超級(jí)吸氨器在氨合成系統(tǒng)節(jié)能中的應(yīng)用

白雪峰，吳 杰，史晶森

（山西豐喜華瑞煤化工有限公司，山西新絳 043100）

0 引 言

山西豐喜華瑞煤化工有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)豐喜華瑞）以焦?fàn)t煤氣與半水煤氣（固定床間歇式氣化爐制氣）為原料生產(chǎn)合成氨與尿素，原設(shè)計(jì)產(chǎn)能為合成氨180kt／a、尿素300kt／a。由于焦化廠所能提供的焦?fàn)t氣量增加，按照以氣定產(chǎn)的原則，豐喜華瑞對(duì)合成氨裝置進(jìn)行了升級(jí)改造，增設(shè)了1套氨合成系統(tǒng)，合成氨產(chǎn)能擴(kuò)大至240kt／a、尿素產(chǎn)能擴(kuò)大至400kt／a。產(chǎn)能擴(kuò)大后，夏季高溫天氣氨合成系統(tǒng)需冷量增加，冰機(jī)進(jìn)出口壓力增大，冰機(jī)負(fù)荷加重，經(jīng)常需增開(kāi)1臺(tái)冰機(jī)（夏季以外冰機(jī)兩開(kāi)兩備，夏季冰機(jī)三開(kāi)一備，高溫天氣甚至?xí)霈F(xiàn)需要系統(tǒng)減量的情況），導(dǎo)致噸氨成本增高；同時(shí)，周邊焦化廠供應(yīng)豐喜華瑞的焦?fàn)t煤氣量極不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，導(dǎo)致合成氨裝置負(fù)荷調(diào)節(jié)頻繁，合成冰機(jī)開(kāi)停機(jī)頻繁。經(jīng)分析與研究，2020年8月增設(shè)了1套超級(jí)吸氨器氨水制備系統(tǒng)，即從冰機(jī)入口處將750m3／h左右氣氨引入超級(jí)吸氨器，利用脫鹽水吸收氣氨制備氨水用于煙氣氨法脫硫系統(tǒng)（煙氣氨法脫硫系統(tǒng)原使用的氨水源自原超級(jí)吸氨器氨水制備系統(tǒng)），通過(guò)分流合成冷凍系統(tǒng)的氣氨，實(shí)現(xiàn)了氨合成系統(tǒng)的節(jié)能降耗與冰機(jī)負(fù)荷的可調(diào)。以下對(duì)有關(guān)情況作一簡(jiǎn)介。

1 夏季高溫天氣冰機(jī)電耗情況

豐喜華瑞合成冷凍工序共4臺(tái)螺桿式氨制冷壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)冰機(jī)），型號(hào)均為JZ3KA31.5，制冷量3718kW，制冷劑為R717，電機(jī)額定功率1120kW、電壓10kV，配套5臺(tái)蒸發(fā)式冷凝器（簡(jiǎn)稱(chēng)蒸發(fā)冷），夏季高溫天氣時(shí)冰機(jī)三開(kāi)一備，噸氨電耗居高不下。以2020年6月為例，合成氨裝置冷凍工序的能耗情況見(jiàn)表1。

表1 2020年6月冰機(jī)耗電量及噸氨電耗分析

由表1可以看出，冰機(jī)日均用電量為53086 kW·h，合成氨日均產(chǎn)量為714.24t，噸氨冰機(jī)平均電耗約74kW·h，在豐喜華瑞2020年6月噸氨總能耗中占比高達(dá)5.3%，遠(yuǎn)高于行業(yè)平均水平（業(yè)內(nèi)冰機(jī)系統(tǒng)能耗在合成氨生產(chǎn)總能耗中占比約3%）。雖然冰機(jī)電耗受到氣溫、循環(huán)水溫度、蒸發(fā)冷蒸發(fā)量等因素的影響，但究其根本，冰機(jī)能耗的高低主要取決于進(jìn)口氣氨量。

2 原超級(jí)吸氨器的應(yīng)用情況

豐喜華瑞采用氨法脫硫工藝對(duì)鍋爐煙氣進(jìn)行脫硫，為獲取20%的氨水，2017年豐喜華瑞購(gòu)入1臺(tái)超級(jí)吸氨器，利用超級(jí)吸氨器將液氨與脫鹽水按比例混合直接配制氨水，其冷卻循環(huán)水源自尿素循環(huán)水系統(tǒng)的涼水塔，夏季時(shí)造成尿素循環(huán)水溫度高達(dá)32℃，影響到尿素蒸發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行，尿素一段蒸發(fā)系統(tǒng)真空度僅為-38.544 kPa，導(dǎo)致夏季尿素裝置負(fù)荷提升困難。

3 氨水制備系統(tǒng)工藝流程優(yōu)化及應(yīng)用情況

3.1 超級(jí)吸氨器優(yōu)化利用

原超級(jí)吸氨器的工作原理為，利用循環(huán)（冷卻）水與液氨換熱，將液氨汽化，汽化形成的氣氨進(jìn)噴淋吸收段；界外送入的軟水，經(jīng)分布器，軟水與氣氨逆流接觸反應(yīng)，制備氨水，反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量由循環(huán)水帶走。通過(guò)對(duì)超級(jí)吸氨器工作原理的研究，并與設(shè)備廠家溝通，我們決定將冰機(jī)進(jìn)口低壓氣氨引一部分入超級(jí)吸氨器，利用分布器將氣氨及水均勻分布吸收，制成一定濃度的氨水，再將高溫氨水與循環(huán)水換熱，完成初步降溫，之后氨水與液氨進(jìn)行熱交換，液氨汽化所需熱量由氨水提供，即在超級(jí)吸氨器內(nèi)同時(shí)完成氨水降溫與液氨汽化的過(guò)程，如此一來(lái)，既能降低冰機(jī)進(jìn)口氣氨總量，又能減少循環(huán)水用量，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3.2 技改方案

（1）在冰機(jī)入口處增設(shè)1臺(tái)超級(jí)吸氨器，其型號(hào)為UXAQ-5000（G＋L），過(guò)流部分材質(zhì)為ss304，撬體材質(zhì)為碳鋼，液氨稀釋能力5t／h。

（2）在超級(jí)吸氨器上設(shè)置1個(gè)氣氨進(jìn)口，使得系統(tǒng)既可以稀釋?zhuān)ㄎ眨┮喊保挚梢韵♂專(zhuān)ㄎ眨獍薄?/p>

（3）增設(shè)1臺(tái)臨時(shí)氨水儲(chǔ)槽，增設(shè)3臺(tái)氨水泵（1臺(tái)作為氨水循環(huán)泵，1臺(tái)作為氨水輸送泵，另1臺(tái)作為備泵），單泵流量25m3／h、揚(yáng)程50m、電機(jī)功率7.5kW。配制好的氨水送入臨時(shí)氨水儲(chǔ)槽，達(dá)到規(guī)定濃度后利用氨水輸送泵送入正式氨水儲(chǔ)槽；未達(dá)到規(guī)定濃度的氨水，利用氨水循環(huán)泵送入超級(jí)吸氨器繼續(xù)增濃。

按照上述技改方案，以液氨為原料時(shí)，輸出氨水溫度＜25℃，氨水濃度為15% ～28%，循環(huán)水用量為125m3／h；以氣氨為原料生產(chǎn)時(shí)，由于沒(méi)有液氨汽化時(shí)的吸熱，氨水完全靠外部循環(huán)（冷卻）水降溫，循環(huán)水用量為250m3／h，輸出氨水溫度高于循環(huán)水進(jìn)水溫度3～5℃（循環(huán)水溫差＜15℃），所得氨水濃度最高只能達(dá)到20%，若要生產(chǎn)更高濃度的氨水，需輸入部分液氨參與生產(chǎn)。

3.3 氨水制備系統(tǒng)工藝流程優(yōu)化

從管網(wǎng)送來(lái)的脫鹽水進(jìn)入超級(jí)吸氨器，通過(guò)調(diào)節(jié)閥及流量計(jì)控制脫鹽水流量在20m3／h（以生產(chǎn)20%濃度的氨水為例），液氨經(jīng)調(diào)節(jié)閥（穩(wěn)定減壓后的壓力指標(biāo)模擬以控制液氨流量）進(jìn)入超級(jí)吸氨器，當(dāng)工藝水 （脫鹽水）流量為20t／h，氨水濃度恰好在20%，此時(shí)的減壓后壓力即為控制參數(shù)；液氨與脫鹽水按比例進(jìn)入超級(jí)吸氨器直接制成一定濃度的氨水（氣氨生產(chǎn)氨水原理與采用液氨生產(chǎn)氨水時(shí)相同），配制好的氨水送入氨水儲(chǔ)槽。在氨水出口管路上配有密度儀及溫度變送器，通過(guò)PLC運(yùn)算顯示即時(shí)氨水濃度；氨水儲(chǔ)槽內(nèi)排出的廢氣送入洗氨塔回收其中的氣氨，尾氣排入大氣，洗氨塔采用脫鹽水吸氨，形成的稀氨水送入尿素解吸水解系統(tǒng)處理。氨水制備系統(tǒng)工藝流程如圖1。

圖1 氨水制備系統(tǒng)工藝流程框圖

3.4 技改后冰機(jī)節(jié)能效果

本項(xiàng)技改完成后，冰機(jī)由原來(lái)的開(kāi)3臺(tái)改為開(kāi)2臺(tái)。以技改后的2020年10月15—19日豐喜華瑞冰機(jī)電耗與合成氨產(chǎn)量為例，對(duì)合成氨冷凍工序的能耗進(jìn)行分析，有關(guān)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2。可以看出，冰機(jī)日均用電量為30018kW·h，合成氨日均產(chǎn)量為631.79t，噸氨冰機(jī)平均電耗為48kW·h，冰機(jī)系統(tǒng)的能耗在合成氨生產(chǎn)總能耗中的占比約3.45%，較技改前有了較大的改觀，達(dá)到了節(jié)能的目的。

表2 2020年10月15—19日冰機(jī)耗電情況

3.5 技改后生產(chǎn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決措施

（1）在線氨水濃度顯示不準(zhǔn)確。超級(jí)吸氨器的氨水濃度顯示有密度儀取值及氨水溫度取值，通過(guò)氨水密度表對(duì)應(yīng)顯示。由于不同溫度、不同壓力下氨在水中的溶解度不同，氨水送入氨水槽后，氨水中的氨極易逸出，而氨水密度儀設(shè)置在進(jìn)入氨水槽的管線上，入口管道內(nèi)氨水的氨分壓與氨水槽內(nèi)氨水的氨分壓存在差異，導(dǎo)致氨水槽內(nèi)氨水濃度與在線密度儀測(cè)量所得的濃度有所差異。為解決這一問(wèn)題，我們采取人工分析與在線密度儀配合的辦法測(cè)定氨水濃度，并逐次進(jìn)行記錄，摸索其規(guī)律。

（2）由于冰機(jī)進(jìn)口的氣氨總量減少，在超級(jí)吸氨器開(kāi)車(chē)的情況下，需從液氨球罐向冰機(jī)系統(tǒng)液氨儲(chǔ)槽中補(bǔ)充液氨，以保證冷凍系統(tǒng)的液氨總量，造成冷凍系統(tǒng)惰性氣量增大而放空頻率增加。為解決這一問(wèn)題，我們將冰機(jī)放空氣送入洗氨塔，洗氨后尾氣放空。

4 效益分析

豐喜華瑞合成冷凍工序共4臺(tái)螺桿式氨制冷壓縮機(jī)（冰機(jī)），制冷量為3718kW，電機(jī)額定功率為1120kW，配套5臺(tái)蒸發(fā)冷，技改前夏季高溫天氣時(shí)冰機(jī)三開(kāi)一備。自超級(jí)吸氨器優(yōu)化后投運(yùn)以來(lái)，已停用1臺(tái)冰機(jī)，冰機(jī)噸氨電耗從約74kW·h降至48kW·h，噸氨節(jié)電約26kW·h；截至投稿之日超級(jí)吸氨器已運(yùn)行55d，合成氨平均日產(chǎn)量以650t計(jì)，則冰機(jī)節(jié)電約92.95×104kW·h，折合節(jié)約生產(chǎn)成本約46.47萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

豐喜華瑞針對(duì)合成冰機(jī)開(kāi)停機(jī)頻繁以及夏季冰機(jī)負(fù)荷重而需增開(kāi)1臺(tái)冰機(jī)（高溫天氣甚至?xí)霈F(xiàn)需要系統(tǒng)減量的情況）的問(wèn)題，2020年8月增設(shè)1套超級(jí)吸氨器氨水制備系統(tǒng)后，通過(guò)分流部分合成冷凍系統(tǒng)的氣氨，不僅在夏季高溫天氣時(shí)能夠減少冰機(jī)開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，而且在其他時(shí)間也能通過(guò)調(diào)節(jié)超級(jí)吸氨器的負(fù)荷達(dá)到調(diào)節(jié)冰機(jī)負(fù)荷的目的。例如，在開(kāi)2臺(tái)冰機(jī)滿(mǎn)足不了生產(chǎn)所需、開(kāi)3臺(tái)冰機(jī)又有點(diǎn)浪費(fèi)的情況下，通過(guò)適當(dāng)開(kāi)大超級(jí)吸氨器氣氨進(jìn)口閥，提高超級(jí)吸氨器的負(fù)荷，此問(wèn)題就能得以解決。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)以焦?fàn)t煤氣為原料的合成氨裝置大都存在負(fù)荷調(diào)節(jié)頻繁的問(wèn)題，此舉的推廣價(jià)值較大。

另外，目前環(huán)保形勢(shì)嚴(yán)峻，大量工業(yè)鍋爐的煙氣脫硫升級(jí)改造采用氨法脫硫工藝，其氨水用量極大，氨合成系統(tǒng)之超級(jí)吸氨器制備的氨水除供本廠氨法脫硫系統(tǒng)使用外，也可直接外售，從而提升企業(yè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。