40萬t/a CO2汽提法尿素裝置節電技改措施研究應用

趙小芳

(河南晉開化工投資控股集團有限責任公司, 河南開封 475100)

河南晉開化工投資控股集團有限責任公司二分公司有3套40萬t/a CO2汽提法尿素裝置，主要利用往復式壓縮機加壓和往復式柱塞泵加壓提供原料輸送，單套設計產能為1 330 t/d，每套尿素裝置的主要用電設備為3臺往復式壓縮機、3臺往復式高壓氨泵、3臺往復式高壓甲銨泵、30臺離心泵、2臺循環水泵和8臺循環水風機。尿素裝置運行后發現噸尿素電耗較高。經分析對比發現壓縮機的設計余量較大，在滿負荷情況下仍存在余量，設計匹配上余量較大；循環水分攤電量較多。為了徹底解決噸尿素電耗較高的問題，在2017年對尿素裝置主要用電設備進行了多項技術改造，最終使噸尿素電耗大幅下降。

1 主要設備工藝流程

該尿素裝置采用國內改良型CO2汽提法工藝，其中小顆粒裝置2套，大顆粒裝置1套，每套生產能力均為40萬t/a。從凈化工段送來的CO2氣體，經往復式壓縮機壓縮在三段出口脫硫后，經五級壓縮并通過脫氫工藝后與從氨庫來的液氨經往復式高壓氨泵加壓后一起進入高壓合成系統反應生成尿素，往復式壓縮機、往復式高壓氨泵、往復式高壓甲銨泵均為2開1備。工藝流程方框圖見圖1[1]。

圖1 工藝流程方框圖

2 尿素裝置電耗高的原因分析

2.1 原料核心動設備設計不匹配

尿素裝置核心原料輸送動設備為壓縮機和高壓氨泵，該尿素裝置設計往復式壓縮機和往復式高壓氨泵均為2開1備，在裝置超產摸索期間，高壓氨泵滿流量運行情況下，往復式壓縮機的運行還有余量，提升流量的一回一閥門開還有開度，其余配套設備都能滿足超負荷15%運行，整個裝置達到115%長周期穩定運行。由于壓縮機屬于大功率耗電設備，占噸尿素電耗的60%，用電量直接關系到尿素成本，所以壓縮機余量是造成噸尿素電耗高的一個原因。

2.2 前工藝未完全利用

前系統凈化工藝采用低溫甲醇洗0.8 MPa富CO2甲醇，經過閥門減壓后在閃蒸塔上段閃蒸出CO2產品氣，該CO2產品氣經過2組繞管換熱器換熱到常溫后，送下游尿素車間。前期負荷低，為了多產CO2產品氣，將CO2產品氣外送，壓力控制在20 kPa左右；后期由于CO2產品氣富裕用戶少，CO2產品氣壓力升高為60 kPa，前系統提壓后壓縮機打氣量增大，為保證高壓所需的CO2氣量，壓縮機需要打開一回一流量閥來控制流量，造成壓縮機做功流量回流，電耗升高。因此前系統外送的CO2壓力未被壓縮機一段完全合理利用，使凈化工段送來的CO2氣體的壓力與壓縮機設計壓力不匹配，造成壓縮機回流做功，電耗升高。

2.3 壓縮機設計余量較大

該往復式壓縮機型號為6M40-235/157，設計參數見表1。

表1 往復式壓縮機設計參數

原設計壓縮機入口CO2氣體的溫度壓力與目前前系統實際送尿素裝置的CO2氣體的壓力溫度情況見表2。

從表2可以看出：原設計的CO2氣體壓力和溫度與目前實際的CO2氣體壓力和溫度差別較大，且原設計余量較大，造成壓縮機運行后余量較大(尿素合成系統已滿量)，往復式壓縮機調節流量的一回一閥門有開度，造成往復式壓縮機運行過程存在回流量，造成電量的浪費[2]。

表2 CO2氣體的壓力和溫度

2.4 循環水電量分攤較高

2.4.1 循環水風機

該尿素裝置共有6臺循環水體積流量為5 000 m3/h的涼水塔，循環水系統循環水體積流量分別為30 000 m3/h和15 000 m3/h，采用電動機帶動風機對循環水進行強制機械抽風，采用方形逆流式的鋼筋混凝土框架結構冷卻塔，冷卻塔型號為NL-II-5000m3/h，單塔循環水體積流量為5 000 m3/h，風機尺寸為Φ9 750 mm，風量(體積流量)不小于300×104m3/h。設施管道布置流程平面圖見圖2。供水、回水壓力分別為0.5 MPa、0.25 MPa，回水水溫為42 ℃,供水水溫≤32 ℃,風機由電動機驅動，傳動器為碳纖維軸，電動機功率為200 kW(10 kV接線)，實際效率約85%，風機負荷受水量及溫度影響，分攤電量較高。

圖2 設施管道布置流程平面簡圖

2.4.2 循環水水泵電動機

該尿素裝置與硝銨裝置共用1個循環水系統，尿素裝置設計用循環水體積流量1.5萬m3/h，硝銨裝置設計用循環水體積流量5 000 m3/h，因此設計采用2臺1.2萬m3/h的循環水泵運行。原設計為尿素裝置和硝銨裝置全部滿負荷運行，由于在硝銨市場和產品結構調整情況下不能都達到滿負荷運行，所以造成2臺循環水大泵運行余量大、分攤電量多，使噸尿素電耗升高[3]。

3 改造措施

3.1 摸索前工藝提高CO2壓力

分階段逐步提高了CO2產品氣壓力到80 kPa左右。在提壓過程中主要評估了CO2產品氣解吸減少后導致冷量減少對原料氣降溫的影響，另外評估了尾氣量增加后，尾氣冷量的回收情況，最后將壓力提高到80 kPa。

3.2 往復式壓縮機一段缸改造

對一段缸進行改造(與一段缸配套的附屬設備不變)，后面的二、三、四、五段的所有設備不變，也不影響運行，滿負荷運行時一回一流量閥全部關閉，使壓縮機的一段出口壓力達到0.22 MPa，一回一流量閥不再留余量(不滿負荷時調節一回一流量閥不影響壓縮機運行)，達到節電的目的[4]。

改造前后往復式壓縮機技術參數見表3。

表3 改造前后往復式壓縮機技術參數

往復式壓縮機改造后的各缸參數情況和工藝指標情況見表4和表5。

表4 進、排氣的壓力、溫度、氣缸直徑

表5 各列活塞力、軸功率

由表5可以看出，改造后往復式壓縮機的總軸功率為2 109 kW。

2017年8月3套尿素裝置所使用的8臺壓縮機一段缸全部改造完成，運行穩定，目前滿負荷運行。在同樣氣量的情況下,改造前往復式壓縮機的電流為180 A左右，改造后電流為140 A左右，根據電氣電量計量每臺往復式壓縮機每天約節電約1.6萬kW·h，3套每年約節電2 880萬kW·h，噸尿素電耗降低19.5 kW·h。

3.3 循環水泵改造

循環水系統新上1臺體積流量為6 000 m3/h的循環水小泵，在硝銨裝置負荷不滿的情況下，可以開循環水泵1大1小就可以滿足生產，降低了尿素的循環水分攤電量，改造后約降低噸尿素電耗3.5 kW·h。

3.4 循環水風機改造

隨著企業的不斷發展、水輪機技術的不斷升級，以及新型市場化節能機制的產生，利用自身能量增加水輪機代替用電風機，達到節電目的。改造要有足夠的循環水量及壓頭以保證水輪機動力源，且循環水水泵電流在改造前后不能發生變化，用水輪機替換原電動機來驅動風機。目前改造2臺，降低噸尿素電耗約2.5 kW·h，改造后的平面布置圖見圖3。

4 結語

通過以上改造，噸尿素電耗總體降低了25.5 kW·h，夏季噸尿素電耗降低至130 kW·h左右，冬季高產情況下噸尿素電耗降低至120 kW·h以內,效果非常理想。