓液氨噴射泵進(jìn)入高壓甲銨冷凝器（202-C）。原料二氧化碳經(jīng)壓縮機(jī)升壓到14.5MPa進(jìn)入氣提塔（201-C）底部。合成塔（201-D）混合反應(yīng)物經(jīng)漏斗形下降管分布到氣提塔降膜管上，由二氧化碳?xì)怏w在降膜管內(nèi)的氣提作用，降低溶液中氨含量。氣提塔頂部氣體經(jīng)高壓甲銨冷凝器，與二氧化碳和氨反應(yīng)生成甲銨，釋放熱量達(dá)0.4MPa的低壓蒸汽產(chǎn)生混合物進(jìn)入合成塔，脫水生成尿素。氣提塔的尿素溶液，再經(jīng)精餾、蒸發(fā)造粒得到產(chǎn)品。高壓系統(tǒng)尾氣和精餾塔尾氣，進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)冷凝吸收，返回高壓系統(tǒng)。工藝?yán)淠航?jīng)深度水解系統(tǒng)，汽提出氨、二氧化碳和尿素送至循環(huán)系統(tǒng)，廢水達(dá)標(biāo)后回收至快鍋或供排水裝置。

3 裝置消耗情況

該裝置設(shè)計(jì)噸尿素耗氨580kg、耗二氧化碳770kg、耗蒸汽1530kg、耗冷卻水88m3、耗電20kW/h。

隨著裝置的技術(shù)改造升級(jí)，各項(xiàng)消耗逐步降低。其中以煤為原料：噸尿素耗氨571kg、耗二氧化碳767kg、耗蒸汽1271kg、耗冷卻水90m3、耗電19kW/h;以天然氣為原料：噸尿素耗氨579kg、耗二氧化碳767kg、耗蒸汽1299kg、耗冷卻水90m3、耗電19kW/h。

4 運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)分析裝置用能

夾點(diǎn)技術(shù)在尿素裝置生產(chǎn)中的推廣與運(yùn)用，較好的整合了工藝物流選擇、換熱網(wǎng)絡(luò)的確定、解析和改進(jìn)等諸多節(jié)點(diǎn)要素。

4.1 工藝物流的選擇

依據(jù)物流選擇的準(zhǔn)則，即有熱量變化、無組分變化的準(zhǔn)則，[1]遵照氮肥工藝設(shè)計(jì)，[2]氣提法尿素工藝裝置操作，[3]獲得物流數(shù)據(jù)流程，共10組熱物流和5組冷物流（見圖1）。

4.2 換熱網(wǎng)絡(luò)的確定

夾點(diǎn)溫差△Tmin取10℃，[4]按照問題表法，[5]算得夾點(diǎn)溫度為127℃，即熱流132℃、冷流122℃。

熱流H5到熱流H10溫位較低，熱流H4溫位雖有118℃，但熱量不高（流量較小），均采用公用工程冷卻。熱流H1和冷流C1之間、熱流H3和冷流C4之間進(jìn)行解吸、水解熱量交換。

4.3 換熱網(wǎng)絡(luò)的解析

換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)溫度為127℃，冷熱負(fù)荷曲線最小加熱公用工程QHmin=0.6MW，最小冷卻公用工程QCmin=5.5MW。

運(yùn)行中，夾點(diǎn)上、下不應(yīng)設(shè)置任何公用工程冷卻器，不應(yīng)有跨越夾點(diǎn)的傳熱。夾點(diǎn)沒有公用工程冷卻器，符合三原則。反之，則違反了三原則。熱流H1、H3和冷流C1、C4組成的換熱回路存在問題，水解塔C-803出液設(shè)計(jì)溫度190～195℃，換熱器E-803設(shè)計(jì)熱負(fù)荷3808kW，熱流H1放出的熱量為2296kW，冷流C1吸收的熱量為1342.5kW。實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)溫度誤差較大，說明換熱器內(nèi)結(jié)垢較多，保溫效果不好，冷熱物流不匹配，熱流H1放出的熱量為2154kW，冷流C1吸收的熱量為3150kW，出現(xiàn)矛盾。換熱器E-802的進(jìn)出物流溫度是由熱電耦測(cè)得，說明熱電耦存在故障。

4.4 換熱網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)

換熱網(wǎng)絡(luò)夾點(diǎn)之下有三個(gè)公用工程加熱器，違反了夾點(diǎn)技術(shù)三原則。熱流H2從132℃降到120℃放出熱量6168kW，三股需加熱的冷流C2從96℃到122℃、C3從113℃到122℃、C5從19℃到91℃，共需熱量4887.4kW，理論上熱流H2可以給三個(gè)加熱器提供熱量，實(shí)際換熱網(wǎng)絡(luò)可以改進(jìn)簡化（見圖2）。

結(jié)合設(shè)備流程實(shí)際，冷流C2只需要增加401-CA的高壓調(diào)溫水（H2）流量即可實(shí)現(xiàn);冷流C3原高壓調(diào)溫水（H2）因301-CA改造切斷，將此恢復(fù)即可;冷流C5需要加配管線長度，將高壓調(diào)溫水（H2）引入換熱器102-C。改進(jìn)后，節(jié)約低壓蒸汽4847kW、冷卻公用工程用能3664kW。

5 裝置實(shí)際用能研究

作為裝置安全運(yùn)行的基礎(chǔ)保障，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組表面冷卻器、段間冷卻器熱能與多級(jí)噴射泵只能用公用工程冷卻，二者冷卻用能為56MW，裝置總冷卻用能為61.5MW。

5.1 生成尿素設(shè)備的需求

高壓甲銨冷凝器是尿素生產(chǎn)的重要設(shè)備，氨和二氧化碳在此反應(yīng)生成甲銨，少數(shù)熱量用于甲銨脫水生成尿素（二氧化碳合成轉(zhuǎn)化率為60%），多數(shù)熱量可產(chǎn)生0.4MPa低壓蒸汽46t/h，分別給蒸發(fā)一段、蒸發(fā)噴射泵、解吸塔供熱保溫，余數(shù)蒸汽注入透平節(jié)省中壓蒸汽用量。

透平需中壓蒸汽95t/h，抽出63t/h。其中60t/h給汽提塔提供動(dòng)力，3t/h給蒸發(fā)二段供熱，水解塔需中壓蒸汽5t/h。裝置用中壓蒸汽87MW，抽出53MW供工藝使用，裝置副產(chǎn)低壓蒸汽35MW。

5.2 換熱裝置用能的優(yōu)化

依照工藝要求，水解塔所用中壓蒸汽改為2.4MPa蒸汽，可節(jié)約中壓蒸汽139kW（約0.16t/h）。通過夾點(diǎn)技術(shù)改進(jìn)不合理的換熱設(shè)置，可節(jié)約0.4MPa蒸汽1637kW、0.17MPa蒸汽2210kW;401-C的0.4MPa用汽量由原來的1.37t/h降為0.26t/h;301-CA改用高調(diào)水可節(jié)約0.4MPa蒸汽（1.04t/h）注入透平。3t注汽熱量相當(dāng)于1t中壓蒸汽熱量，節(jié)約的2.15t/h注汽，可抵消0.72t/h的中壓蒸汽消耗。水解塔改2.4MPa，優(yōu)化管網(wǎng)蒸汽和換熱網(wǎng)絡(luò)可節(jié)約中壓蒸汽0.88t/h，766kW的熱量。

102-C改用高壓調(diào)溫水（H2）后，節(jié)約的3t/h0.17MPa蒸汽，由903-C回收再利用，減少冷卻水能量消耗。202-C可產(chǎn)汽46t/h，0.4MPa管網(wǎng)流量62t/h，部分是903-F汽包0.9MPa冷凝液減壓產(chǎn)生。應(yīng)避免2.4MPa和0.9MPa管網(wǎng)蒸汽直接給0.4MPa蒸汽管網(wǎng)補(bǔ)汽，防范能量消耗。

氨泵液氨設(shè)計(jì)工況為壓力2.4～3.4MPa、溫度<40℃，實(shí)際液氨壓力2.0MPa、溫度24℃，可停用氨預(yù)熱器，在液氨溫度低于循環(huán)水溫度時(shí)再啟用，實(shí)現(xiàn)有效用能。903-C和101-C優(yōu)化后，節(jié)約冷卻水4017kW，換熱網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化節(jié)約3664kW，總計(jì)7681kW。

5.3 尿素裝置現(xiàn)場(chǎng)的管理

通過裝置現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際采數(shù)，查明許多管線只有外殼，內(nèi)部保溫不全，造成能量損耗;部分蒸汽管線疏水設(shè)備出現(xiàn)損壞缺失，導(dǎo)淋外排蒸汽等問題亟需解決。

6 結(jié)束語

改進(jìn)后，中壓蒸汽消耗從87MW降至86.2MW，冷卻水從61.5MW降至53.8MW。熱流H2（高壓調(diào)溫水）因二氧化碳中氫含量較低，其溫度可以降到110℃甚至更低并可再利用。根據(jù)熱量高熱高用、低熱低用、梯級(jí)利用的原則，運(yùn)用夾點(diǎn)技術(shù)分析優(yōu)化尿素裝置換熱網(wǎng)絡(luò)，改進(jìn)不合理用能，實(shí)現(xiàn)了降低消耗的目的。

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