合成氨裝置節能措施
摘要：中石油寧夏石化公司一化合成氨裝置為我國20世紀80年代引進的四套大化肥裝置之一，隨著裝置操作技能的進步，節能意識的進步與原料價格的不斷上漲，裝置節能成為每年的關鍵課題之一，公司圍繞節能課題，進行了不懈的工作。
關鍵詞：節能；改造；原料結構；安全管理；尾氣回收
一化肥合成氨裝置原始設計為德士古渣油造氣制氨流程，包括造氣、工藝氣變換、工藝氣淨化、氨的合成與冷凍工號，隨著原料渣油價格的逐步上升，裝置的盈利空間越來越小，為了降低執行成本，2003年進行了原料氣更換，改為德士古天然氣造氣制氨流程，增加了兩臺天燃氣壓縮機及相應的冷換裝置，停運了原炭黑萃取系統，進行水迴圈系統節能改造，即將氣化裝置4112-Cl碳黑洗滌塔進行了上下塔體打通，取消二級文丘裡洗滌器，氣化爐出水部分送4113處理，一部分送4112-Cl進行內迴圈，將原4113-P5、4112-P5改為功率較小的泵。同時空分工號進行了技術改造，新增加了分子篩吸附系統，淨化空氣。將空氣中雜質的清除過程，由冷箱內可逆式切換自淨化空氣流程移至冷箱外，甲醇洗工藝同時也做了較大的改造，由原來的五塔流程改為六塔流程，緩減了天然氣流程CO2不足，甲醇洗工藝冷量不足的狀況，改造後，生產成本大幅降低，但尿素的產量減少，氨碳比不平衡，有一定的節能改造空間，隨著裝置的執行，陸續進行了後續改造。2005年增加了一套甲醇生產線（年產5萬噸甲醇），利用造氣單元富裕的工藝氣生產甲醇，實現甲醇消耗自給自足，解決了裝置夏季高負荷執行的瓶頸問題，2008年增加變壓吸附裝置，回收甲醇洗放空尾氣，增加了近2500m3/h的純CO2回收，徹底解決了氨碳比不平衡的問題，取得了十分可觀的經濟效益（增加了尿素產量）和環境效益（減少了CO2排放），使裝置能夠全年高負荷生產，2008年將變換催化劑由鈷－鉬系改成鐵-鉻系B-113催化劑，取消了CS2加硫裝置，節約了CS2的消耗。
1、通過工況優化節能
實現工況優化是另一項效果十分明顯的節能措施，氨的合成工藝相對於精細化工，屬於粗放控制，關鍵指標的控制範圍較寬，這為工況優化提供了較大的空間，精細操作粗放工藝，將會帶來可觀的節能效益，造氣工號的甲燒控制指標在0.5%到1.5%,精細操作，可以控制到0.8%左右，對千日產千噸氨的工藝來說，甲烷每減低0.1%,氨產量將增加1%,即每天增加10t氨，創造利潤3萬元，變換工號使用鐵系催化劑變換爐出口工藝氣CO控制指標小於3%,精細操作可以控制到1.5%,CO每減低0.1%,氨產量將增加1%,同樣每天增加10t氨，創造利潤3萬元，在同樣的氨合成生產強度下，降低人塔氨濃度可相對減少迴圈氣量，也就減少了迴圈氣的壓縮功耗，尤其在出塔氨濃度較低的時候，降低入塔氨濃度可以顯著降低迴圈氣量，如出塔氨濃度僅為10%時，若將人塔氨濃度4%降低到2%時，迴圈氣量將從14952m3/t氨下降到11214m3/t氨約減少25%,顯著節約壓縮功耗，入塔氨濃度降低是以增加冷凍功耗為代價，目號前我公司，冷凍功耗動力蒸汽較為富裕，可以為氨合成提供較多的冷量，入塔氨濃度控制指標為小於3%,精細操作可以控制到2%,將顯著節約高壓蒸汽消耗。目前由此可以看出，通過對關鍵指標的精細控制，能夠得到顯著的節能效益。
2通過持續的支術改造節能
2.1繼續優化原料氣結構，探求節能新工藝
隨著天然氣價格的不斷上漲，與越來越突出的供應緊張問題，公司繼續積極拓寬思路，尋求可能的替代原料，經過慎密調研，確定了使用焦爐氣替代天然氣的方案，通過與華油集團合作，開發周邊焦爐氣（寧夏周邊烏海焦爐氣數量可觀，放空消耗過大，可以回收190000m3/h),作為合成氨裝置造氣工號的原料氣，進一步替代天然氣，2012年10月焦爐氣專案初步具備投用條件，進行了初步的試車工作，造氣爐進5000m3/h焦爐氣試燒成功，合成氨綜合能耗明顯降低，經過工況分析，預計焦爐氣專案成功投用後，使用50000m3/h焦爐氣，合成氨綜合能耗將降低噸氨，從價格上也極具優勢，投用後將徹底改變天然氣緊張，冬季裝置逼迫停車維護的局面，可以說是又一次尋求替代原料的巨大成功。
2.2實現液氮洗工藝單元的尾氣回收
2010年公司通過與合同化能源公司合作，進行合成氨裝置液氮洗單元尾氣回收，此項改造是將液氮洗工藝單元作為鍋爐燃料氣含有效氣成分60%約7000m3/h的工藝尾氣加壓後再送到造氣單元參與氨的合成，2012年成功投用，改造後每天節約天然氣消耗29495元，每天多產氨在30噸，尿素產量增加70噸，相對於鍋爐燃燒產生了更大的經濟效益，尾氣中惰性氣氮氣也作為氨合成的原料氣得到有效利用，減少了CO2的放空消耗（原尾氣中CO送火炬、鍋爐燃燒放空），取得良好的環境效益。
2.3增加微米級超細過濾器，改善甲醇洗執行環境
合成氨裝置造氣單元天然氣流程改造後，甲醇洗單元的部分換熱器結構已不適應天然氣流程的高效執行，尤其是兩臺關鍵的換熱器(4115E10E9)表現最為突出，到2005年已出現無法有效執行的情況，逼迫進行性化學清洗，但執行週期不到半年，尤其不幸的是隨著化學清洗次數增加，換熱器接近報廢標準，逼迫進行更換，新的換熱器更換後仍然出現短期內堵塞情況，為此公司考察了許多相關單位同類裝置的執行情況（目前同類裝置純天然氣流程僅此一家），發現微米級濾網的應用很有潛力，2011年經過招標，採購了兩套微米級過濾裝置（一套5微米一套10微米），2012年2月成功投用，投用後過濾強度大幅增加，效果十分明顯，截止目前兩臺換熱器一直保持高效執行,未發現明顯的換熱效率下降趨勢，執行週期由不到半年，延長到超過一年（目前巳執行超過16個月），極大地保證了裝置的穩定執行,其投入帶來了來預期的效益回報。
2.4充分使用線上開孔技術，實現裝置連續穩定執行
裝置隱患的線上消除，尤其是高壓隱患，極具風險，多年來逼迫停車檢修的事例舉不勝數，近幾年公司積極與專業公司合作，引進線上開孔消漏，線上開孔加閥技術，取得了了巨大的成功，線上開孔消漏，就是在符合條件的隱患部位通過專業工具，開啟能夠有效控制的孔洞，將堵漏材料通過孔洞注入到洩漏部位，達到消除漏點的目的，最後從容關閉開孔部位，公司先後進行了變換工號鍋爐水高壓切斷閥填料洩漏消漏（不能線上更換，緊固無效），兩個合成塔高壓進料閥填料洩漏消漏工作，取得了完全成功，保證了裝置的連續執行。線上開孔就是利用專業工具，在正在執行的工藝管線上開孔，增加甩頭閥門，將工藝介質線上引出，合成氨裝置先後進行了四大透平機組主冷凝器迴圈冷卻水管線的線上開孔，氨冷凍大型換熱器迴圈水管線的線上開孔，使以上換熱器能夠實現線上反衝洗，線上化學清洗，線上提高換熱效率，尤其是2011年迴圈水技術改造後，系統執行不穩定，雜質多換熱器容易堵塞，嚴重的影響了裝置的穩定執行，公司通過線上開孔技術，穩定了裝置的連續高效執行。
2.5從液氮洗工號抽液氮為甲酵洗工號提供冷量
液氮洗工號冷箱板式換熱器進行更換後，冷箱冷量富裕，為了維持裝置正常執行，逼迫進行液氮洗滌塔塔底汙液氮排放，2010年經過與兄弟單位進行技術交流與技術分析，發現可以從冷箱抽出高純度液氮，從而實現將冷箱富裕冷量取出，減少排放損失，2011進行現場實際試驗，取得成功，隨機進行技術改造，通過甲醇洗工號氣體氮管線，將冷箱富裕冷量補充到冷量緊張的甲醇洗工號，實現操作單元優勢互補，節約氮氣排放，經測算其冷量會使175m3/h迴圈甲醇的溫降為0.68℃,冷量補充量對甲醇洗系統平均溫降幅度有限，雖不能做為增加裝置負荷的決定依據（若要依此增加負荷，還需再補充2倍以上的冷量），但做為一種穩定、優化工況的手段，其效果是非常好，更為有利的是，為甲醇洗工號提供了可觀的冷量蓄積（夜間），為甲醇洗工號過高溫期（白天）提供了十分有利的保障(2011年6月23日夜間補液氮投用8:00甲醇洗系統溫度降到-19.5℃,6月24日間補液氮未投用8:00甲醇洗工號系統溫度只降到-16.9℃)。
3、結語
隨著裝置的執行時間的增加，工藝裝置技術同時取得進步，操作經驗持續積累，為持續的裝置優化、技術改造提供了有力的基礎，在舊的工藝包適應新工藝、新流程的過程中，仍有許多改造、優化的空間，如：進一步使用煉廠幹氣作為造氣單元的原料；隨著天然氣管網的提壓，造氣單元可以使用更為節能的低消耗壓縮機；隨著催化劑技術的進步，使用更為高效、超前的催化劑，實現大幅節能；隨著自控技術的進一步升級改造，實現更為精細的工況優化；隨著管理理念的逐步昇華，實現裝置執行更加穩定；加大廢舊物資利用力度，實現裝置無低費用改造等，所有這些技術意向，都將隨著工藝環境與技術進步，逐步得到實現，正是這種持續不斷地優化、改造使舊工藝包持續不斷的煥發新生。