不同氣源條件下合成氨裝置的工藝優(yōu)化及運(yùn)行總結(jié)

楊 清

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司 青海格爾木 816099)

近年來(lái)，隨著“煤改氣”工程的深入推進(jìn)，居民用氣量大幅增加，每年冬季因天然氣供應(yīng)不足導(dǎo)致裝置減產(chǎn)或停產(chǎn)的氣頭氮肥企業(yè)較多，尋求新的原料氣氣源是氣頭合成氨企業(yè)生存的根本出路。青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)青海鹽湖化工公司)年產(chǎn)300 kt合成氨裝置于2014年4月建成投產(chǎn)，以天然氣裂解制乙炔的副產(chǎn)尾氣為原料，經(jīng)壓縮、脫硫、一氧化碳變換、甲基二乙醇胺(MDEA)脫碳、甲烷化、合成等工序制得產(chǎn)品液氨，屬氣頭合成氨裝置。為了解決冬季因原料氣不足影響裝置生產(chǎn)的問(wèn)題，引入煤化工產(chǎn)業(yè)鏈的甲醇合成氣作為合成氨生產(chǎn)的原料氣供應(yīng)，并對(duì)合成氨裝置實(shí)施局部技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

1 乙炔尾氣的工藝參數(shù)及合成氨生產(chǎn)工藝

1.1 乙炔尾氣工藝參數(shù)

乙炔尾氣規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 乙炔尾氣氣體規(guī)格

1.2 以乙炔尾氣為原料的合成氨生產(chǎn)工藝流程

來(lái)自天然氣裂解制乙炔裝置的副產(chǎn)尾氣經(jīng)原料氣壓縮機(jī)壓縮至3.65 MPa(絕壓)后，送往脫硫槽脫除微量硫化氫至質(zhì)量分?jǐn)?shù)1×10-7以下，原料氣溫度控制在138 ℃；原料氣進(jìn)入一、二段加氫轉(zhuǎn)化器，將其中的不飽和烴轉(zhuǎn)化為飽和烴；原料氣經(jīng)加熱爐加熱、配工藝蒸汽送入變換工序進(jìn)行一氧化碳變換，變換采用中串低工藝，中變和低變間設(shè)置廢熱回收設(shè)備；變換氣采用MDEA脫碳技術(shù)將其中的二氧化碳吸收和解析，實(shí)現(xiàn)工藝氣的凈化和回收生產(chǎn)尿素所需的二氧化碳的目的；脫除二氧化碳后的工藝凈化氣進(jìn)入變壓吸附工序制得高純氫氣[φ(H2)≥99.7%]，高純氫氣與來(lái)自空分工序的高純氮?dú)獍大w積比3∶1制得合成氣進(jìn)入甲烷化工序脫除微量碳氧化物；凈化后的合成氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓，送往氨合成塔制得產(chǎn)品氨。以乙炔尾氣為原料的合成氨生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1。

2 合成氨氣源替換及新氣源工藝參數(shù)

青海鹽湖化工公司所在的化工園區(qū)除設(shè)計(jì)了天然氣產(chǎn)業(yè)鏈外，還設(shè)計(jì)了以煤為原料的1 000 kt/a甲醇裝置。考慮到冬季天然氣供應(yīng)受限以及甲醇下游產(chǎn)品市場(chǎng)的需求，從甲醇裝置的低溫甲醇洗工序出口引一股合成氣作為合成氨生產(chǎn)的原料氣，既解決了合成氨裝置因天然氣供應(yīng)不足帶來(lái)的經(jīng)營(yíng)困境，又提高了甲醇裝置的生產(chǎn)彈性。甲醇合成氣工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 以乙炔尾氣為原料的合成氨生產(chǎn)工藝流程

表2 甲醇合成氣工藝參數(shù)

3 原料氣源變化后合成氨裝置的工藝優(yōu)化

3.1 接入口的選擇

從表2可以看出，甲醇合成氣溫度較低而壓力太高。為了滿(mǎn)足合成氨生產(chǎn)的要求，并充分考慮利用裝置原有設(shè)備，降低設(shè)備投資，甲醇合成氣溫度需從40 ℃升至138 ℃，壓力需從4.6 MPa降至3.6 MPa,在ZnO脫硫槽出口接入系統(tǒng)。由于原有的原料氣預(yù)熱器(一段加氫轉(zhuǎn)化器前蒸汽加熱器)熱負(fù)荷不能滿(mǎn)足需求，需新增1臺(tái)蒸汽預(yù)熱器對(duì)甲醇合成氣進(jìn)行預(yù)熱。新增蒸汽預(yù)熱器安裝在甲醇合成氣進(jìn)系統(tǒng)前，利用原有預(yù)熱器對(duì)甲醇合成氣進(jìn)行再次加熱達(dá)到以乙炔尾氣為原料的工藝指標(biāo)后送后工序，利用原有流程進(jìn)行合成氨的生產(chǎn)。

3.2 脫碳高壓閃蒸氣的回收改造

在以乙炔尾氣為原料的合成氨工藝中，脫碳工序高壓閃蒸氣設(shè)計(jì)送至原料氣分離器入口進(jìn)行回收。根據(jù)甲醇合成氣的組分和壓力，以甲醇合成氣為原料生產(chǎn)合成氨時(shí)，原料氣壓縮機(jī)和脫硫槽停運(yùn)，高壓閃蒸氣不能正常回收。為此，在原高壓閃蒸氣至原料氣分離器界區(qū)閥門(mén)之前增設(shè)副線，將高壓閃蒸氣引至乙炔尾氣界區(qū)閥之前，由上游裝置對(duì)高壓閃蒸氣進(jìn)行回收利用，避免能源浪費(fèi)。

3.3 變壓吸附工序優(yōu)化

在以乙炔尾氣為原料的合成氨工藝中，由于甲烷體積分?jǐn)?shù)為2.675%，原流程設(shè)計(jì)了變壓吸附制氫工序?qū)⒃蠚庵械募淄槊摮瑫r(shí)合成弛放氣也通過(guò)變壓吸附制氫工序進(jìn)行有效組分回收，出變壓吸附工序含甲烷體積分?jǐn)?shù)45%的解析氣用作加熱爐的燃料。甲醇合成氣替代乙炔尾氣后，由于甲醇合成氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)僅為0.3%，如變壓吸附工序不進(jìn)行改造，出變壓吸附工序的解析氣中甲烷含量很低、氫氣含量很高，這樣不但浪費(fèi)了大量的有效氣體氫氣，而且對(duì)加熱爐的燃燒系統(tǒng)形成了較大的安全隱患。為了使裝置更加節(jié)能并提高裝置的安全等級(jí)，經(jīng)反復(fù)論證，決定增加變壓吸附旁路管線，將凈化氣直接送至甲烷化工序，合成弛放氣仍然進(jìn)入變壓吸附工序進(jìn)行有效氣體回收。

通過(guò)以上技術(shù)改造后，以甲醇合成氣為原料的合成氨生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 以甲醇合成氣為原料的合成氨生產(chǎn)工藝流程

4 不同氣源條件下合成氨裝置運(yùn)行總結(jié)

4.1 以甲醇合成氣為原料的生產(chǎn)模式

以甲醇合成氣為原料生產(chǎn)時(shí)，因甲醇合成氣壓力高，需減壓至系統(tǒng)壓力方可進(jìn)行生產(chǎn)。在原料氣壓縮機(jī)和脫硫槽出口將盲板倒“盲”，脫碳凈化氣走變壓吸附工序副線，變壓吸附工序僅回收合成弛放氣中的氫氣，其余流程與原設(shè)計(jì)一致。2017年10月20日裝置首次以甲醇合成氣為原料進(jìn)行生產(chǎn)，連續(xù)運(yùn)行96 d后，因上游煤氣化裝置發(fā)生故障，合成氨裝置短暫停車(chē)后繼續(xù)生產(chǎn)。以甲醇合成氣為原料運(yùn)行期間，由于甲醇合成氣有效組分含量高，噸氨耗甲醇合成氣為2 086 m3(標(biāo)態(tài))，比以乙炔尾氣為原料的噸氨消耗降低234 m3(標(biāo)態(tài))；噸氨耗蒸汽3.6 t，比以乙炔尾氣為原料的降低1.5 t；變壓吸附工序的真空泵由兩開(kāi)一備變?yōu)橐婚_(kāi)兩備，原設(shè)計(jì)的原料氣壓縮機(jī)凝結(jié)水泵、油泵停運(yùn)，噸氨電耗也從140 kW·h降至117 kW·h，成本優(yōu)勢(shì)明顯。由于流程優(yōu)化，停運(yùn)原料氣壓縮機(jī)和脫硫槽，縮短了工藝流程，其維護(hù)費(fèi)用和操作人員的工作量也相應(yīng)減少，取得了較好的效果。

4.2 以甲醇合成氣-乙炔尾氣為原料的組合生產(chǎn)模式

因冬季天然氣供應(yīng)受限，青海鹽湖化工公司天然氣裂解制乙炔的尾氣量只能滿(mǎn)足年產(chǎn)180 kt合成氨裝置的生產(chǎn)所需。在年產(chǎn)180 kt合成氨裝置出現(xiàn)故障時(shí)，為了減少因尾氣放空帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，年產(chǎn)300 kt合成氨裝置在2018年11月6日開(kāi)始接收乙炔尾氣和甲醇合成氣進(jìn)行生產(chǎn)，退出的部分甲醇合成氣用于提高甲醇裝置的產(chǎn)量。由于甲醇合成氣壓力高，采用壓力調(diào)節(jié)閥PV01將進(jìn)合成氨裝置的甲醇合成氣壓力控制到與原料氣壓縮機(jī)出口的乙炔尾氣壓力相當(dāng)；由新增原料氣預(yù)熱器將甲醇合成氣溫度提高至138 ℃，以滿(mǎn)足脫硫槽出口氣體溫度的要求。經(jīng)過(guò)4個(gè)月的試驗(yàn)性生產(chǎn)，甲醇合成氣-乙炔尾氣為原料的組合式生產(chǎn)模式實(shí)現(xiàn)了合成氨裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。在天然氣裂解制乙炔裝置或煤氣化制甲醇裝置出現(xiàn)故障時(shí)，甲醇合成氣與乙炔尾氣互相補(bǔ)償氣量，合成氨裝置實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，操作彈性得到大幅提高。

合成氨生產(chǎn)裝置采用不同原料氣的生產(chǎn)運(yùn)行情況見(jiàn)表3。

表3 合成氨裝置采用不同原料氣的生產(chǎn)運(yùn)行情況

5 結(jié)語(yǔ)

合成氨裝置原設(shè)計(jì)工藝流程經(jīng)局部改造后，只需在線倒換8字盲板，即可實(shí)現(xiàn)以乙炔尾氣、甲醇合成氣、甲醇合成氣+乙炔尾氣為原料的3種運(yùn)行模式，極大地提高了裝置的彈性。用不同氣源可實(shí)現(xiàn)合成氨裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，化解了因天然氣供應(yīng)受限或煤、天然氣價(jià)格浮動(dòng)以及甲醇市場(chǎng)低迷時(shí)帶來(lái)的經(jīng)營(yíng)困境，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。