合成氨裝置燃機乏氣廢熱回收路線的選擇與探討

陳鳳壯

(海洋石油富島有限公司 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司(簡稱海洋富島公司)富島一期合成氨裝置投產于1996年，采用日本千代田公司ICI-AMV節能型工藝，空氣壓縮機使用以天然氣為燃料的燃氣輪機(以下簡稱燃機)驅動。該套裝置采用了燃機-輔鍋聯合系統，燃機做功后產生溫度為500 ℃的乏氣送至輔助鍋爐(以下簡稱輔鍋)回收余熱，同時殘氧體積分數為16%的乏氣可作為助燃空氣，輔鍋自身可點燃3個燃燒器，產生壓力11.2 MPa(絕壓)、溫度513 ℃的高壓過熱蒸汽100 t/h。采用燃機-輔鍋聯合系統后，燃氣綜合效率能達到85%(普通凝汽式蒸汽透平綜合效率為40%、單機燃機的簡單循環效率<31.2%)。結合ICI-AMV工藝所采用的低水碳比、二段爐加過量空氣、苯菲爾二段吸收/再生脫碳工藝、低壓氨合成等節能工藝的優點，富島一期合成氨裝置噸氨的能耗由傳統大型天然氣化肥廠的39.8 GJ下降至29.5 GJ。

1 燃機-輔鍋聯合的優越性

1.1 運行的獨立性和穩定性

20世紀80年代在我國大化肥合成氨裝置中引入燃機，其乏氣引入一段爐進行回收利用，從而達到節能降耗的目的[1]。引入燃機技術在化肥廠運用需要一個消化吸收過程，在工廠生產前期，燃機控制系統頻繁出現故障，燃機經常跳車，造成一段爐爐膛負壓高聯鎖動作跳車[2]。由于一段爐位于合成氨裝置前工段，裝置跳車后恢復時間較長，同時對設備運行與催化劑壽命帶來不利影響。

為減少燃機故障對一段爐的影響，富島一期合成氨裝置建設時就要求設計方日本千代田公司對ICI-AMV工藝進行技術革新，將燃機乏氣引至輔鍋(見圖1)，使一段爐運行的獨立性和穩定性大大提高。燃機跳車后，輔鍋可以自動切換為常規鍋爐運行方式而不停車，同時避免一段爐停工，不僅提高了高壓蒸汽管網的操作彈性，還在最大程度上避免了燃機跳車對整套裝置的影響[3]。一段爐煙氣與輔鍋煙氣的排放不進入同一個煙囪，也增加了一段爐與輔鍋各自的穩定性。

圖1 富島一期合成氨裝置燃機、空壓機、一段爐、二段爐與輔鍋的關系

1.2 能耗分析

1.2.1 間接停車損失更少

若燃機乏氣引入一段爐進行利用，一旦燃機發生故障極易造成一段爐停車，而停車及恢復生產時的能耗較大，帶來的間接損失較大。富島一期合成氨裝置投產前5年間就因燃機自身原因停車多達45次，證明當時選擇將燃機乏氣引入輔鍋

具有前瞻性，間接減少了裝置開停車能耗。

1.2.2 設計能耗更低

一段爐對流段各工藝介質盤管較多，與裝置工況關聯性非常強。由于工藝介質盤管對加熱有一定的要求，使得一段爐對來自燃機的煙氣量和溫度都有較高的要求，這在一定程度上限制了燃機的工況，也不利于提高余熱的回收效率。為滿足各組物料盤管換熱的需求，富島一期合成氨裝置一段爐出口設計煙氣溫度通常較高(見表1)，燃機乏氣溫度為500 ℃，一段爐出口煙氣溫度為162 ℃，輔鍋出口煙氣溫度為138 ℃。在相同的煙氣初溫條件下，尾部煙氣溫度越低，煙氣的焓降越大，余熱利用效率就越高。將燃機煙氣引至一段爐與引至輔鍋比較，引至輔鍋后，煙氣出口溫度可以不受主系統工況的限制而降得更低，即出口煙氣焓值更低，更多的熱量可用于與水的換熱，燃料消耗更少，因此燃機乏氣送至輔鍋的能量利用率要高于送至一段爐。

表1 一段爐與輔鍋煙氣設計溫度

1.2.3 可選用高效燃機

燃機獨立于一段爐后，受系統工藝條件的制約減少，不需要很高的排氣溫度和乏氣量就能滿足設計要求。因此，富島一期合成氨裝置燃機設計之初便選用效率高、排氣少的機型，見表2。

表2 燃機能耗數據比較

1.2.4 燃機余熱自產蒸汽

燃機乏氣被送入輔鍋以后，其余熱在不點輔鍋的情況下可以增加蒸汽產量15 t/h，占輔鍋設計蒸汽產量的15%。燃機乏氣引入輔鍋聯合運行，與燃機和輔鍋各自獨立運行相比，可以節省天然氣1 100 m3/h。

1.3 改造空間更大

燃機獨立于一段爐后，受到系統工藝條件制約減少，針對燃機的節能改造，也不會對系統造成負面影響。富島一期合成氨裝置先后兩次針對燃機進行了較大的節能改造，取得了較好的效果。

富島一期合成氨裝置位于海南高溫熱帶地區，每年夏季(4～10月)受高氣溫的影響，燃機不得不降低負荷運行，是制約裝置生產的瓶頸問題。2003年4月，對富島一期合成氨裝置的燃機入口空氣系統進行改造，增加一套空冷系統。投用后，燃機入口空氣溫度由32 ℃降至19 ℃，裝置負荷由29 000 m3/h升至30 500 m3/h，合成氨產量由988 t/h提高至1 050 t/h，燃機乏氣溫度由495 ℃降至480 ℃[4]。由于燃機運行更加穩定，燃機停車次數明顯減少，由改造前平均每年停車7次下降至每年1次。

隨著燃機運行時間延長，效率下降，夏季高溫時空冷系統難以滿足裝置滿負荷運行的要求[5]。2016年富島一期合成氨裝置天然氣供應合同到期，新氣源為高CO2和高N2含量的天然氣，為此對富島一期合成氨裝置的燃機進行了改用純氧的改造，一方面是為了平衡系統工藝物料，另一方面也有助于降低燃機的功耗。改造后，工藝空氣量由42 780 m3/h降至39 030 m3/h，二段爐溫度提高了20 ℃，蒸汽產量增加10 t/h，蒸汽更加容易平衡。由于富氧的加入，對燃機功率的需求降低，保證了燃機的安全運行，裝置產能也得到了大幅提高。

2 燃機-輔鍋系統存在的問題

燃機乏氣進入輔鍋后，燃機乏氣與輔鍋煙氣共用一個煙囪，燃機產生的NOx在沒有還原劑的情況下無法消除，因此直接影響輔鍋排放煙氣中NOx的含量。由于1996年建廠時煙氣NOx排放要求較寬，且燃機低氮減排技術尚不成熟，使得燃機乏氣中NOx含量較高。富島一期合成氨裝置燃機乏氣中NOx質量濃度設計值為440 mg/m3，遠高于最新型燃機的NOx排放限值(質量濃度50 mg/m3)。為此，采用燃機注蒸汽和降低燃機功率等手段，降低了燃機乏氣中實際NOx含量，排放數據見表3。

表3 富島一期合成氨裝置的整體NOx排放情況

由表3可知：富島一期合成氨裝置一段爐煙氣和輔鍋煙氣單獨進行排放，由于獨特的燃機、輔鍋、一段爐工藝路線設計，燃機乏氣引入輔鍋，整套裝置排放的煙氣NOx總量低于燃機乏氣引入一段爐的同類、同規模的裝置。盡管NOx排放總量較少、NOx排放含量較低，但由于富島一期合成氨裝置輔鍋執行的是國家標準《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)，該標準對排放煙氣中NOx的含量要求比一段爐執行的國家標準《工業爐窯大氣污染物排放標準》(GB 9078—1996)更加嚴格。受到燃機出口高濃度NOx乏氣的影響，輔鍋出口NOx質量濃度無法滿足鍋爐的最新排放標準要求(NOx質量濃度<100 mg/m3)。

3 煙氣脫硝路線和技術

燃機和輔鍋聯合系統既可以選擇從前端進行脫硝也可以選擇從后端進行脫硝。前端脫硝即通過改進燃燒器、燃燒混合方式等方法減少NOx的產生，實現降低NOx的排放濃度；后端脫硝即通過對已經產生的NOx進行還原或吸收處理，降低NOx的排放濃度。

前端脫硝的主要技術有DLN干式低氮減排技術和WLN濕式低氮減排技術。DLN技術主要是通過對燃氣輪機燃燒室的改進，使燃料、空氣充分預混，并優化燃料分配和運行方式來實現對燃料、空氣摻混的合理控制，使燃料在火焰筒中處于“貧燃料”，以降低火焰中心溫度，控制燃料空氣比和燃燒時間，從而減少NOx的生成量。WLN技術主要是將蒸汽與天然氣以一定比例預混合，然后以蒸汽稀釋天然氣，增加火焰面燃燒產物的量，用同等的燃燒熱量去加熱更多的燃燒產物，自然就降低了火焰溫度，達到降低NOx排放量的目的。

后端脫硝路線中，具有代表性的是選擇性催化還原(SCR)技術和選擇性非催化還原(SNCR)技術[6]。其中SCR技術是當前較為成熟的脫硝技術，以尿素或氨基化合物作為還原劑，脫硝效率可達70%～90%，應用業績最多。SCR技術使用TiO2為載體，以V2O5、V2O5-WO3或V2O5-MoO3為活性成分的催化劑，催化劑為模塊化結構，可制成蜂窩式、板式或波紋式等3種類型。SCR技術反應溫度分為高溫(345～590 ℃)、中溫(260～380 ℃)和低溫(80～300 ℃)等3個區間，反應位置多在省煤器前后。國內外SCR系統大多采用的溫度區間為315～400 ℃。SNCR技術同樣使用尿素或氨基化合物作為還原劑，其與SCR技術最大的區別在于不使用催化劑，因此反應溫度要求也較高，多在850～1 100 ℃，反應位置在輔鍋爐膛。SNCR技術的脫硝效率一般為30%～60%，受輔鍋結構及尺寸的影響很大，多用作低NOx燃燒技術的補充處理手段。SNCR技術具有工程造價低、布置簡易、占地面積小、適合老廠改造等優點，新廠可以根據輔鍋設計配合使用。但無論SCR技術還是SNCR技術，都不能忽視氨逃逸、設備腐蝕的副作用，改造設備還必須充分考慮對燃機和輔鍋原參數的影響等問題。

由于輔鍋煙氣排放新標準更嚴格，而富島一期合成氨裝置建設之初選用的燃機脫硝技術相對落后，不得不面臨輔鍋煙氣脫硝改造的問題。考慮到富島一期合成氨裝置的實際情況和適用性，海洋富島公司將選擇對燃機脫硝改造的DLN技術為主，配合輔鍋煙氣脫硝SNCR技術，尋求有效降低排放煙氣中NOx含量的方法。

4 結語

富島一期合成氨裝置燃機-輔鍋聯合系統可以說是一項創新，改變了燃機乏氣去一段爐的傳統選擇，在操作獨立性、縮短開車時間、降低能耗和減少污染物排放等方面都顯示出了優越性。該路線減小了系統對燃機乏氣的依賴性，間接增加了燃機的改造空間，富島一期合成氨裝置在2003年和2016年的兩次改造均獲成功，突破了裝置運行瓶頸問題，取得了良好的經濟效益。經過23年的運行，已證明富島一期合成氨裝置燃機-輔鍋路線的優越性和可靠性，但不可否認的是，由于煙氣最新排放標準要求較高，新建裝置需要特別考慮燃機選型和燃機煙氣脫硝技術的選擇問題。