合成氨尿素裝置減排CO2節(jié)能創(chuàng)新工藝發(fā)展前景

劉韶東 黃文 張強(qiáng)(北京藍(lán)圖工程設(shè)計(jì)有限公司，湖北 宜昌 430000)

0 引言

節(jié)能減排、綠色環(huán)保成為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)新方向。與此同時(shí)，資源稅與排碳稅征收也意味著節(jié)能減排在合成氨尿素生產(chǎn)領(lǐng)域的重要性。減排CO2稅和資源稅征收是社會(huì)環(huán)境發(fā)展的一項(xiàng)必然趨勢(shì)，而征收排碳稅對(duì)于節(jié)能減排這一目標(biāo)而言，不僅能夠提高環(huán)境質(zhì)量，還可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境。關(guān)于減排CO2節(jié)能工藝的創(chuàng)新，要在合成氨尿素裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，通過(guò)CO2減排創(chuàng)新節(jié)能與合成氨尿素工藝的結(jié)合，達(dá)到節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)的目的。

1 合成氨尿素裝置應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國(guó)氮肥年產(chǎn)量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，尤其是在環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的影響下，城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口逐漸增多，今后對(duì)于氮肥的需求量也必將會(huì)顯著提升。在節(jié)能減排降耗這一方面，工業(yè)領(lǐng)域在轉(zhuǎn)型升級(jí)的進(jìn)程中面臨新的要求，合成氣工業(yè)爐這一裝置的研發(fā)與推廣在節(jié)能減排方面獲得了顯著的成效，將純氧、富氧空氣經(jīng)過(guò)自熱轉(zhuǎn)化，便可以合成氨、甲醇與氨醇聯(lián)產(chǎn)合成氣[1]。與此同時(shí)，傳統(tǒng)裝置經(jīng)過(guò)改造與創(chuàng)新，研發(fā)出先進(jìn)工藝技術(shù)，在節(jié)氣增產(chǎn)、CO2減排方面可以獲得更為明顯的效果。關(guān)于減排創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，在合成氨尿素裝置中有非常直接的體現(xiàn)，針對(duì)原本技術(shù)展開(kāi)干燥處理，通過(guò)輕烴能源生產(chǎn)合成氨尿素，可以提高能源利用率，并且朝著零排放CO2這一目標(biāo)努力，盡可能的達(dá)到氨碳平衡，為我國(guó)氮肥工業(yè)發(fā)展提供動(dòng)力。

2 合成氨尿素裝置減排CO2節(jié)能工藝創(chuàng)新建議

合成氨尿素裝置運(yùn)行需要將天然氣轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)氨用合成氣，該工藝原理運(yùn)用二段換熱純氧自熱轉(zhuǎn)化技術(shù)，對(duì)比常規(guī)二段蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)，每噸氨消耗氧約為200m3，將其放置于二段爐中燃燒，需要用到CH455m3左右，節(jié)約得到的CH4可以作為外加熱蒸汽轉(zhuǎn)化爐運(yùn)轉(zhuǎn)所需燃料。這種換熱轉(zhuǎn)化工藝通過(guò)換熱轉(zhuǎn)化制氨的方式，從原本蒸汽轉(zhuǎn)化加熱，期間可以節(jié)約大量天然氣作為原料氣。獨(dú)立制氨換熱轉(zhuǎn)化熱平衡要在二段爐內(nèi)摻加富氧空氣，可以加強(qiáng)蒸汽轉(zhuǎn)化熱平衡性。在制氨過(guò)程中，還需要外加純氧將燃料天然氣換出[2]。當(dāng)二段爐溫度達(dá)到980℃時(shí)，二段爐出口轉(zhuǎn)化器作為一段蒸汽經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化成為加熱熱源，代替轉(zhuǎn)化所用到的外加熱天然氣。合成氨生產(chǎn)使用蒸汽通過(guò)藝廢熱副產(chǎn)蒸汽供給的方式，能夠有效節(jié)約燃料用天然氣。

3 合成氨尿素裝置減排CO2節(jié)能創(chuàng)新工藝發(fā)展方向

3.1 工藝設(shè)計(jì)

減排CO2節(jié)能創(chuàng)新工藝的生產(chǎn)能力，要結(jié)合合成氨尿素裝置進(jìn)行分析。該裝置每年合成氨安量高達(dá)10萬(wàn)噸，尿素產(chǎn)品一年合成將近20萬(wàn)噸。為了滿足減排CO2節(jié)能要求，在工藝創(chuàng)新方面需要優(yōu)化設(shè)置壓力參數(shù)，其中包括氨合成壓力、尿素合成壓力、轉(zhuǎn)化變換壓力。

3.2 創(chuàng)新節(jié)能設(shè)備與技術(shù)

合成氨尿素裝置底部位置的燒嘴為蒸汽轉(zhuǎn)化圓筒爐，與上煙道銜接，該圓筒爐熱效率大于90%，需要用到天然氣原料，通過(guò)冷凝液和熱水之間形成的飽和作用，可以生成蒸汽，對(duì)比傳統(tǒng)工藝可以獲得理想的節(jié)能效果。CO一次等溫變換可以將原本低變、中變集合，轉(zhuǎn)變成為一次變換，利用冷凝液將反應(yīng)熱轉(zhuǎn)移，使得天然氣有充足的蒸汽熱源，有效提高熱能低位利用率[3]。對(duì)于聯(lián)尿脫除這一環(huán)節(jié)，可以使用變換器CO2作為合成尿素氣體，既將尿液中的甲銨分解，尿素生產(chǎn)期間壓縮尿素生產(chǎn)原料內(nèi)部CO2，經(jīng)過(guò)脫除合成處理后，可以節(jié)省化學(xué)再生溶劑。與此同時(shí)，利用分子篩這一裝置，可以將合成器展開(kāi)脫水處理，氧化性微量毒物徹底清除，不需要用到冷凍分氨系統(tǒng)，對(duì)比原本回路20%的氣體可以直接展開(kāi)氨合成，降低入塔氣氨量，分氨也由此增加，冷凍功和壓縮功使用量減少。通過(guò)氨合成塔與微型顆粒催化劑可以提高反應(yīng)熱和氨凈值，對(duì)比傳統(tǒng)工藝噸氨節(jié)能效果更為顯著。創(chuàng)新節(jié)能設(shè)備與技術(shù)方面還可以用到對(duì)稱、平衡壓縮機(jī)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)壓縮機(jī)數(shù)量減少，相關(guān)設(shè)備運(yùn)行效率也得到提升。要想提高換熱設(shè)備的傳熱效率，建議采用翅片管型轉(zhuǎn)化換熱爐，不僅在造價(jià)方面有一定優(yōu)勢(shì)，還可以獲得理想的熱能利用率。

3.3 工藝單元結(jié)構(gòu)

三段換熱轉(zhuǎn)化在工藝單元結(jié)構(gòu)中是非常重要的環(huán)節(jié)，其中涉及到富氧自熱轉(zhuǎn)化、圓筒爐內(nèi)蒸汽轉(zhuǎn)化、換熱轉(zhuǎn)化的三個(gè)部分[4]。采用原料天然氣飽和塔首先將采集到的天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化處理，并且和冷凝液混合，便可以獲得蒸汽，這一工藝的作用是減少蒸汽消耗量。CO一次等溫變化分為合并低變與中變這兩個(gè)階段，今后在一次等溫變化中可以取消中變、熱回收、換熱設(shè)備，簡(jiǎn)化變換程序，提高熱能利用率回收率，將鐵鉻催化劑還原升溫的時(shí)間縮短，也可以規(guī)避因放硫操作失誤引發(fā)的銅基催化劑中毒現(xiàn)象。變換氣聯(lián)尿可以將高溫變換器作為合成尿素氣體，將尿液中的甲銨全部分解出來(lái)，尿液濃度得到提升，濃縮設(shè)備和處理流程更加精簡(jiǎn)。

3.4 工藝運(yùn)行過(guò)程

3.4.1 生產(chǎn)合成氣

在圓筒爐內(nèi)摻加天然氣，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化之后依次進(jìn)入到脫硫槽、汽提飽和塔，原本干燥原料氣被熱水噴淋之后會(huì)形成飽和，產(chǎn)生的蒸汽也會(huì)補(bǔ)入到其中，此時(shí)水碳比為3:1。隨之轉(zhuǎn)入至對(duì)流段，該階段主要負(fù)責(zé)加熱，劃分為三路之后轉(zhuǎn)入到二段爐、圓筒爐管和換熱轉(zhuǎn)化器當(dāng)中，在鎳催化劑的作用下分別產(chǎn)生換熱轉(zhuǎn)化。富氧空氣在這一階段進(jìn)行預(yù)熱，并且進(jìn)入至爐頂部位，在混合器內(nèi)均勻混合，爐上空間在燃燒作用下提升溫度，通過(guò)催化劑床完成轉(zhuǎn)化。二段爐轉(zhuǎn)化氣體出爐溫度在960～980℃之間.經(jīng)過(guò)換熱轉(zhuǎn)化之后進(jìn)入置換熱轉(zhuǎn)化器內(nèi)，借助廢鍋副產(chǎn)蒸汽溫度可以冷溫度冷卻到220～230℃左右，再放置一次等溫變換爐內(nèi)。

觸媒管發(fā)生變換反應(yīng)熱，此時(shí)工作人員可以利用熱水進(jìn)行荊楚處理，CO產(chǎn)生的放熱反應(yīng)受到低溫環(huán)境影響變換器CO含量，控制在0.4%左右，溫度則在200～220℃左右[5]。調(diào)整周圍壓力條件設(shè)置為5MPa，此時(shí)變換氣傳輸至變換氣聯(lián)尿汽提塔凈化二氧化碳，凈化之后會(huì)產(chǎn)生H2+N2氣，再返回至甲烷這一流程，發(fā)揮甲烷工序作用產(chǎn)生H2+N2氣，經(jīng)過(guò)壓縮之后再將H2+N2氣傳輸至氨合成系統(tǒng)內(nèi)部，隨后便可展開(kāi)聯(lián)尿作業(yè)。

3.4.2 聯(lián)尿

生產(chǎn)尿素可以產(chǎn)生變換氣，針對(duì)變換氣進(jìn)行汽提處理，合成氨內(nèi)部CO2將尿素與合成氨裝備連接，實(shí)現(xiàn)尿素生產(chǎn)一體化。對(duì)比傳統(tǒng)水溶液尿素裝置，這種一體化的合成氨尿素裝置可以降低CO2壓縮機(jī)運(yùn)行期間的消耗量，CO2再生熱能需求以及CO2去除裝置等，由于變換氣內(nèi)參加了H2+N2氣，所以尾氣處理系統(tǒng)更加安全。

進(jìn)行到聯(lián)尿生產(chǎn)環(huán)節(jié)，氣體合成塔內(nèi)部尿素熔融物將甲銨液中的NH3、CO2分解，經(jīng)過(guò)苗業(yè)減壓閃蒸和蒸發(fā)造粒兩個(gè)工序之后便可以得到尿素產(chǎn)品。利用汽提塔將變換氣吸收與冷卻，此時(shí)NH3和CO2轉(zhuǎn)換成甲銨液，輸送到尿素合成塔中，吸收塔利用H2+N2氣代替壓縮尿素CO2，并且將合成氨CO2去除，達(dá)到簡(jiǎn)化操作流程的效果。設(shè)定周圍壓力環(huán)境為5MPa，汽提變換器可以提高甲銨分解率、總氨蒸出率，與傳統(tǒng)的水溶液法對(duì)比這一操作更加簡(jiǎn)便。在聯(lián)尿這一工序中需要運(yùn)用到等壓加熱器，前期設(shè)定該裝置壓力條件設(shè)置為14MPa，加熱反應(yīng)物溫度設(shè)定在200～205℃之間。其中甲烷和氨分解工序完成后便轉(zhuǎn)回至合成塔產(chǎn)生反應(yīng)熱，合成塔中始終維持熱平衡狀態(tài)。汽提塔負(fù)荷、甲氨泵、二氧化碳吸收塔負(fù)荷有效減少，應(yīng)用蒸汽冷凝液需要搭配鼓泡列管臥式組合甲烷以及CO2吸收器，起到提升熱回收率和吸收效率的作用，聯(lián)尿工序運(yùn)用到的相關(guān)設(shè)備以及處理流程也更加簡(jiǎn)潔[6]。

3.4.3 合成氨尿素生產(chǎn)

現(xiàn)如今，合成氨尿素天然氣在減排CO2節(jié)能創(chuàng)新這一方面，相關(guān)技術(shù)在應(yīng)用期間流程逐漸縮短，需要用到的設(shè)備數(shù)量減少。尤其是催化劑，其中包含氨合成鐵觸媒、變換銅基觸媒和甲烷化鎳觸媒等。原本尿素生產(chǎn)技術(shù)通常劃分為兩個(gè)流程，首先合成氨作為中間產(chǎn)品由技術(shù)人員設(shè)置依然儲(chǔ)罐之后保存，隨后作為尿素生產(chǎn)原材料，進(jìn)入到生產(chǎn)階段務(wù)必要先將CO2消除再進(jìn)行加熱、生成、壓縮作業(yè)，轉(zhuǎn)換成為尿素原料區(qū)。天然氣投料到尿素生產(chǎn)結(jié)束，期間大約為10～20天左右。天然氣創(chuàng)新技術(shù)在合成氨尿素中應(yīng)用，蒸汽切換之后空氣溫度提高，將升溫之后的空氣作為載體可以省略氮開(kāi)工裝置，變換階段通過(guò)烘烤處理催化劑，氨合成環(huán)節(jié)則需要運(yùn)用預(yù)還原催化劑，無(wú)論是變換還是轉(zhuǎn)化期間均為蒸汽切換與空氣升溫，將原料天然氣倒入還原隨之形成轉(zhuǎn)化氣，可以在H2還原器配置中運(yùn)用。變換和轉(zhuǎn)化升溫還原處理一般會(huì)耗時(shí)3天左右，甲烷化合聯(lián)尿脫碳時(shí)間需要花費(fèi)24小時(shí)，氨合成催化劑的還原升溫處理需要2天左右，對(duì)比原本的合成氨尿素處理時(shí)間大大縮短。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前合成氨尿素裝置在運(yùn)行、生產(chǎn)中應(yīng)用，受到市場(chǎng)環(huán)境的影響，要踐行節(jié)能減排的策略。基于傳統(tǒng)合成氨尿素裝置創(chuàng)新減排CO2節(jié)能工藝，不僅要減少裝置運(yùn)行期間的能源耗損，還可以規(guī)避對(duì)周圍環(huán)境的污染，加快合成氨尿素裝置生產(chǎn)效率，滿足綠色環(huán)保與節(jié)能減排的要求，為今后氨尿素合成作業(yè)提供先進(jìn)技術(shù)支持。