合成氨装置节能措施
摘要：中石油宁夏石化公司一化合成氨装置为我国20世纪80年代引进的四套大化肥装置之一，随着装置操作技能的进步，节能意识的进步与原料价格的不断上涨，装置节能成为每年的关键课题之一，公司围绕节能课题，进行了不懈的工作。
关键词：节能；改造；原料结构；安全管理；尾气回收
一化肥合成氨装置原始设计为德士古渣油造气制氨流程，包括造气、工艺气变换、工艺气净化、氨的合成与冷冻工号，随着原料渣油价格的逐步上升，装置的盈利空间越来越小，为了降低运行成本，2003年进行了原料气更换，改为德士古天然气造气制氨流程，增加了两台天燃气压缩机及相应的冷换设备，停运了原炭黑萃取系统，进行水循环系统节能改造，即将气化装置4112-Cl碳黑洗涤塔进行了上下塔体打通，取消二级文丘里洗涤器，气化炉出水部分送4113处理，一部分送4112-Cl进行内循环，将原4113-P5、4112-P5改为功率较小的泵。同时空分工号进行了技术改造，新增加了分子筛吸附系统，净化空气。将空气中杂质的清除过程，由冷箱内可逆式切换自净化空气流程移至冷箱外，甲醇洗工艺同时也做了较大的改造，由原来的五塔流程改为六塔流程，缓减了天然气流程CO2不足，甲醇洗工艺冷量不足的状况，改造后，生产成本大幅降低，但尿素的产量减少，氨碳比不平衡，有一定的节能改造空间，随着装置的运行，陆续进行了后续改造。2005年增加了一套甲醇生产线（年产5万吨甲醇），利用造气单元富裕的工艺气生产甲醇，实现甲醇消耗自给自足，解决了装置夏季高负荷运行的瓶颈问题，2008年增加变压吸附装置，回收甲醇洗放空尾气，增加了近2500m3/h的纯CO2回收，彻底解决了氨碳比不平衡的问题，取得了十分可观的经济效益（增加了尿素产量）和环境效益（减少了CO2排放），使装置能够全年高负荷生产，2008年将变换催化剂由钴－钼系改成铁-铬系B-113催化剂，取消了CS2加硫装置，节约了CS2的消耗。
1、通过工况优化节能
实现工况优化是另一项效果十分明显的节能措施，氨的合成工艺相对于精细化工，属于粗放控制，关键指标的控制范围较宽，这为工况优化提供了较大的空间，精细操作粗放工艺，将会带来可观的节能效益，造气工号的甲烧控制指标在0.5%到1.5%,精细操作，可以控制到0.8%左右，对千日产千吨氨的工艺来说，甲烷每减低0.1%,氨产量将增加1%,即每天增加10t氨，创造利润3万元，变换工号使用铁系催化剂变换炉出口工艺气CO控制指标小于3%,精细操作可以控制到1.5%,CO每减低0.1%,氨产量将增加1%,同样每天增加10t氨，创造利润3万元，在同样的氨合成生产强度下，降低人塔氨浓度可相对减少循环气量，也就减少了循环气的压缩功耗，尤其在出塔氨浓度较低的时候，降低入塔氨浓度可以显著降低循环气量，如出塔氨浓度仅为10%时，若将人塔氨浓度4%降低到2%时，循环气量将从14952m3/t氨下降到11214m3/t氨约减少25%,显著节约压缩功耗，入塔氨浓度降低是以增加冷冻功耗为代价，目号前我公司，冷冻功耗动力蒸汽较为富裕，可以为氨合成提供较多的冷量，入塔氨浓度控制指标为小于3%,精细操作可以控制到2%,将显著节约高压蒸汽消耗。目前由此可以看出，通过对关键指标的精细控制，能够得到显著的节能效益。
2通过持续的支术改造节能
2.1继续优化原料气结构，探求节能新工艺
随着天然气价格的不断上涨，与越来越突出的供应紧张问题，公司继续积极拓宽思路，寻求可能的替代原料，经过慎密调研，确定了使用焦炉气替代天然气的方案，通过与华油集团合作，开发周边焦炉气（宁夏周边乌海焦炉气数量可观，放空消耗过大，可以回收190000m3/h),作为合成氨装置造气工号的原料气，进一步替代天然气，2012年10月焦炉气项目初步具备投用条件，进行了初步的试车工作，造气炉进5000m3/h焦炉气试烧成功，合成氨综合能耗明显降低，经过工况分析，预计焦炉气项目成功投用后，使用50000m3/h焦炉气，合成氨综合能耗将降低吨氨，从价格上也极具优势，投用后将彻底改变天然气紧张，冬季装置逼迫停车维护的局面，可以说是又一次寻求替代原料的巨大成功。
2.2实现液氮洗工艺单元的尾气回收
2010年公司通过与合同化能源公司合作，进行合成氨装置液氮洗单元尾气回收，此项改造是将液氮洗工艺单元作为锅炉燃料气含有效气成分60%约7000m3/h的工艺尾气加压后再送到造气单元参与氨的合成，2012年成功投用，改造后每天节约天然气消耗29495元，每天多产氨在30吨，尿素产量增加70吨，相对于锅炉燃烧产生了更大的经济效益，尾气中惰性气氮气也作为氨合成的原料气得到有效利用，减少了CO2的放空消耗（原尾气中CO送火炬、锅炉燃烧放空），取得良好的环境效益。
2.3增加微米级超细过滤器，改善甲醇洗运行环境
合成氨装置造气单元天然气流程改造后，甲醇洗单元的部分换热器结构已不适应天然气流程的高效运行，尤其是两台关键的换热器(4115E10E9)表现最为突出，到2005年已出现无法有效运行的情况，逼迫进行性化学清洗，但运行周期不到半年，尤其不幸的是随着化学清洗次数增加，换热器接近报废标准，逼迫进行更换，新的换热器更换后仍然出现短期内堵塞情况，为此公司考察了许多相关单位同类装置的运行情况（目前同类装置纯天然气流程仅此一家），发现微米级滤网的应用很有潜力，2011年经过招标，采购了两套微米级过滤装置（一套5微米一套10微米），2012年2月成功投用，投用后过滤强度大幅增加，效果十分明显，截止目前两台换热器一直保持高效运行,未发现明显的换热效率下降趋势，运行周期由不到半年，延长到超过一年（目前巳运行超过16个月），极大地保证了装置的稳定运行,其投入带来了来预期的效益回报。
2.4充分使用在线开孔技术，实现装置连续稳定运行
装置隐患的在线消除，尤其是高压隐患，极具风险，多年来逼迫停车检修的事例举不胜数，近几年公司积极与专业公司合作，引进在线开孔消漏，在线开孔加阀技术，取得了了巨大的成功，在线开孔消漏，就是在符合条件的隐患部位通过专业工具，打开能够有效控制的孔洞，将堵漏材料通过孔洞注入到泄漏部位，达到消除漏点的目的，最后从容关闭开孔部位，公司先后进行了变换工号锅炉水高压切断阀填料泄漏消漏（不能在线更换，紧固无效），两个合成塔高压进料阀填料泄漏消漏工作，取得了完全成功，保证了装置的连续运行。在线开孔就是利用专业工具，在正在运行的工艺管线上开孔，增加甩头阀门，将工艺介质在线引出，合成氨装置先后进行了四大透平机组主冷凝器循环冷却水管线的在线开孔，氨冷冻大型换热器循环水管线的在线开孔，使以上换热器能够实现在线反冲洗，在线化学清洗，在线提高换热效率，尤其是2011年循环水技术改造后，系统运行不稳定，杂质多换热器容易堵塞，严重的影响了装置的稳定运行，公司通过在线开孔技术，稳定了装置的连续高效运行。
2.5从液氮洗工号抽液氮为甲酵洗工号提供冷量
液氮洗工号冷箱板式换热器进行更换后，冷箱冷量富裕，为了维持装置正常运行，逼迫进行液氮洗涤塔塔底污液氮排放，2010年经过与兄弟单位进行技术交流与技术分析，发现可以从冷箱抽出高纯度液氮，从而实现将冷箱富裕冷量取出，减少排放损失，2011进行现场实际试验，取得成功，随机进行技术改造，通过甲醇洗工号气体氮管线，将冷箱富裕冷量补充到冷量紧张的甲醇洗工号，实现操作单元优势互补，节约氮气排放，经测算其冷量会使175m3/h循环甲醇的温降为0.68℃,冷量补充量对甲醇洗系统平均温降幅度有限，虽不能做为增加装置负荷的决定依据（若要依此增加负荷，还需再补充2倍以上的冷量），但做为一种稳定、优化工况的手段，其效果是非常好，更为有利的是，为甲醇洗工号提供了可观的冷量蓄积（夜间），为甲醇洗工号过高温期（白天）提供了十分有利的保障(2011年6月23日夜间补液氮投用8:00甲醇洗系统温度降到-19.5℃,6月24日间补液氮未投用8:00甲醇洗工号系统温度只降到-16.9℃)。
3、结语
随着装置的运行时间的增加，工艺设备技术同时取得进步，操作经验持续积累，为持续的装置优化、技术改造提供了有力的基础，在旧的工艺包适应新工艺、新流程的过程中，仍有许多改造、优化的空间，如：进一步使用炼厂干气作为造气单元的原料；随着天然气管网的提压，造气单元可以使用更为节能的低消耗压缩机；随着催化剂技术的进步，使用更为高效、超前的催化剂，实现大幅节能；随着自控技术的进一步升级改造，实现更为精细的工况优化；随着管理理念的逐步升华，实现装置运行更加稳定；加大废旧物资利用力度，实现装置无低费用改造等，所有这些技术意向，都将随着工艺环境与技术进步，逐步得到实现，正是这种持续不断地优化、改造使旧工艺包持续不断的焕发新生。