塔西南化肥廠合成氨裝置節能實踐探討

李進 （長江大學研究生院，湖北 荊州434023；中石油塔里木油田分公司塔西南化肥廠，新疆 澤普844804）

塔西南化肥廠合成氨裝置是2001年建成，采用美國凱洛格MEAP低能耗工藝，年產合成氨20×104t，以天然氣為原料和燃料；主要耗能設備有一段爐、二段爐、輔鍋、快鍋和空壓機（101－JT）等4大蒸汽機組，其中爐子耗能量占全廠總能量的45.27%以上，4大機組主要以12.0MPa和4.2MPa蒸汽為動力，通過做功一方面使工藝介質得到輸送，另一方面使能量得到傳遞和轉化。氨作為重要化工原料，其合成原料中的烴類在催化劑的作用下，通過特定設備和一系列的化學、物理變化最終轉化成氨［1］。在上述過程中，既有化學能、電能、機械能相互轉換，又涉及大量的熱能生成和利用，因此有必要進行節能改造。下面，筆者對塔西南化肥廠節能實踐進行了探討，以便為類似化工企業的節能改造提供參考。

1 合成氨裝置一段爐的節能措施

一段爐是塔西南化肥廠合成氨裝置中的典型結構，燃料在一段爐爐膛內燃燒后將產生4部分能量，對這4部分的能量進行分析，以確定可行的節能方向。

1）一段爐工藝介質獲得的化學能。原料氣在一段爐發生反應后，生成了部分新的物質，新的物質總體上比原料的化學能高，一部分燃燒的熱能轉化為新物質的化學能，這部分轉化為化學能的熱能是由新、舊物質之間的化學特性決定的，由于難以減少，因而無法實施節能措施。

2）一段爐工藝介質獲得的熱能。原料氣在一段爐發生反應后，整個工藝介質同原料氣相比，溫度從常溫提至780℃（或者更高），且獲得了大量的熱能，并進入溫度更高的二段爐。從能量守恒的層面上看，這部分因溫度升高獲得的熱能也不能（或沒有必要）減少，因為不在一段爐內獲得熱量，就必須在二段爐內獲得熱量，因而無法實施節能措施。

3）燃燒煙氣帶去對流段的熱能。該部分熱能主要用于7組對流盤管（工藝氣、空氣、過熱蒸汽、原料氣、鍋爐給水、燃料氣、燃燒空氣）的加熱，但除了給這7組盤管加熱，最終排放時所剩余的熱能很大，因而應優先考慮其回收問題。

4）一段爐外壁散失的熱能。對一段爐輻射段和對流段的前端進行溫度測量，局部有超過150℃，最高點有接近200℃，平均顯示在100℃左右（設計≤80℃）。如果將外壁溫度由100℃降到設計的80℃，將節省天然氣1000Nm3／d。從能量守恒的層面上看，散熱量比較可觀，其應該被列入回收范圍。

綜上所述，一段爐的節能方向主要是盡量減小煙氣排放攜帶的熱量和外壁的散熱量。

在實際操作中，可以通過固定生產負荷，在保證燃燒充分的情況下盡量降低燃燒空氣量；增加回收余熱的設備（換熱器）降低排煙溫度大幅減小煙氣攜帶熱量；通過對輻射段、對流段的襯里進行全部更換，且還需增加厚度；在外壁上增加水夾套進行熱量回收大幅減少一段爐外壁散熱量。

2 合成氨裝置燃料氣系統的節能措施

因為傳熱的推動力是溫差，當熱能從高溫物體自發的傳向低溫物體時，如果溫差越大，不可逆程度也越大，雖然傳熱的速度快，但能量品質降低的幅度大，由此導致能量損失增大［2－3］。塔西南化肥廠使用的燃料是天然氣，其主要成分是甲烷，冷態狀況下利用冷空氣作助燃劑，理論燃燒溫度可達到2030℃。為了避免傳熱溫差過大，以減小傳熱的不可逆程度，從而降低燃料氣消耗，在使用燃料氣時應遵循如下原則：盡量首先在高端裝置部位使用燃料氣；如果高端裝置部位的溫度已經達到工藝設計要求而低端裝置部位的溫度沒有達到工藝設計的要求，應首先考慮在低端裝置部位使用燃料氣。

合成氨裝置燃料氣系統點火工藝段結構圖如圖2所示。按照燃料氣使用原則，在實際生產采用如下能源分配方法：①向二段爐中配空氣（其實質是燃燒能源）；②使用一段爐頂部燒嘴，直到一段爐爐管和工藝氣溫度達到或盡量接近設計值；③使用煙道燒嘴，直到一段爐前兩組盤管的工藝介質溫度和煙道溫度達到或盡量接近設計值；④配合使用輔鍋和過熱器的燒嘴，在保證過熱器煙道和輔鍋煙道不超溫的情況下，盡量增加高壓蒸汽數量及溫度、壓力；⑤盡量減少快鍋的燃燒氣用量和產蒸汽量。

圖1 合成氨裝置燃料氣系統點火工藝段結構圖

3 實際應用效果

以2008年9月1日至2008年10月3日的生產實踐為例，在此期間實施步驟分為3個階段：第1階段（9月1日～9月11日），更換完一段爐管后操作規程為床層溫度776～778℃、二段爐溫度940～945℃。第2階段（9月12日～9月21日），一段爐床層的溫度不變，將二段爐空氣用量由29.2～29.5t／h調整到為30～30.4t／h，二段爐溫度上升到958～963℃，出口CH4含量由0.45%～0.50%下降到0.40%。第3階段（9月22日～10月3日），將一段爐床層的溫度由776～778℃提升至790℃，二段爐的空氣量和溫度控制與第2階段相同。措施實施結果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3中可以看出，按上述節能措施調整一、二段爐的工藝參數后，原料氣尿素單耗逐步下降，第3階段比第1階段平均降低了18.11Nm3／t尿素，按日產1048t尿素計算，將節約天然氣18979Nm3／d。同等負荷下，尿素產量平均增加至少10t／d，扣除成本費用后，一天將增加0.4萬元利潤，一年則增加120萬元的利潤。另外，由于增加了余熱回收和自產高壓蒸汽的數量，用水量由原來的65～67t／h增加到67～70t／h，降低了輔鍋和過熱器的負荷，使輔鍋和過熱器的運行始終處于安全狀態。

圖2 2008年9～10月份原料氣噸尿素變化趨勢圖

圖3 2008年9～10月份尿素日產變化趨勢圖

［1］ 沈俊，朱世勇，馮孝庭 .合成氨 ［M］.北京：化肥工業出版社，2001.

［2］ 于遵宏，朱炳辰，沈才大，等 .大型合成氨廠工藝過程分析 ［M］.北京：中國石化出版社，1993.

［3］ 沈維道，蔣智敏，童鈞耕，等 .工程熱力學 ［M］.北京：高等教育出版社，2005.