張云崗

(呼倫貝爾金新化工有限公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)

2021年9月,國家發(fā)改委發(fā)布《完善能源消費強度和總量雙控制度方案》,同年10月,國務(wù)院發(fā)布《2030年前碳達峰行動方案》,重點實施能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動、節(jié)能降碳增效行動、工業(yè)領(lǐng)域碳達峰行動等,表明了國家對降低能耗的決心。統(tǒng)計顯示,我國中型規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)的用能量占全社會能源消耗的70%左右,因此必然成為關(guān)注的重點,對于化工企業(yè)來說,高耗能、低產(chǎn)出企業(yè)將會被加速淘汰,能耗水平將成為企業(yè)核心競爭力的重要組成部分。

呼倫貝爾金新化工有限公司(以下簡稱金新化工)尿素裝置采用的是荷蘭Stamicarbon公司新一代2000+TM二氧化碳汽提法工藝,該流程相對傳統(tǒng)流程的最大特點是以池式冷凝器替換了原來的高壓甲銨冷凝器,合成塔體積減小,由于增加了脫氫裝置,工藝的安全性得以大幅提高,高壓洗滌器和0.4 MPa吸收塔安裝高度降低,整個尿素框架的高度也隨之降低。相比于上一代工藝,其整體物耗和能耗都有明顯降低。

雖然采用了較為先進的技術(shù),但金新化工尿素產(chǎn)品綜合能耗卻很高,2022年綜合能耗達到了165.27 kgce/t(截至10月),這主要是因為金新化工鍋爐較低的熱效率所致,以9.3 MPa,525 ℃高壓蒸汽為例,蒸汽理論能耗為117.54 kgce/t,實際能耗為139.5 kgce/t,而蒸汽占尿素產(chǎn)品綜合能耗的94.95%,對尿素產(chǎn)品綜合能耗的影響不言而喻。

1 熱量回收

通過深入分析,尿素裝置還有很多低品位能量未得到回收利用,雖然其熱值較低,但充分利用后,能有效降低尿素產(chǎn)品能耗,同時也具有較好的經(jīng)濟效益。

1.1 二氧化碳壓縮機四段出口提溫

1.1.1流程原理簡述

二氧化碳壓縮機是將二氧化碳提壓至14.6 MPa,送至高壓系統(tǒng)與氨進行反應(yīng),壓縮機共分四段壓縮,其中一、二、三段壓縮后需冷卻并分離掉水分后進入下一段壓縮。壓縮機二段出口還設(shè)有脫氫反應(yīng)器,作用是脫除二氧化碳氣體中的氫氣,防止過多的氫氣在高壓洗滌器中聚集而出現(xiàn)閃爆的問題。其反應(yīng)原理為氫氣與氧氣在催化劑的作用下生成水,該反應(yīng)為放熱反應(yīng),經(jīng)脫氫反應(yīng)器后,二氧化碳氣體溫度提升約12 ℃。

尿素裝置高壓系統(tǒng)汽提塔是將合成塔來的液相中未反應(yīng)的甲銨分解成氨和二氧化碳,再把其汽提出去,提高尿素濃度,該反應(yīng)為吸熱反應(yīng),需要供給大量的熱。汽提塔是尿素裝置蒸汽消耗最大用戶,在滿負荷狀態(tài)下,消耗2.0 MPa飽和蒸汽量為114 t/h,其中絕大部分供甲銨分解所需熱量,二氧化碳溫度經(jīng)汽提塔后溫度提升至185 ℃,也吸收了一部分蒸汽熱量。

1.1.2熱量回收方案

增加一臺氣-氣換熱器,將壓縮機四段出口的二氧化碳氣體與壓縮機二段出口(脫氫反應(yīng)器后)的二氧化碳氣體相互換熱,使壓縮機四段出口氣體溫度由105 ℃左右提升至140 ℃,再進入汽提塔,以節(jié)約汽提塔蒸汽消耗量,壓縮機二段出口二氧化碳氣體在換熱后還要經(jīng)段間冷卻器E102將溫度降低至34 ℃,因此,該股二氧化碳氣體在本項目中換熱后的溫度不做要求,壓縮機二段出口與四段出口二氧化碳氣體參數(shù)見表1。

表1 二氧化碳氣體參數(shù)

改造流程簡圖見圖1。本改造項目所需監(jiān)測指標(biāo)均可通過現(xiàn)有在線儀表查看,因此無需增加儀表,且本改造不新增任何能量消耗。

圖1 壓縮機四段出口提溫改造流程注:紅色部分為改造內(nèi)容。

1.1.3投用效果

改造完成并投運后,二氧化碳壓縮機四段出口溫度由105 ℃提升至136 ℃左右,汽提塔耗蒸汽量明顯下降,在滿負荷相同的情況下,投用后蒸汽消耗量降低約4.5 t/h。

汽提塔消耗的1.97 MPa的飽和蒸汽焓值為2 799.02 kJ/kg,1.97 MPa飽和蒸汽冷凝液焓值為905.24 kJ/kg,按尿素裝置年運行330 d計算,則每年節(jié)約的蒸汽熱量如下:

Q節(jié)約=(2 799.02-905.24)
×1 000×4.5×24×330

=6.75×1010kJ

折算標(biāo)準(zhǔn)煤為2 303.48 t,按生產(chǎn)90萬 t/a尿素計算,可降低尿素產(chǎn)品綜合能耗2.56 kgce/t。按燃料煤年度熱值均值3 101.37 kcal/kg,鍋爐86%熱轉(zhuǎn)化效率計算,節(jié)約的燃料煤為:

2 303.48×7 000÷3 101.37÷86%=6 045.48 t

按燃料煤不含稅價格176.99元/t計算,年節(jié)能經(jīng)濟效益達107萬元。

1.2 高壓調(diào)溫水熱量回收

1.2.1流程原理簡述

尿素裝置高壓系統(tǒng)中,尿素裝置高壓洗滌器的作用是將氣相的氨和二氧化碳冷凝成甲銨,該過程是放熱反應(yīng),其熱量由高壓調(diào)溫水移走,高壓調(diào)溫水為閉式循環(huán)水,其進高壓洗滌器溫度115 ℃左右(根據(jù)裝置負荷變化稍有變化),流量1 000 m3/h,經(jīng)過高壓洗滌器的溫差大約在15 ℃,即達到130 ℃,再由高壓調(diào)溫水冷卻器E204換熱降低至115 ℃,然后再到高壓洗滌器換熱,如此反復(fù)。

金新化工設(shè)有一套換熱量為54 MW的采暖機組,采暖換熱站布置在熱電裝置,采暖管殼式換熱機組設(shè)計供汽壓力為0.45 MPa的飽和蒸汽,采暖水側(cè)設(shè)計供/回水溫度為110/70 ℃,共設(shè)置3臺采暖水循環(huán)泵,采暖水最大循環(huán)量為1 250 m3/h。

2.2.2熱量回收方案

尿素裝置高壓調(diào)溫水獲得的熱量由循環(huán)水移走,形成熱量的巨大浪費,另一方面金新化工地處北疆,有7個月的采暖期,需用大量蒸汽為采暖水加熱。

高壓調(diào)溫水熱量回收利用改造流程見圖2,在尿素裝置新增一臺采暖換熱器和兩臺采暖水泵,將采暖水回水送至尿素裝置,與高壓調(diào)溫水進行換熱,采暖水換完熱后再送回至原管線,熱量不足時由熱電裝置采暖換熱站補充,再送至各采暖點。

1.2.3投用效果

尿素裝置新增采暖換熱站投用后,經(jīng)實際測試,在環(huán)境溫度≥-23 ℃時,熱電裝置采暖換熱器無需投用蒸汽加熱,即可供全廠采暖所需,節(jié)約了大量采暖蒸汽消耗。

由于高壓調(diào)溫水至原冷卻器E204需留有一定開度防凍,因此,高壓調(diào)溫水熱量可利用率約為90%,另一方面采暖期前期和末期,由于采暖水無需太高溫度,高壓調(diào)溫水熱量也得不到充分利用,按3月、4月、10月熱量利用率60%,1月、2月、11月、12月熱量利用率90%計算,可回收熱量計算如下:

Q高調(diào)水回收=cmΔt

=4.2[1 000×1 000×24(31+30+31)]
×15×60%+4.2[1 000×1 000
×24(31+28+30+31)]×15×90%

=2.47×1011kJ

折算節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤量為8 428.57 t,增加的采暖水輸送泵額定功率110 kW,按70%的實際功率,212 d的年運行天數(shù),年耗電量391 776 kW·h,增加能耗48.15 t標(biāo)準(zhǔn)煤,按年生產(chǎn)90萬t/a尿素計算,可降低尿素產(chǎn)品綜合能耗9.31 kgce/t。按燃料煤年度熱值均值3 101.37 kcal/kg,鍋爐86%熱轉(zhuǎn)化效率計算,可節(jié)約燃料煤22 120.75 t/a。按燃料煤不含稅價格176.99元/t,用電綜合成本0.292元/kW·h計算,年節(jié)能經(jīng)濟效益為:

22 120.75×176.99-391 776×0.292
=380.08萬元

1.3 蒸汽冷凝液熱量回收

1.3.1流程原理簡述

循環(huán)及蒸發(fā)系統(tǒng)見圖3,從尿素高壓系統(tǒng)汽提塔出來的尿液先后經(jīng)過精餾塔和閃蒸槽,尿素濃度由53.9%提升至72.4%,再經(jīng)過一段蒸發(fā)和二段蒸發(fā),最終將尿素濃度提升至99.5%后,送造粒裝置。這其中的精餾塔、一段蒸發(fā)器、二段蒸發(fā)器底部都設(shè)有加熱器,精餾塔加熱器采用0.4 MPa(實際控制0.43～0.5 MPa)飽和蒸汽,用量20 t/h左右;蒸發(fā)一段加熱器采用0.4 MPa(實際控制0.43～0.5 MPa)飽和蒸汽,用量35 t/h左右;蒸發(fā)二段加熱器采用壓力0.85 MPa,溫度180 ℃左右的飽和中壓蒸汽,用量大約10 t/h。

圖3 循環(huán)及蒸發(fā)系統(tǒng)

由于絕大部分蒸汽加熱的過程是利用蒸汽的潛熱,因此,換熱后的冷凝液溫度仍較高。目前,這三個加熱器的冷凝液均送至常壓罐V901,由于是常壓,在送進罐的過程中,冷凝液降壓閃蒸降,溫度降到100 ℃以下,閃蒸出的蒸汽需冷卻器E901冷卻成液態(tài)進入V901,形成熱量的浪費,這些冷凝液一部分供尿素裝置自用,剩余的送至熱電裝置的凝結(jié)水箱作為鍋爐補水。

1.3.2熱量回收方案

尿素裝置低壓汽包V904副產(chǎn)低低壓蒸汽,蒸汽溫度155 ℃左右,壓力0.43～0.5 MPa,其補液來自V901中冷凝液,補水量約30 t/h。熱電裝置除氧器在通入蒸汽的情況下,將凝結(jié)水及補水溫度迅速提升,達到飽和溫度,其中的氧氣便被分離出來,過程中消耗大量的蒸汽。蒸汽冷凝液熱量回收流程見圖4,增加三個冷凝液分離罐,將蒸汽冷凝液引入分離罐,其氣相連接至加熱蒸汽入口管線,此改造可防止冷凝液降壓閃蒸的問題,其進入分離罐中的溫度不會降低。再增加三臺冷凝液泵及相應(yīng)的液位調(diào)節(jié)閥,將蒸發(fā)二段加熱器冷凝液輸送至V904作為補液,替代部分V901來的補液,將精餾塔循環(huán)加熱器、蒸發(fā)一段加熱器冷凝液輸送至熱電裝置除氧器,以上三臺加熱器的冷凝液熱量便得到了充分利用。

圖4 蒸汽冷凝液熱量回收流程

1.3.3投用效果

投用后蒸發(fā)二段加熱器回收的冷凝液溫度為166 ℃左右,精餾塔循環(huán)加熱器、蒸發(fā)一段加熱器回收的冷凝液溫度為140 ℃左右,166 ℃蒸汽冷凝液焓值為701.92 kJ/kg,140 ℃蒸汽冷凝液焓值為589.44 kJ/kg,95 ℃蒸汽冷凝液焓值為398.01 kJ/kg,則每小時回收的熱量計算如下:

Q冷凝液回收=10×1000×(701.92-398.01)
+(20+35)×1000×(589.44-398.01)

=1.357×107kJ

按尿素裝置年運行330 d計算,每年回收的熱量為2.57×1010kcal,折算標(biāo)準(zhǔn)煤量3 667.34 t,三臺冷凝液泵額定功率分別為15 kW、18.5 kW、22 kW,按70%的實際功率,330 d年運行天數(shù),年耗電量307 692 kW·h,折算標(biāo)準(zhǔn)煤37.82 t,按90萬 t/a尿素計算,可降低尿素產(chǎn)品綜合能耗4.03 kgce/t。按燃料煤3 101.37 kcal/kg的熱值,鍋爐86%熱轉(zhuǎn)化效率計算,可節(jié)約燃料煤9 624.92 t,按燃料煤不含稅價格176.99元/t,用電綜合成本0.292元/kW·h計算,年節(jié)能經(jīng)濟效益為:

9 624.92×176.99-307 692×0.292=161.37萬元

1.4 小節(jié)

以上改造項目合計可降低尿素產(chǎn)品綜合能耗15.90 kgce/t,尿素產(chǎn)品綜合能耗降至150 kgce/t以內(nèi),可有效緩解尿素產(chǎn)品能耗高的問題,每年共計可節(jié)約燃料煤37 791.15 t,對降低金新化工總體能耗具有促進作用,同時也具有較好的經(jīng)濟效益,每年節(jié)能的經(jīng)濟效益高達648.45萬元。

2 節(jié)能潛力分析

雖然尿素裝置已相繼實施了二氧化碳壓縮機四段出口提溫、新增采暖換熱站、蒸汽冷凝液回收利用等節(jié)能改造項目,有效降低了尿素產(chǎn)品能耗,但距135 kgce/t的先進值仍有明顯差距,需進一步實施能量回收利用項目,持續(xù)降低尿素產(chǎn)品能耗。

2.1 尿素裝置4 Bar放空尾氣回收

4 Bar吸收塔尾氣放空量約1 800 Nm3/h,放空尾氣中含有較多具備燃燒熱值的組分,2022年6月6日至24日先后進行了11次組分分析,分析結(jié)果見表2。

表2 4 Bar吸收塔尾氣組分分析 (φ/%)

從表中可以看出,可燃氣體組分占比平均為15.9%,通過查看各可燃組分摩爾熱值,計算尾氣完全燃燒理論上放出的熱量為1.83×107kJ/h,約等于1.41 t燃料煤熱值。

可以將尾氣回收,分離掉其中的水分后送至熱電裝置鍋爐燃燒,降低其燃煤消耗,由于尾氣中含氧氣,有燃爆風(fēng)險,考慮增加一臺風(fēng)機,向尾氣中配入一定量的空氣,將可燃氣體占比降至爆炸極限范圍以下,初步改造思路見圖5。

圖5 4 Bar放空尾氣回收流程示意

2.2 高壓調(diào)溫水熱量深度利用

目前,尿素新增采暖換熱站項目僅能在采暖期利用高壓調(diào)溫水熱量,非采暖期熱量仍然浪費。兩洗裝置熱再生系統(tǒng)T04161塔設(shè)有一臺再沸器E04165,采用全廠0.6 MPa低壓蒸汽,蒸汽消耗量為22 t/h左右。

如圖6所示進行改造,非采暖期將高壓調(diào)溫水回水(約130 ℃)引至兩洗裝置熱再生系統(tǒng),新增一臺再沸器E04165A與E04165并聯(lián),分擔(dān)其部分負荷,降低蒸汽消耗。另外,在E04161A/B后增加一臺換熱器,高壓調(diào)溫水經(jīng)再沸器E04165A后與E04161A/B來的甲醇換熱,將甲醇溫度由81 ℃提升至約90 ℃,再進入T04161塔,甲醇溫度的提升同樣可節(jié)約E04165的蒸汽消耗。高壓調(diào)溫水熱量利用后在兩洗裝置增加兩臺高調(diào)水輸送泵(一開一備),將高壓調(diào)溫水再送回尿素裝置,確保送回尿素裝置的高壓調(diào)溫水壓力達到運行工況要求。

圖6 高壓調(diào)溫水非采暖期利用示意注:紅色部分為改造內(nèi)容

圖7 水解凈水熱量利用方案注:紅色部分為改造內(nèi)容

2.3 水解凈水余熱利用

自解析塔出來的水解凈水與水解系統(tǒng)原料液換完熱后溫度約98 ℃,再經(jīng)水解凈水冷卻器E801溫度降至50 ℃,一部分送至殼牌裝置(約55 t/h),一部分送至循環(huán)水(約35 t/h),總量為90 t/h。98 ℃水解凈水直接用循環(huán)水冷卻至50 ℃,形成熱量浪費,而殼牌煤氣化裝置需要用高溫水。

如圖8所示,在E801前引出一根管線,增加一臺泵將98℃的水解凈水送至殼牌裝置,使大部分水解凈水的熱量得到利用,送循環(huán)水系統(tǒng)的水解凈水仍經(jīng)E801換熱后送出。

2.4 包裝裝置蒸汽冷凝液回收

目前,包裝裝置五號轉(zhuǎn)運站、包裝樓一樓、三樓采用的是蒸汽伴熱,伴熱蒸汽為0.6 MPa全廠低壓蒸汽,采暖蒸汽換完熱后的冷凝液排至生產(chǎn)水池中,形成熱量浪費。由于包裝裝車站臺大門一直為開啟狀態(tài),采用水暖達不到采暖要求,且會造成暖氣片凍爆,因此必須采用蒸汽采暖。包裝樓采暖蒸汽管線為DN65,預(yù)估蒸汽消耗量10 t/h左右。

如圖8所示,可以在包裝裝置新增一個采暖蒸汽冷凝液收集罐,收集罐不設(shè)氣相,做保壓出力,防止熱量損失,新增一臺冷凝液輸送泵,將冷凝液先送至五號轉(zhuǎn)運站,將五號轉(zhuǎn)運站蒸汽采暖改為水暖,冷凝液經(jīng)水暖氣片后再送至尿素裝置冷凝液罐V901,通過P901送至熱電裝置凝結(jié)水箱。

2.5 新二氧化碳壓縮機四段出口放空能量利用

新二氧化碳壓縮機四段出口壓力為8.0 MPa,送至殼牌裝置使用,但殼牌裝置用氣量波動很大,目前,新二氧化碳壓縮機將負荷加滿,四段出口放空自控,閥位開度隨殼牌裝置用量而變化,放空開度0～57%波動,放空閥絕大部分時間處于開啟狀態(tài)。8.0 MPa壓力的氣體直接放空,能量得不到利用?？梢钥紤]與節(jié)能公司進行交流,增加一臺類似風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)備,用高壓的二氧化碳氣體推動葉輪旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電,由于其放空量極不穩(wěn)定,需要進一步探究和論證,以尋求解決方案。

3 結(jié)語

節(jié)能降耗是企業(yè)的生存之本,本文通過深入分析尿素裝置各系統(tǒng)可回收的熱量,論證了尿素裝置巨大的節(jié)能潛力,且各項改造成本低,一年的節(jié)能效益即可回收成本。以較小的代價實現(xiàn)噸產(chǎn)品能耗降低,契合了國家的雙碳要求,實現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量、綠色發(fā)展。