塔西南化肥厂合成氨装置节能实践探讨

李进 （长江大学研究生院，湖北 荆州434023；中石油塔里木油田分公司塔西南化肥厂，新疆 泽普844804）

塔西南化肥厂合成氨装置是2001年建成，采用美国凯洛格MEAP低能耗工艺，年产合成氨20×104t，以天然气为原料和燃料；主要耗能设备有一段炉、二段炉、辅锅、快锅和空压机（101－JT）等4大蒸汽机组，其中炉子耗能量占全厂总能量的45.27%以上，4大机组主要以12.0MPa和4.2MPa蒸汽为动力，通过做功一方面使工艺介质得到输送，另一方面使能量得到传递和转化。氨作为重要化工原料，其合成原料中的烃类在催化剂的作用下，通过特定设备和一系列的化学、物理变化最终转化成氨［1］。在上述过程中，既有化学能、电能、机械能相互转换，又涉及大量的热能生成和利用，因此有必要进行节能改造。下面，笔者对塔西南化肥厂节能实践进行了探讨，以便为类似化工企业的节能改造提供参考。

1 合成氨装置一段炉的节能措施

一段炉是塔西南化肥厂合成氨装置中的典型结构，燃料在一段炉炉膛内燃烧后将产生4部分能量，对这4部分的能量进行分析，以确定可行的节能方向。

1）一段炉工艺介质获得的化学能。原料气在一段炉发生反应后，生成了部分新的物质，新的物质总体上比原料的化学能高，一部分燃烧的热能转化为新物质的化学能，这部分转化为化学能的热能是由新、旧物质之间的化学特性决定的，由于难以减少，因而无法实施节能措施。

2）一段炉工艺介质获得的热能。原料气在一段炉发生反应后，整个工艺介质同原料气相比，温度从常温提至780℃（或者更高），且获得了大量的热能，并进入温度更高的二段炉。从能量守恒的层面上看，这部分因温度升高获得的热能也不能（或没有必要）减少，因为不在一段炉内获得热量，就必须在二段炉内获得热量，因而无法实施节能措施。

3）燃烧烟气带去对流段的热能。该部分热能主要用于7组对流盘管（工艺气、空气、过热蒸汽、原料气、锅炉给水、燃料气、燃烧空气）的加热，但除了给这7组盘管加热，最终排放时所剩余的热能很大，因而应优先考虑其回收问题。

4）一段炉外壁散失的热能。对一段炉辐射段和对流段的前端进行温度测量，局部有超过150℃，最高点有接近200℃，平均显示在100℃左右（设计≤80℃）。如果将外壁温度由100℃降到设计的80℃，将节省天然气1000Nm3／d。从能量守恒的层面上看，散热量比较可观，其应该被列入回收范围。

综上所述，一段炉的节能方向主要是尽量减小烟气排放携带的热量和外壁的散热量。

在实际操作中，可以通过固定生产负荷，在保证燃烧充分的情况下尽量降低燃烧空气量；增加回收余热的设备（换热器）降低排烟温度大幅减小烟气携带热量；通过对辐射段、对流段的衬里进行全部更换，且还需增加厚度；在外壁上增加水夹套进行热量回收大幅减少一段炉外壁散热量。

2 合成氨装置燃料气系统的节能措施

因为传热的推动力是温差，当热能从高温物体自发的传向低温物体时，如果温差越大，不可逆程度也越大，虽然传热的速度快，但能量品质降低的幅度大，由此导致能量损失增大［2－3］。塔西南化肥厂使用的燃料是天然气，其主要成分是甲烷，冷态状况下利用冷空气作助燃剂，理论燃烧温度可达到2030℃。为了避免传热温差过大，以减小传热的不可逆程度，从而降低燃料气消耗，在使用燃料气时应遵循如下原则：尽量首先在高端装置部位使用燃料气；如果高端装置部位的温度已经达到工艺设计要求而低端装置部位的温度没有达到工艺设计的要求，应首先考虑在低端装置部位使用燃料气。

合成氨装置燃料气系统点火工艺段结构图如图2所示。按照燃料气使用原则，在实际生产采用如下能源分配方法：①向二段炉中配空气（其实质是燃烧能源）；②使用一段炉顶部烧嘴，直到一段炉炉管和工艺气温度达到或尽量接近设计值；③使用烟道烧嘴，直到一段炉前两组盘管的工艺介质温度和烟道温度达到或尽量接近设计值；④配合使用辅锅和过热器的烧嘴，在保证过热器烟道和辅锅烟道不超温的情况下，尽量增加高压蒸汽数量及温度、压力；⑤尽量减少快锅的燃烧气用量和产蒸汽量。

图1 合成氨装置燃料气系统点火工艺段结构图

3 实际应用效果

以2008年9月1日至2008年10月3日的生产实践为例，在此期间实施步骤分为3个阶段：第1阶段（9月1日～9月11日），更换完一段炉管后操作规程为床层温度776～778℃、二段炉温度940～945℃。第2阶段（9月12日～9月21日），一段炉床层的温度不变，将二段炉空气用量由29.2～29.5t／h调整到为30～30.4t／h，二段炉温度上升到958～963℃，出口CH4含量由0.45%～0.50%下降到0.40%。第3阶段（9月22日～10月3日），将一段炉床层的温度由776～778℃提升至790℃，二段炉的空气量和温度控制与第2阶段相同。措施实施结果如图2和图3所示。从图2和图3中可以看出，按上述节能措施调整一、二段炉的工艺参数后，原料气尿素单耗逐步下降，第3阶段比第1阶段平均降低了18.11Nm3／t尿素，按日产1048t尿素计算，将节约天然气18979Nm3／d。同等负荷下，尿素产量平均增加至少10t／d，扣除成本费用后，一天将增加0.4万元利润，一年则增加120万元的利润。另外，由于增加了余热回收和自产高压蒸汽的数量，用水量由原来的65～67t／h增加到67～70t／h，降低了辅锅和过热器的负荷，使辅锅和过热器的运行始终处于安全状态。

图2 2008年9～10月份原料气吨尿素变化趋势图

图3 2008年9～10月份尿素日产变化趋势图

［1］ 沈俊，朱世勇，冯孝庭 .合成氨 ［M］.北京：化肥工业出版社，2001.

［2］ 于遵宏，朱炳辰，沈才大，等 .大型合成氨厂工艺过程分析 ［M］.北京：中国石化出版社，1993.

［3］ 沈维道，蒋智敏，童钧耕，等 .工程热力学 ［M］.北京：高等教育出版社，2005.