楊學(xué)智（中國石油寧夏石化公司）

寧夏石化公司國產(chǎn)大型化肥裝置是中國石油在國內(nèi)首套采用自主技術(shù)建設(shè)的工業(yè)化生產(chǎn)裝置，工藝技術(shù)全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，各項工藝技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了國際先進(jìn)水平，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，設(shè)計年產(chǎn)合成氨45×104t、尿素80×104t。其中合成氨采用蒸汽轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)，尿素采用CO2汽提工藝技術(shù)。天然氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、氨壓機(jī)、合成氣壓縮機(jī)、CO2壓縮機(jī)等五臺機(jī)組全部由國內(nèi)廠家制造，機(jī)組全部采用12.0 MPa和5.0 MPa過熱蒸汽作為動力源。主要設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到95%以上，總體工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集成、優(yōu)化和創(chuàng)新，具有能耗低、操作簡單、安全等特點(diǎn)。是具有國際先進(jìn)水平的大型氮肥裝置。近年來，通過工藝管理和員工培訓(xùn)、工藝優(yōu)化等手段，減少了非計劃停車次數(shù)，通過優(yōu)化一段爐運(yùn)行、降低水碳比、投用煉廠干氣等措施，保持工況優(yōu)化運(yùn)行，保證裝置安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行，確保了裝置綜合能耗維持最低，氨產(chǎn)量尿素產(chǎn)量達(dá)到了較高的水平。

1 裝置特點(diǎn)

1.1 合成氨裝置特點(diǎn)

合成氨裝置以天然氣為原料，轉(zhuǎn)化部分采用一、二段蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，變換部分采用高溫變換和低溫變換工藝，脫碳采用MDEA脫碳技術(shù)，氨合成部分采用三床軸徑向復(fù)合床間接換熱式合成塔，氨合成壓力15.5 MPa，冷凍系統(tǒng)為兩級氨冷，并設(shè)有5 000 m3氨儲罐和氫回收裝置。

1.2 尿素裝置特點(diǎn)

80×104t/a尿素生產(chǎn)裝置，依托CO2汽提工藝技術(shù)，采用了尿素高效浸沒式冷凝，三級真空濃縮新方法。尿素生產(chǎn)工藝主要包括：CO2壓縮和脫氫、液氨升壓、高壓合成與汽提回收、低壓分解回收與真空預(yù)濃縮、蒸發(fā)與造粒、工藝?yán)淠禾幚淼裙ば颉?/p>

1.3 裝置中技術(shù)特點(diǎn)

1）工藝國產(chǎn)化。45×104t合成氨、80×104t尿素裝置中技術(shù)創(chuàng)新工藝國產(chǎn)化。寧夏石化45/80×104t項目作為成果轉(zhuǎn)化平臺，是中國石油第一套自主開發(fā)的大氮肥成套工藝技術(shù)建設(shè)的具有國際先進(jìn)水平的大型化肥裝置，也是國產(chǎn)化的DCS分析技術(shù)建立的合成氨、尿素裝置三組模型，進(jìn)行工藝管線和設(shè)備布局的整體優(yōu)化，總體工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集成、優(yōu)化和創(chuàng)新，合成氨綜合能耗等主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，并獲得了自主知識產(chǎn)權(quán)數(shù)十項。

2）設(shè)備國產(chǎn)化。在裝置建設(shè)中，集成國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先的設(shè)備制造商，采取自主設(shè)計，國內(nèi)制造的方式，先后完成了一段轉(zhuǎn)化爐、氨合成塔內(nèi)件、尿素高壓設(shè)備、尿素高壓氨泵、合成氣壓縮機(jī)、工藝空氣壓縮機(jī)、氨氣壓縮機(jī)、天然氣壓縮機(jī)、CO2壓縮機(jī)等多項重大設(shè)備的專項研究。關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化率達(dá)到95%以上，投資成本僅為國外的80%。不僅為國家節(jié)約了大量的外匯投資，更在設(shè)備自主研發(fā)制造上取得了新的突破。

3）控制系統(tǒng)國產(chǎn)化。寧夏石化公司三化肥裝置全流程使用了國內(nèi)最新推出的MACS-K大型分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了全冗余，多重隔離等可靠技術(shù)，吸收了安全系統(tǒng)的設(shè)計理念。改進(jìn)、完善、組態(tài)軟件的友好性和易用性，降低了入門難度，提高了用戶組態(tài)的效率，提升了用戶的體驗感。

2 技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用

2.1 技術(shù)創(chuàng)新

在合成氨裝置中采用較高的轉(zhuǎn)化壓力。雖然低壓有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，但提高壓力可以節(jié)省壓縮功、減少設(shè)備投資、有利于工藝余熱的利用[1-3]。該裝置一段轉(zhuǎn)化出口壓力設(shè)計為4.05 MPa。

另外裝置中還采用比較溫和的一段轉(zhuǎn)化方案?？紤]國內(nèi)制造廠的制造水平，為了使一段轉(zhuǎn)化爐爐管的操作條件不太苛刻，該工藝在二段轉(zhuǎn)化爐加入了20%的過量空氣，使一部分一段轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到二段轉(zhuǎn)化爐中。一段轉(zhuǎn)化出口溫度為803℃，CH4殘留量為14.23 mol%（干基）。延長了一段轉(zhuǎn)化爐管的使用壽命。

同時綜合考慮一段轉(zhuǎn)化爐對流段能量的回收利用，提高原料氣預(yù)熱溫度，將一段轉(zhuǎn)化爐的混合進(jìn)料和工藝空氣預(yù)熱到盡可能高的溫度，分別為560℃和500℃。增加一段爐對流段各組能量回收盤管之間的溫度調(diào)節(jié)措施，設(shè)計充分考慮了一段轉(zhuǎn)化爐對流段的能量回收利用和盤管材料的選擇，有效保證了裝置安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行。

2.2 技術(shù)應(yīng)用

1）合成塔的應(yīng)用：1 500 t/d“三床軸徑向復(fù)合床間接換熱式高效節(jié)能型氨合成塔為立式反應(yīng)器，有高壓外殼和內(nèi)件兩部分構(gòu)成。典型操作壓力為11～15 MPa，合成氣進(jìn)氣溫度一般在185～230℃，具有較高的氨凈值，塔出口氨濃度可達(dá)到18.88%。

氨合成塔內(nèi)部有三個催化劑床層，均裝有鐵系催化劑。一層裝催化劑15.5 m3、二層裝催化劑29.2 m3、三層裝催化劑48.2 m3。合成氣在第一床層為軸向流動，汽提分布均勻，并可減少有害物質(zhì)對催化劑的影響，能充分有效利用催化劑。由于第二層和第三層催化劑裝填量大，為減少氣體阻力，所以采取了軸徑向流動，全塔阻力壓降小，循環(huán)壓縮機(jī)功耗低。合成塔內(nèi)部設(shè)有兩臺換熱器，通過間接換熱控制第二、三床的床層入口溫度，合成塔的氨凈值高。合成氣出第三催化劑床層后不經(jīng)過就出合成塔，可副產(chǎn)高壓飽和蒸汽或中壓過熱蒸汽，提高了高溫?zé)崮艿睦寐省?/p>

合成塔高壓外殼屬高溫、高壓設(shè)備，內(nèi)部工藝氣氫含量高，合成塔采用多層包扎與大型鍛件相結(jié)合的制造工藝，即筒體采用耐高溫、抗氫腐蝕的鉻鉬鋼內(nèi)筒，外包扎多層高強(qiáng)度鋼板，上下球形封頭與筒節(jié)間采用大型鍛件連接。大蓋密封采用可拆的雙錐密封結(jié)構(gòu)，便于操作、檢修。采用寰球氨合成塔自主技術(shù)優(yōu)化氨合成塔結(jié)構(gòu)。氨合成塔采用寰球?qū)＠夹g(shù)三床軸徑向復(fù)合床間接換熱式高效節(jié)能型氨合成塔。降低了專利費(fèi)及基礎(chǔ)設(shè)計費(fèi)，并降低了設(shè)備制造成本，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備制造自主化。該合成塔的優(yōu)點(diǎn)是：

一是生產(chǎn)能力大、全塔壓降小、采用內(nèi)部換熱氨凈值高、可副產(chǎn)高壓飽和蒸汽。

二是優(yōu)化了合成氣壓縮機(jī)配置。壓縮機(jī)的壓縮段和循環(huán)段串聯(lián)配置在一起，出循環(huán)機(jī)的壓力就是入塔壓力，因此合成塔置于整個合成回路的最高壓力點(diǎn)上，有利于提高氨凈值及降低壓縮功耗。

三是優(yōu)化了氨合成回路。氨合成回路余熱回收采用合成氣在塔內(nèi)反應(yīng)結(jié)束后不經(jīng)換熱，直接出塔進(jìn)入廢熱鍋爐和鍋爐給水預(yù)熱器，副產(chǎn)12.5 MPa、328℃的飽和蒸汽。經(jīng)一段轉(zhuǎn)化爐對流段盤管過熱后，可用于驅(qū)動蒸汽透平，提高余熱回收利用等級。同時優(yōu)化氨冷凍分離溫度等級，綜合平衡氨壓縮機(jī)和合成氣壓縮機(jī)之間的壓縮功，選擇適宜的合成壓力優(yōu)化氨合成回路。

2）其它新技術(shù)的應(yīng)用：在裝置的建設(shè)中大量使用同類裝置相似的新技術(shù)，一段爐采用國產(chǎn)HP50薄壁管，新型低NOx爐頂燒嘴；二段爐采用20%過量空氣，降低了一段爐負(fù)荷，增加了熱量利用。二段爐使用新型空氣混合器，天然氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、CO2壓縮機(jī)、合成氣壓縮機(jī)、氨氣壓縮機(jī)全部采用干氣密封形式，簡化了壓縮機(jī)操作，避免了介質(zhì)污染隱患；一段爐引風(fēng)電動機(jī)采用變頻技術(shù)，有利于爐膛負(fù)壓控制，確保一段爐穩(wěn)定操作[4-5]。

3 應(yīng)用效果

寧夏石化45/80項目通過采用新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝和新材料的集中應(yīng)用，優(yōu)化了工藝流程，綜合利用了工藝過程產(chǎn)生的余熱，合理優(yōu)化了整個裝置蒸汽平衡和蒸汽管網(wǎng)等級，大型轉(zhuǎn)動設(shè)備采用高效機(jī)組，提高了能量利用效率，達(dá)到了噸氨能耗較先進(jìn)的水平。尿素裝置的能耗水平也控制較低水平。合成氨裝置能耗水平見表1，尿素裝置消耗水平見表2。

表1 合成氨裝置能耗水平Tab.1 Energy consumption level of ammonia device

表2 尿素裝置消耗水平Tab.2 Energy consumption level of urea device

4 存在問題及優(yōu)化措施

2021年裝置能耗見表3，從2021年3月16日開車至11月13日停車，裝置負(fù)荷一直維持在100%以上運(yùn)行，合成、尿素兩套裝置運(yùn)行穩(wěn)定，開工鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行，均超出設(shè)計能力，完全滿足生產(chǎn)需要。

表3 2021年裝置能耗Tab.3 Energy consumption of device in 2021

4.1 存在問題

從表3可以看出影響能耗高的原因主要是天然氣、蒸汽、脫鹽水、電耗等超過了設(shè)計值。

按照以上物料消耗的分析，裝置存在以下問題：

1）天然氣消耗高于設(shè)計值，主要原因是非計劃開停車所造成的，一段轉(zhuǎn)化爐燃燒空氣過剩系數(shù)偏高，一段轉(zhuǎn)化爐熱效率低，天然氣消耗增大。另外系統(tǒng)壓力偏低、轉(zhuǎn)化爐水碳比控制較高，反應(yīng)余熱利用不夠，廢鍋汽包產(chǎn)氣量低，也是天然氣消耗增加的因素。

2）蒸汽消耗過高，由于CO2壓縮機(jī)低壓缸問題，防喘振系統(tǒng)不穩(wěn)定，防喘振閥始終有開度，造成壓縮機(jī)的運(yùn)行效果差，使CO2壓縮機(jī)的用汽量及尿素裝置的用汽量都有所增加。

3）脫鹽水消耗較高，主要是合成和尿素裝置冷凝液回收系統(tǒng)，冷凝液電導(dǎo)超標(biāo)，加至蒸汽管網(wǎng)的優(yōu)化不好，中壓蒸汽、低壓蒸汽放空較多，導(dǎo)致蒸汽冷凝液回收進(jìn)不到脫鹽水系統(tǒng)。

4）裝置電耗高，主要是合成和鍋爐部分用蒸汽透平帶動的機(jī)泵，透平運(yùn)行不穩(wěn)，一直采用電動機(jī)帶動運(yùn)行，增加了電耗。

4.2 優(yōu)化措施

1）優(yōu)化蒸汽管網(wǎng)，降低裝置蒸汽消耗。在裝置運(yùn)行上進(jìn)行關(guān)閉蒸汽管網(wǎng)的所有放空閥門，根據(jù)蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行情況，在確保蒸汽管網(wǎng)壓力穩(wěn)定的條件下，利用開工鍋爐負(fù)荷進(jìn)行微調(diào)平衡管網(wǎng)，逐漸關(guān)閉各壓力等級蒸汽管網(wǎng)的放空閥門。利用蒸汽管網(wǎng)高壓蒸汽到中壓蒸汽減壓閥合成氣壓縮機(jī)，調(diào)整高壓蒸汽管網(wǎng)壓力，確保高壓蒸汽放空閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)低壓管網(wǎng)運(yùn)行情況，利用低壓管網(wǎng)減壓閥調(diào)整低壓管網(wǎng)壓力，使低壓蒸汽放空閥門關(guān)閉。利用次中壓管網(wǎng)減壓閥門調(diào)整次中壓管網(wǎng)壓力，確保次中壓管網(wǎng)放空閥門關(guān)閉。確保中壓蒸汽用戶用汽量穩(wěn)定、高壓蒸汽壓力穩(wěn)定的情況下，進(jìn)行開工鍋爐負(fù)荷的微調(diào)，再利用加壓閥調(diào)整，關(guān)閉中壓蒸汽放空閥[6-7]。

2）優(yōu)化一、二段轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行，降低噸氨天然氣消耗。天然氣消耗是合成氨生產(chǎn)消耗主要指標(biāo)，一段轉(zhuǎn)化爐的天然氣燃料消耗占合成氨能耗的70%。優(yōu)化調(diào)整轉(zhuǎn)化工況，降低噸氨天然氣消耗在降成本裝置安全運(yùn)行等方面起著舉足輕重的作用。提高裝置系統(tǒng)壓力，提高工藝余熱的利用，天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個體積增大、吸熱反應(yīng)，低壓有利于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行，但提高壓力有利于工藝余熱的利用。2022年制約生產(chǎn)的瓶頸設(shè)備更新改造后，為裝置系統(tǒng)壓力的提高創(chuàng)造了有利的條件，利用提高合成氣壓縮機(jī)入口壓力的方式來提高轉(zhuǎn)化壓力，同時分別提高原料氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來提高出口壓力穩(wěn)定裝置負(fù)荷，提高轉(zhuǎn)化工段汽包產(chǎn)汽量，降低開工鍋爐運(yùn)行負(fù)荷，達(dá)到降低天然氣消耗的目的。轉(zhuǎn)化爐水碳比的高低也影響著燃料天然氣的消耗，優(yōu)化水碳比的調(diào)整，降低天然氣消耗，根據(jù)轉(zhuǎn)化工況的運(yùn)行情況制定水碳比優(yōu)化調(diào)整統(tǒng)籌，逐漸將水碳比從3.5調(diào)整到3.1，降低一段爐燒嘴燃料天然氣量消耗[8-10]。

合成裝置二段爐是大型化肥裝置利用反應(yīng)余熱的關(guān)鍵設(shè)備，作用就是空氣和工藝氣中的氫氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量工二段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行CH4蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，在二段轉(zhuǎn)化爐加入過量空氣，利用空氣來提高觸媒床層溫度，使二段爐出口CH4小于0.55%。通過控制一段爐出口溫度在770～785℃，出口CH4大于10%，降低一段爐熱負(fù)荷，將一部分一段轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到二段轉(zhuǎn)化爐中，降低噸氨天然氣燃料消耗，實(shí)現(xiàn)一段轉(zhuǎn)化爐的溫和操作。

在生產(chǎn)運(yùn)行中，當(dāng)合成系統(tǒng)內(nèi)的氮?dú)獬瑯?biāo)時，合成系統(tǒng)循環(huán)氣量增大，崗位人員就通過氫回收膜系統(tǒng)的旁路閥門增加弛放一部分弛放氣到一段轉(zhuǎn)化爐燃料氣系統(tǒng)，調(diào)整合成回路的氫氮比，使合成系統(tǒng)的反應(yīng)達(dá)到最佳狀態(tài)，這樣氫回收放出的弛放氣可以替代燃料天然氣，也是降低天然氣消耗措施。

3）優(yōu)化壓縮機(jī)運(yùn)行，降低蒸汽消耗。CO2壓縮機(jī)是抽汽凝汽式壓縮機(jī)，可以通過增加抽汽和減少冷凝液的用量來調(diào)整壓縮機(jī)的功耗，工況好的情況下，增加抽汽，減少冷凝，有利于節(jié)能。同時壓縮機(jī)制造廠商，積極對壓縮機(jī)低壓缸裝置進(jìn)行節(jié)能型轉(zhuǎn)子的更換，解決了低壓缸能力不匹配的問題。重新進(jìn)行了壓縮機(jī)防喘振曲線的標(biāo)定，運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，其運(yùn)行性能曲線處在合理狀態(tài)。對壓縮機(jī)低壓缸入口管線進(jìn)行了柔性支撐，防止了產(chǎn)生共振造成防喘振系統(tǒng)不穩(wěn)定，機(jī)組防喘振閥門關(guān)閉，使得壓縮機(jī)的運(yùn)行最經(jīng)濟(jì)。CO2壓縮機(jī)的用汽量及尿素裝置的用汽量降低，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4）優(yōu)化啟停泵，減少節(jié)電。在優(yōu)化蒸汽管網(wǎng)后，利用部分中壓蒸汽，積極將鍋爐給水泵蒸汽透平泵開起來，停止電泵為備用，另外將一段爐引風(fēng)機(jī)、冷氨泵等大型電動機(jī)改為變頻控制，既增加了運(yùn)行的控制穩(wěn)定，也節(jié)省了裝置用電。

5）有效操作和回收，降低脫鹽水消耗。降低脫鹽水消耗，主要是在加強(qiáng)工藝?yán)淠?、蒸汽冷凝液電?dǎo)指標(biāo)的監(jiān)控，對合成工藝?yán)淠浩崴姆€(wěn)定操作，對汽提蒸汽的流量進(jìn)行了要求，使汽提塔工藝?yán)淠褐械陌焙痛碱愲s物充分汽提掉，是工藝?yán)淠弘妼?dǎo)指標(biāo)達(dá)到脫鹽水的要求，可以回收利用。

另外加強(qiáng)中壓蒸汽、低壓蒸汽冷凝液的回收，利用部分閑置設(shè)備完善原有的蒸汽冷凝液回收系統(tǒng)，通過有效冷凝分離，將現(xiàn)場大量的蒸汽冷凝液回收，效果比較好，通過這些措施基本解決了脫鹽水消耗高的問題。

5 結(jié)論

通過各種節(jié)能措施，國產(chǎn)大型化肥裝置的綜合能耗水平，部分指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，部分指標(biāo)逐漸向設(shè)計指標(biāo)靠近。

國產(chǎn)大型化肥裝置是中國石油寰球工程公司，按照國際先進(jìn)水平設(shè)計的化肥裝置，實(shí)現(xiàn)低成本，高負(fù)荷連續(xù)生產(chǎn)。通過裝置的技術(shù)改造和對工況的指標(biāo)的優(yōu)化，加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)，班組員工的基礎(chǔ)管理等措施，減少了非計劃停車。2022年寧夏石化公司國產(chǎn)大型化肥裝置綜合能耗，比上年有較大幅度的降低，提高了能源利用率，實(shí)現(xiàn)裝置安全、可靠、平穩(wěn)運(yùn)行。