40万t/a CO2汽提法尿素装置节电技改措施研究应用

赵小芳

(河南晋开化工投资控股集团有限责任公司, 河南开封 475100)

河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司有3套40万t/a CO2汽提法尿素装置，主要利用往复式压缩机加压和往复式柱塞泵加压提供原料输送，单套设计产能为1 330 t/d，每套尿素装置的主要用电设备为3台往复式压缩机、3台往复式高压氨泵、3台往复式高压甲铵泵、30台离心泵、2台循环水泵和8台循环水风机。尿素装置运行后发现吨尿素电耗较高。经分析对比发现压缩机的设计余量较大，在满负荷情况下仍存在余量，设计匹配上余量较大；循环水分摊电量较多。为了彻底解决吨尿素电耗较高的问题，在2017年对尿素装置主要用电设备进行了多项技术改造，最终使吨尿素电耗大幅下降。

1 主要设备工艺流程

该尿素装置采用国内改良型CO2汽提法工艺，其中小颗粒装置2套，大颗粒装置1套，每套生产能力均为40万t/a。从净化工段送来的CO2气体，经往复式压缩机压缩在三段出口脱硫后，经五级压缩并通过脱氢工艺后与从氨库来的液氨经往复式高压氨泵加压后一起进入高压合成系统反应生成尿素，往复式压缩机、往复式高压氨泵、往复式高压甲铵泵均为2开1备。工艺流程方框图见图1[1]。

图1 工艺流程方框图

2 尿素装置电耗高的原因分析

2.1 原料核心动设备设计不匹配

尿素装置核心原料输送动设备为压缩机和高压氨泵，该尿素装置设计往复式压缩机和往复式高压氨泵均为2开1备，在装置超产摸索期间，高压氨泵满流量运行情况下，往复式压缩机的运行还有余量，提升流量的一回一阀门开还有开度，其余配套设备都能满足超负荷15%运行，整个装置达到115%长周期稳定运行。由于压缩机属于大功率耗电设备，占吨尿素电耗的60%，用电量直接关系到尿素成本，所以压缩机余量是造成吨尿素电耗高的一个原因。

2.2 前工艺未完全利用

前系统净化工艺采用低温甲醇洗0.8 MPa富CO2甲醇，经过阀门减压后在闪蒸塔上段闪蒸出CO2产品气，该CO2产品气经过2组绕管换热器换热到常温后，送下游尿素车间。前期负荷低，为了多产CO2产品气，将CO2产品气外送，压力控制在20 kPa左右；后期由于CO2产品气富裕用户少，CO2产品气压力升高为60 kPa，前系统提压后压缩机打气量增大，为保证高压所需的CO2气量，压缩机需要打开一回一流量阀来控制流量，造成压缩机做功流量回流，电耗升高。因此前系统外送的CO2压力未被压缩机一段完全合理利用，使净化工段送来的CO2气体的压力与压缩机设计压力不匹配，造成压缩机回流做功，电耗升高。

2.3 压缩机设计余量较大

该往复式压缩机型号为6M40-235/157，设计参数见表1。

表1 往复式压缩机设计参数

原设计压缩机入口CO2气体的温度压力与目前前系统实际送尿素装置的CO2气体的压力温度情况见表2。

从表2可以看出：原设计的CO2气体压力和温度与目前实际的CO2气体压力和温度差别较大，且原设计余量较大，造成压缩机运行后余量较大(尿素合成系统已满量)，往复式压缩机调节流量的一回一阀门有开度，造成往复式压缩机运行过程存在回流量，造成电量的浪费[2]。

表2 CO2气体的压力和温度

2.4 循环水电量分摊较高

2.4.1 循环水风机

该尿素装置共有6台循环水体积流量为5 000 m3/h的凉水塔，循环水系统循环水体积流量分别为30 000 m3/h和15 000 m3/h，采用电动机带动风机对循环水进行强制机械抽风，采用方形逆流式的钢筋混凝土框架结构冷却塔，冷却塔型号为NL-II-5000m3/h，单塔循环水体积流量为5 000 m3/h，风机尺寸为Φ9 750 mm，风量(体积流量)不小于300×104m3/h。设施管道布置流程平面图见图2。供水、回水压力分别为0.5 MPa、0.25 MPa，回水水温为42 ℃,供水水温≤32 ℃,风机由电动机驱动，传动器为碳纤维轴，电动机功率为200 kW(10 kV接线)，实际效率约85%，风机负荷受水量及温度影响，分摊电量较高。

图2 设施管道布置流程平面简图

2.4.2 循环水水泵电动机

该尿素装置与硝铵装置共用1个循环水系统，尿素装置设计用循环水体积流量1.5万m3/h，硝铵装置设计用循环水体积流量5 000 m3/h，因此设计采用2台1.2万m3/h的循环水泵运行。原设计为尿素装置和硝铵装置全部满负荷运行，由于在硝铵市场和产品结构调整情况下不能都达到满负荷运行，所以造成2台循环水大泵运行余量大、分摊电量多，使吨尿素电耗升高[3]。

3 改造措施

3.1 摸索前工艺提高CO2压力

分阶段逐步提高了CO2产品气压力到80 kPa左右。在提压过程中主要评估了CO2产品气解吸减少后导致冷量减少对原料气降温的影响，另外评估了尾气量增加后，尾气冷量的回收情况，最后将压力提高到80 kPa。

3.2 往复式压缩机一段缸改造

对一段缸进行改造(与一段缸配套的附属设备不变)，后面的二、三、四、五段的所有设备不变，也不影响运行，满负荷运行时一回一流量阀全部关闭，使压缩机的一段出口压力达到0.22 MPa，一回一流量阀不再留余量(不满负荷时调节一回一流量阀不影响压缩机运行)，达到节电的目的[4]。

改造前后往复式压缩机技术参数见表3。

表3 改造前后往复式压缩机技术参数

往复式压缩机改造后的各缸参数情况和工艺指标情况见表4和表5。

表4 进、排气的压力、温度、气缸直径

表5 各列活塞力、轴功率

由表5可以看出，改造后往复式压缩机的总轴功率为2 109 kW。

2017年8月3套尿素装置所使用的8台压缩机一段缸全部改造完成，运行稳定，目前满负荷运行。在同样气量的情况下,改造前往复式压缩机的电流为180 A左右，改造后电流为140 A左右，根据电气电量计量每台往复式压缩机每天约节电约1.6万kW·h，3套每年约节电2 880万kW·h，吨尿素电耗降低19.5 kW·h。

3.3 循环水泵改造

循环水系统新上1台体积流量为6 000 m3/h的循环水小泵，在硝铵装置负荷不满的情况下，可以开循环水泵1大1小就可以满足生产，降低了尿素的循环水分摊电量，改造后约降低吨尿素电耗3.5 kW·h。

3.4 循环水风机改造

随着企业的不断发展、水轮机技术的不断升级，以及新型市场化节能机制的产生，利用自身能量增加水轮机代替用电风机，达到节电目的。改造要有足够的循环水量及压头以保证水轮机动力源，且循环水水泵电流在改造前后不能发生变化，用水轮机替换原电动机来驱动风机。目前改造2台，降低吨尿素电耗约2.5 kW·h，改造后的平面布置图见图3。

4 结语

通过以上改造，吨尿素电耗总体降低了25.5 kW·h，夏季吨尿素电耗降低至130 kW·h左右，冬季高产情况下吨尿素电耗降低至120 kW·h以内,效果非常理想。