不同氣源條件下合成氨裝置的工藝優(yōu)化及運行總結

楊 清

(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司 青海格爾木 816099)

近年來，隨著“煤改氣”工程的深入推進，居民用氣量大幅增加，每年冬季因天然氣供應不足導致裝置減產或停產的氣頭氮肥企業(yè)較多，尋求新的原料氣氣源是氣頭合成氨企業(yè)生存的根本出路。青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司(以下簡稱青海鹽湖化工公司)年產300 kt合成氨裝置于2014年4月建成投產，以天然氣裂解制乙炔的副產尾氣為原料，經壓縮、脫硫、一氧化碳變換、甲基二乙醇胺(MDEA)脫碳、甲烷化、合成等工序制得產品液氨，屬氣頭合成氨裝置。為了解決冬季因原料氣不足影響裝置生產的問題，引入煤化工產業(yè)鏈的甲醇合成氣作為合成氨生產的原料氣供應，并對合成氨裝置實施局部技術改造，實現(xiàn)安全生產。

1 乙炔尾氣的工藝參數(shù)及合成氨生產工藝

1.1 乙炔尾氣工藝參數(shù)

乙炔尾氣規(guī)格見表1。

表1 乙炔尾氣氣體規(guī)格

1.2 以乙炔尾氣為原料的合成氨生產工藝流程

來自天然氣裂解制乙炔裝置的副產尾氣經原料氣壓縮機壓縮至3.65 MPa(絕壓)后，送往脫硫槽脫除微量硫化氫至質量分數(shù)1×10-7以下，原料氣溫度控制在138 ℃；原料氣進入一、二段加氫轉化器，將其中的不飽和烴轉化為飽和烴；原料氣經加熱爐加熱、配工藝蒸汽送入變換工序進行一氧化碳變換，變換采用中串低工藝，中變和低變間設置廢熱回收設備；變換氣采用MDEA脫碳技術將其中的二氧化碳吸收和解析，實現(xiàn)工藝氣的凈化和回收生產尿素所需的二氧化碳的目的；脫除二氧化碳后的工藝凈化氣進入變壓吸附工序制得高純氫氣[φ(H2)≥99.7%]，高純氫氣與來自空分工序的高純氮氣按體積比3∶1制得合成氣進入甲烷化工序脫除微量碳氧化物；凈化后的合成氣經壓縮機加壓，送往氨合成塔制得產品氨。以乙炔尾氣為原料的合成氨生產工藝流程見圖1。

2 合成氨氣源替換及新氣源工藝參數(shù)

青海鹽湖化工公司所在的化工園區(qū)除設計了天然氣產業(yè)鏈外，還設計了以煤為原料的1 000 kt/a甲醇裝置。考慮到冬季天然氣供應受限以及甲醇下游產品市場的需求，從甲醇裝置的低溫甲醇洗工序出口引一股合成氣作為合成氨生產的原料氣，既解決了合成氨裝置因天然氣供應不足帶來的經營困境，又提高了甲醇裝置的生產彈性。甲醇合成氣工藝參數(shù)見表2。

圖1 以乙炔尾氣為原料的合成氨生產工藝流程

表2 甲醇合成氣工藝參數(shù)

3 原料氣源變化后合成氨裝置的工藝優(yōu)化

3.1 接入口的選擇

從表2可以看出，甲醇合成氣溫度較低而壓力太高。為了滿足合成氨生產的要求，并充分考慮利用裝置原有設備，降低設備投資，甲醇合成氣溫度需從40 ℃升至138 ℃，壓力需從4.6 MPa降至3.6 MPa,在ZnO脫硫槽出口接入系統(tǒng)。由于原有的原料氣預熱器(一段加氫轉化器前蒸汽加熱器)熱負荷不能滿足需求，需新增1臺蒸汽預熱器對甲醇合成氣進行預熱。新增蒸汽預熱器安裝在甲醇合成氣進系統(tǒng)前，利用原有預熱器對甲醇合成氣進行再次加熱達到以乙炔尾氣為原料的工藝指標后送后工序，利用原有流程進行合成氨的生產。

3.2 脫碳高壓閃蒸氣的回收改造

在以乙炔尾氣為原料的合成氨工藝中，脫碳工序高壓閃蒸氣設計送至原料氣分離器入口進行回收。根據(jù)甲醇合成氣的組分和壓力，以甲醇合成氣為原料生產合成氨時，原料氣壓縮機和脫硫槽停運，高壓閃蒸氣不能正常回收。為此，在原高壓閃蒸氣至原料氣分離器界區(qū)閥門之前增設副線，將高壓閃蒸氣引至乙炔尾氣界區(qū)閥之前，由上游裝置對高壓閃蒸氣進行回收利用，避免能源浪費。

3.3 變壓吸附工序優(yōu)化

在以乙炔尾氣為原料的合成氨工藝中，由于甲烷體積分數(shù)為2.675%，原流程設計了變壓吸附制氫工序將原料氣中的甲烷脫除，同時合成弛放氣也通過變壓吸附制氫工序進行有效組分回收，出變壓吸附工序含甲烷體積分數(shù)45%的解析氣用作加熱爐的燃料。甲醇合成氣替代乙炔尾氣后，由于甲醇合成氣中甲烷體積分數(shù)僅為0.3%，如變壓吸附工序不進行改造，出變壓吸附工序的解析氣中甲烷含量很低、氫氣含量很高，這樣不但浪費了大量的有效氣體氫氣，而且對加熱爐的燃燒系統(tǒng)形成了較大的安全隱患。為了使裝置更加節(jié)能并提高裝置的安全等級，經反復論證，決定增加變壓吸附旁路管線，將凈化氣直接送至甲烷化工序，合成弛放氣仍然進入變壓吸附工序進行有效氣體回收。

通過以上技術改造后，以甲醇合成氣為原料的合成氨生產工藝流程見圖2。

圖2 以甲醇合成氣為原料的合成氨生產工藝流程

4 不同氣源條件下合成氨裝置運行總結

4.1 以甲醇合成氣為原料的生產模式

以甲醇合成氣為原料生產時，因甲醇合成氣壓力高，需減壓至系統(tǒng)壓力方可進行生產。在原料氣壓縮機和脫硫槽出口將盲板倒“盲”，脫碳凈化氣走變壓吸附工序副線，變壓吸附工序僅回收合成弛放氣中的氫氣，其余流程與原設計一致。2017年10月20日裝置首次以甲醇合成氣為原料進行生產，連續(xù)運行96 d后，因上游煤氣化裝置發(fā)生故障，合成氨裝置短暫停車后繼續(xù)生產。以甲醇合成氣為原料運行期間，由于甲醇合成氣有效組分含量高，噸氨耗甲醇合成氣為2 086 m3(標態(tài))，比以乙炔尾氣為原料的噸氨消耗降低234 m3(標態(tài))；噸氨耗蒸汽3.6 t，比以乙炔尾氣為原料的降低1.5 t；變壓吸附工序的真空泵由兩開一備變?yōu)橐婚_兩備，原設計的原料氣壓縮機凝結水泵、油泵停運，噸氨電耗也從140 kW·h降至117 kW·h，成本優(yōu)勢明顯。由于流程優(yōu)化，停運原料氣壓縮機和脫硫槽，縮短了工藝流程，其維護費用和操作人員的工作量也相應減少，取得了較好的效果。

4.2 以甲醇合成氣-乙炔尾氣為原料的組合生產模式

因冬季天然氣供應受限，青海鹽湖化工公司天然氣裂解制乙炔的尾氣量只能滿足年產180 kt合成氨裝置的生產所需。在年產180 kt合成氨裝置出現(xiàn)故障時，為了減少因尾氣放空帶來的經濟損失，年產300 kt合成氨裝置在2018年11月6日開始接收乙炔尾氣和甲醇合成氣進行生產，退出的部分甲醇合成氣用于提高甲醇裝置的產量。由于甲醇合成氣壓力高，采用壓力調節(jié)閥PV01將進合成氨裝置的甲醇合成氣壓力控制到與原料氣壓縮機出口的乙炔尾氣壓力相當；由新增原料氣預熱器將甲醇合成氣溫度提高至138 ℃，以滿足脫硫槽出口氣體溫度的要求。經過4個月的試驗性生產，甲醇合成氣-乙炔尾氣為原料的組合式生產模式實現(xiàn)了合成氨裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產。在天然氣裂解制乙炔裝置或煤氣化制甲醇裝置出現(xiàn)故障時，甲醇合成氣與乙炔尾氣互相補償氣量，合成氨裝置實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產，操作彈性得到大幅提高。

合成氨生產裝置采用不同原料氣的生產運行情況見表3。

表3 合成氨裝置采用不同原料氣的生產運行情況

5 結語

合成氨裝置原設計工藝流程經局部改造后，只需在線倒換8字盲板，即可實現(xiàn)以乙炔尾氣、甲醇合成氣、甲醇合成氣+乙炔尾氣為原料的3種運行模式，極大地提高了裝置的彈性。用不同氣源可實現(xiàn)合成氨裝置的連續(xù)穩(wěn)定生產，化解了因天然氣供應受限或煤、天然氣價格浮動以及甲醇市場低迷時帶來的經營困境，取得了較好的經濟效益，提高了企業(yè)的競爭力。