國產大型化肥裝置新工藝應用及節能降耗實踐

楊學智（中國石油寧夏石化公司）

寧夏石化公司國產大型化肥裝置是中國石油在國內首套采用自主技術建設的工業化生產裝置，工藝技術全部實現國產化，各項工藝技術指標均達到了國際先進水平，擁有自主知識產權，設計年產合成氨45×104t、尿素80×104t。其中合成氨采用蒸汽轉化工藝技術，尿素采用CO2汽提工藝技術。天然氣壓縮機、空氣壓縮機、氨壓機、合成氣壓縮機、CO2壓縮機等五臺機組全部由國內廠家制造，機組全部采用12.0 MPa和5.0 MPa過熱蒸汽作為動力源。主要設備國產化率達到95%以上，總體工藝流程和設備結構進行了集成、優化和創新，具有能耗低、操作簡單、安全等特點。是具有國際先進水平的大型氮肥裝置。近年來，通過工藝管理和員工培訓、工藝優化等手段，減少了非計劃停車次數，通過優化一段爐運行、降低水碳比、投用煉廠干氣等措施，保持工況優化運行，保證裝置安全穩定長周期運行，確保了裝置綜合能耗維持最低，氨產量尿素產量達到了較高的水平。

1 裝置特點

1.1 合成氨裝置特點

合成氨裝置以天然氣為原料，轉化部分采用一、二段蒸汽轉化工藝，變換部分采用高溫變換和低溫變換工藝，脫碳采用MDEA脫碳技術，氨合成部分采用三床軸徑向復合床間接換熱式合成塔，氨合成壓力15.5 MPa，冷凍系統為兩級氨冷，并設有5 000 m3氨儲罐和氫回收裝置。

1.2 尿素裝置特點

80×104t/a尿素生產裝置，依托CO2汽提工藝技術，采用了尿素高效浸沒式冷凝，三級真空濃縮新方法。尿素生產工藝主要包括：CO2壓縮和脫氫、液氨升壓、高壓合成與汽提回收、低壓分解回收與真空預濃縮、蒸發與造粒、工藝冷凝液處理等工序。

1.3 裝置中技術特點

1）工藝國產化。45×104t合成氨、80×104t尿素裝置中技術創新工藝國產化。寧夏石化45/80×104t項目作為成果轉化平臺，是中國石油第一套自主開發的大氮肥成套工藝技術建設的具有國際先進水平的大型化肥裝置，也是國產化的DCS分析技術建立的合成氨、尿素裝置三組模型，進行工藝管線和設備布局的整體優化，總體工藝流程和設備結構進行了集成、優化和創新，合成氨綜合能耗等主要技術指標達到了國際先進水平，并獲得了自主知識產權數十項。

2）設備國產化。在裝置建設中，集成國內行業領先的設備制造商，采取自主設計，國內制造的方式，先后完成了一段轉化爐、氨合成塔內件、尿素高壓設備、尿素高壓氨泵、合成氣壓縮機、工藝空氣壓縮機、氨氣壓縮機、天然氣壓縮機、CO2壓縮機等多項重大設備的專項研究。關鍵設備國產化率達到95%以上，投資成本僅為國外的80%。不僅為國家節約了大量的外匯投資，更在設備自主研發制造上取得了新的突破。

3）控制系統國產化。寧夏石化公司三化肥裝置全流程使用了國內最新推出的MACS-K大型分布式控制系統，該系統采用了全冗余，多重隔離等可靠技術，吸收了安全系統的設計理念。改進、完善、組態軟件的友好性和易用性，降低了入門難度，提高了用戶組態的效率，提升了用戶的體驗感。

2 技術創新及應用

2.1 技術創新

在合成氨裝置中采用較高的轉化壓力。雖然低壓有利于轉化反應的進行，但提高壓力可以節省壓縮功、減少設備投資、有利于工藝余熱的利用[1-3]。該裝置一段轉化出口壓力設計為4.05 MPa。

另外裝置中還采用比較溫和的一段轉化方案。考慮國內制造廠的制造水平，為了使一段轉化爐爐管的操作條件不太苛刻，該工藝在二段轉化爐加入了20%的過量空氣，使一部分一段轉化爐的負荷轉移到二段轉化爐中。一段轉化出口溫度為803℃，CH4殘留量為14.23 mol%（干基）。延長了一段轉化爐管的使用壽命。

同時綜合考慮一段轉化爐對流段能量的回收利用，提高原料氣預熱溫度，將一段轉化爐的混合進料和工藝空氣預熱到盡可能高的溫度，分別為560℃和500℃。增加一段爐對流段各組能量回收盤管之間的溫度調節措施，設計充分考慮了一段轉化爐對流段的能量回收利用和盤管材料的選擇，有效保證了裝置安、穩、長、滿、優運行。

2.2 技術應用

1）合成塔的應用：1 500 t/d“三床軸徑向復合床間接換熱式高效節能型氨合成塔為立式反應器，有高壓外殼和內件兩部分構成。典型操作壓力為11～15 MPa，合成氣進氣溫度一般在185～230℃，具有較高的氨凈值，塔出口氨濃度可達到18.88%。

氨合成塔內部有三個催化劑床層，均裝有鐵系催化劑。一層裝催化劑15.5 m3、二層裝催化劑29.2 m3、三層裝催化劑48.2 m3。合成氣在第一床層為軸向流動，汽提分布均勻，并可減少有害物質對催化劑的影響，能充分有效利用催化劑。由于第二層和第三層催化劑裝填量大，為減少氣體阻力，所以采取了軸徑向流動，全塔阻力壓降小，循環壓縮機功耗低。合成塔內部設有兩臺換熱器，通過間接換熱控制第二、三床的床層入口溫度，合成塔的氨凈值高。合成氣出第三催化劑床層后不經過就出合成塔，可副產高壓飽和蒸汽或中壓過熱蒸汽，提高了高溫熱能的利用率。

合成塔高壓外殼屬高溫、高壓設備，內部工藝氣氫含量高，合成塔采用多層包扎與大型鍛件相結合的制造工藝，即筒體采用耐高溫、抗氫腐蝕的鉻鉬鋼內筒，外包扎多層高強度鋼板，上下球形封頭與筒節間采用大型鍛件連接。大蓋密封采用可拆的雙錐密封結構，便于操作、檢修。采用寰球氨合成塔自主技術優化氨合成塔結構。氨合成塔采用寰球專利技術三床軸徑向復合床間接換熱式高效節能型氨合成塔。降低了專利費及基礎設計費，并降低了設備制造成本，可實現設備制造自主化。該合成塔的優點是：

一是生產能力大、全塔壓降小、采用內部換熱氨凈值高、可副產高壓飽和蒸汽。

二是優化了合成氣壓縮機配置。壓縮機的壓縮段和循環段串聯配置在一起，出循環機的壓力就是入塔壓力，因此合成塔置于整個合成回路的最高壓力點上，有利于提高氨凈值及降低壓縮功耗。

三是優化了氨合成回路。氨合成回路余熱回收采用合成氣在塔內反應結束后不經換熱，直接出塔進入廢熱鍋爐和鍋爐給水預熱器，副產12.5 MPa、328℃的飽和蒸汽。經一段轉化爐對流段盤管過熱后，可用于驅動蒸汽透平，提高余熱回收利用等級。同時優化氨冷凍分離溫度等級，綜合平衡氨壓縮機和合成氣壓縮機之間的壓縮功，選擇適宜的合成壓力優化氨合成回路。

2）其它新技術的應用：在裝置的建設中大量使用同類裝置相似的新技術，一段爐采用國產HP50薄壁管，新型低NOx爐頂燒嘴；二段爐采用20%過量空氣，降低了一段爐負荷，增加了熱量利用。二段爐使用新型空氣混合器，天然氣壓縮機、空氣壓縮機、CO2壓縮機、合成氣壓縮機、氨氣壓縮機全部采用干氣密封形式，簡化了壓縮機操作，避免了介質污染隱患；一段爐引風電動機采用變頻技術，有利于爐膛負壓控制，確保一段爐穩定操作[4-5]。

3 應用效果

寧夏石化45/80項目通過采用新技術、新設備、新工藝和新材料的集中應用，優化了工藝流程，綜合利用了工藝過程產生的余熱，合理優化了整個裝置蒸汽平衡和蒸汽管網等級，大型轉動設備采用高效機組，提高了能量利用效率，達到了噸氨能耗較先進的水平。尿素裝置的能耗水平也控制較低水平。合成氨裝置能耗水平見表1，尿素裝置消耗水平見表2。

表1 合成氨裝置能耗水平Tab.1 Energy consumption level of ammonia device

表2 尿素裝置消耗水平Tab.2 Energy consumption level of urea device

4 存在問題及優化措施

2021年裝置能耗見表3，從2021年3月16日開車至11月13日停車，裝置負荷一直維持在100%以上運行，合成、尿素兩套裝置運行穩定，開工鍋爐穩定運行，均超出設計能力，完全滿足生產需要。

表3 2021年裝置能耗Tab.3 Energy consumption of device in 2021

4.1 存在問題

從表3可以看出影響能耗高的原因主要是天然氣、蒸汽、脫鹽水、電耗等超過了設計值。

按照以上物料消耗的分析，裝置存在以下問題：

1）天然氣消耗高于設計值，主要原因是非計劃開停車所造成的，一段轉化爐燃燒空氣過剩系數偏高，一段轉化爐熱效率低，天然氣消耗增大。另外系統壓力偏低、轉化爐水碳比控制較高，反應余熱利用不夠，廢鍋汽包產氣量低，也是天然氣消耗增加的因素。

2）蒸汽消耗過高，由于CO2壓縮機低壓缸問題，防喘振系統不穩定，防喘振閥始終有開度，造成壓縮機的運行效果差，使CO2壓縮機的用汽量及尿素裝置的用汽量都有所增加。

3）脫鹽水消耗較高，主要是合成和尿素裝置冷凝液回收系統，冷凝液電導超標，加至蒸汽管網的優化不好，中壓蒸汽、低壓蒸汽放空較多，導致蒸汽冷凝液回收進不到脫鹽水系統。

4）裝置電耗高，主要是合成和鍋爐部分用蒸汽透平帶動的機泵，透平運行不穩，一直采用電動機帶動運行，增加了電耗。

4.2 優化措施

1）優化蒸汽管網，降低裝置蒸汽消耗。在裝置運行上進行關閉蒸汽管網的所有放空閥門，根據蒸汽管網的運行情況，在確保蒸汽管網壓力穩定的條件下，利用開工鍋爐負荷進行微調平衡管網，逐漸關閉各壓力等級蒸汽管網的放空閥門。利用蒸汽管網高壓蒸汽到中壓蒸汽減壓閥合成氣壓縮機，調整高壓蒸汽管網壓力，確保高壓蒸汽放空閥門處于關閉狀態。根據低壓管網運行情況，利用低壓管網減壓閥調整低壓管網壓力，使低壓蒸汽放空閥門關閉。利用次中壓管網減壓閥門調整次中壓管網壓力，確保次中壓管網放空閥門關閉。確保中壓蒸汽用戶用汽量穩定、高壓蒸汽壓力穩定的情況下，進行開工鍋爐負荷的微調，再利用加壓閥調整，關閉中壓蒸汽放空閥[6-7]。

2）優化一、二段轉化爐運行，降低噸氨天然氣消耗。天然氣消耗是合成氨生產消耗主要指標，一段轉化爐的天然氣燃料消耗占合成氨能耗的70%。優化調整轉化工況，降低噸氨天然氣消耗在降成本裝置安全運行等方面起著舉足輕重的作用。提高裝置系統壓力，提高工藝余熱的利用，天然氣蒸汽轉化反應是一個體積增大、吸熱反應，低壓有利于轉化反應的進行，但提高壓力有利于工藝余熱的利用。2022年制約生產的瓶頸設備更新改造后，為裝置系統壓力的提高創造了有利的條件，利用提高合成氣壓縮機入口壓力的方式來提高轉化壓力，同時分別提高原料氣壓縮機、空氣壓縮機的轉速來提高出口壓力穩定裝置負荷，提高轉化工段汽包產汽量，降低開工鍋爐運行負荷，達到降低天然氣消耗的目的。轉化爐水碳比的高低也影響著燃料天然氣的消耗，優化水碳比的調整，降低天然氣消耗，根據轉化工況的運行情況制定水碳比優化調整統籌，逐漸將水碳比從3.5調整到3.1，降低一段爐燒嘴燃料天然氣量消耗[8-10]。

合成裝置二段爐是大型化肥裝置利用反應余熱的關鍵設備，作用就是空氣和工藝氣中的氫氣進行燃燒反應，產生的熱量工二段轉化爐進行CH4蒸汽轉化反應，在二段轉化爐加入過量空氣，利用空氣來提高觸媒床層溫度，使二段爐出口CH4小于0.55%。通過控制一段爐出口溫度在770～785℃，出口CH4大于10%，降低一段爐熱負荷，將一部分一段轉化爐的負荷轉移到二段轉化爐中，降低噸氨天然氣燃料消耗，實現一段轉化爐的溫和操作。

在生產運行中，當合成系統內的氮氣超標時，合成系統循環氣量增大，崗位人員就通過氫回收膜系統的旁路閥門增加弛放一部分弛放氣到一段轉化爐燃料氣系統，調整合成回路的氫氮比，使合成系統的反應達到最佳狀態，這樣氫回收放出的弛放氣可以替代燃料天然氣，也是降低天然氣消耗措施。

3）優化壓縮機運行，降低蒸汽消耗。CO2壓縮機是抽汽凝汽式壓縮機，可以通過增加抽汽和減少冷凝液的用量來調整壓縮機的功耗，工況好的情況下，增加抽汽，減少冷凝，有利于節能。同時壓縮機制造廠商，積極對壓縮機低壓缸裝置進行節能型轉子的更換，解決了低壓缸能力不匹配的問題。重新進行了壓縮機防喘振曲線的標定，運行參數優化，其運行性能曲線處在合理狀態。對壓縮機低壓缸入口管線進行了柔性支撐，防止了產生共振造成防喘振系統不穩定，機組防喘振閥門關閉，使得壓縮機的運行最經濟。CO2壓縮機的用汽量及尿素裝置的用汽量降低，達到節能降耗的目的。

4）優化啟停泵，減少節電。在優化蒸汽管網后，利用部分中壓蒸汽，積極將鍋爐給水泵蒸汽透平泵開起來，停止電泵為備用，另外將一段爐引風機、冷氨泵等大型電動機改為變頻控制，既增加了運行的控制穩定，也節省了裝置用電。

5）有效操作和回收，降低脫鹽水消耗。降低脫鹽水消耗，主要是在加強工藝冷凝液、蒸汽冷凝液電導指標的監控，對合成工藝冷凝液汽提塔的穩定操作，對汽提蒸汽的流量進行了要求，使汽提塔工藝冷凝液中的氨和醇類雜物充分汽提掉，是工藝冷凝液電導指標達到脫鹽水的要求，可以回收利用。

另外加強中壓蒸汽、低壓蒸汽冷凝液的回收，利用部分閑置設備完善原有的蒸汽冷凝液回收系統，通過有效冷凝分離，將現場大量的蒸汽冷凝液回收，效果比較好，通過這些措施基本解決了脫鹽水消耗高的問題。

5 結論

通過各種節能措施，國產大型化肥裝置的綜合能耗水平，部分指標達到了設計指標，部分指標逐漸向設計指標靠近。

國產大型化肥裝置是中國石油寰球工程公司，按照國際先進水平設計的化肥裝置，實現低成本，高負荷連續生產。通過裝置的技術改造和對工況的指標的優化，加強設備的維護，班組員工的基礎管理等措施，減少了非計劃停車。2022年寧夏石化公司國產大型化肥裝置綜合能耗，比上年有較大幅度的降低，提高了能源利用率，實現裝置安全、可靠、平穩運行。