胡步千,張占一,施俊華,夏 智

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

我國(guó)人口眾多,傳統(tǒng)化石能源量相對(duì)不足,人均擁有量遠(yuǎn)低于世界平均水平。在百年未有之大變局下,我國(guó)正處在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型發(fā)展階段,并提出“2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”目標(biāo),由此對(duì)我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)提出了轉(zhuǎn)型要求?；ば袠I(yè)能耗高,碳排放總量巨大,節(jié)能減排任務(wù)艱巨。節(jié)能是緩解能源制約、減輕環(huán)境壓力、保障經(jīng)濟(jì)安全、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇,是實(shí)現(xiàn)國(guó)家“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的必經(jīng)之路,是提高人民生活質(zhì)量、維護(hù)中華民族長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的必然要求。

在煤制合成氨行業(yè)中,不同原料的煤制合成氨工藝路線各有差異,但主要包括原料氣制備、CO 變換、氣體凈化、壓縮氨合成、尾氣回收等工序,能耗主要由原料消耗、燃料消耗、蒸汽消耗和電力消耗等組成,因此對(duì)不同工藝技術(shù)路線進(jìn)行比較選擇和能耗分析,選擇合理節(jié)能的技術(shù)路線意義重大,符合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和要求。

1 氣化工藝技術(shù)選擇(針對(duì)粉煤氣化)

針對(duì)國(guó)內(nèi)多地區(qū)的“三高”煤種,煤氣化工藝更適合采用干煤粉氣化技術(shù)。本文的氣化技術(shù)比選針對(duì)干煤粉氣化技術(shù),水煤漿氣化工藝不在本文討論范圍內(nèi)。目前干煤粉氣化技術(shù)主要有兩大類,一類是干煤粉下行水激冷流程,一類是干煤粉廢鍋流程(對(duì)流廢鍋/輻射廢鍋)。

目前,國(guó)內(nèi)干粉下行水激冷流程應(yīng)用最為廣泛、業(yè)績(jī)更多,包括航天爐、SE-東方爐、神寧爐、AP爐(原殼牌)等。同時(shí),國(guó)內(nèi)干粉輻射廢鍋氣化爐有運(yùn)行業(yè)績(jī)的有山東潤(rùn)銀1臺(tái)3 500t/d規(guī)模的航天爐和浙江巴陵恒逸2臺(tái)2 000t/d規(guī)模的航天爐,該氣化爐近期開(kāi)車投料成功,仍處于裝置示范階段,有待長(zhǎng)期工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)證實(shí)其可靠性和先進(jìn)性,本文暫不比較。目前,國(guó)內(nèi)對(duì)流廢鍋氣化爐有長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行業(yè)績(jī)的為AP廢鍋流程氣化爐(原殼牌),而AP廢鍋氣化爐投資較高,對(duì)小規(guī)模氣化裝置而言經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差。

本文以貴州地區(qū)某合成氨項(xiàng)目為例,激冷流程和對(duì)流廢鍋流程兩類干煤粉氣化工藝的主要原料和公用工程消耗見(jiàn)表1(對(duì)應(yīng)CO+H2規(guī)模約為77 500Nm3/h)。

表1 激冷流程和對(duì)流廢鍋流程干煤粉氣化工藝原料和公用工程消耗對(duì)比

由上表看出,對(duì)流廢鍋流程氣化工藝比激冷流程副產(chǎn)更多中壓蒸汽,脫鹽水、循環(huán)水耗量及廢水排放量更少,壓縮氣體消耗及電耗更高,此外激冷流程合成氣的水汽比遠(yuǎn)高于對(duì)流廢鍋流程。

2 變換工藝技術(shù)選擇

根據(jù)粗合成氣組成及產(chǎn)品要求,變換裝置可采用的工藝主要有絕熱變換工藝、一段絕熱+一段等溫變換工藝及兩段等溫變換3種工藝。

一氧化碳變換工序一般分為變換反應(yīng)及余熱回收系統(tǒng)、冷凝液汽提系統(tǒng)和催化劑升溫硫化系統(tǒng)。無(wú)論是絕熱變換工藝還是等溫變換工藝,冷凝液汽提系統(tǒng)和催化劑升溫硫化系統(tǒng)基本是相同的,因此,本文僅針對(duì)變換反應(yīng)及余熱回收系統(tǒng)對(duì)比。

下面針對(duì)典型的激冷流程和對(duì)流廢鍋流程氣化產(chǎn)的粗煤氣為原料,以全絕熱變換工藝、一段絕熱+一段等溫變換工藝及兩段等溫變換工藝,在消耗/產(chǎn)出、投資等方面進(jìn)行對(duì)比。

2.1 針對(duì)典型干煤粉下行水激冷流程

(1)粗煤氣的規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 典型干煤粉下行水激冷流程粗煤氣規(guī)格

(2)采用3種不同一氧化碳變換工藝流程公用工程的消耗對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 典型干煤粉下行水激冷流程不同變換工藝公用工程消耗對(duì)比

由上表可知,不同變換工藝的消耗/產(chǎn)出指標(biāo),除了鍋爐給水和蒸汽之外基本相當(dāng)。兩段等溫副產(chǎn)中壓飽和蒸汽為40t/h,較前兩個(gè)變換方案多,同時(shí)兩段等溫變換工藝的阻力降最低,可降低后續(xù)氨合成過(guò)程中合成氣壓縮機(jī)的能耗。

但兩段等溫工藝只能副產(chǎn)中壓飽和蒸汽,相較前兩種可以副產(chǎn)過(guò)熱蒸汽的工藝,副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)較低,需結(jié)合全廠蒸汽平衡及下游用戶進(jìn)行綜合考慮,或者額外增加過(guò)熱手段以滿足用戶需求。

(3)投資估算對(duì)比。僅對(duì)3個(gè)變換方案對(duì)應(yīng)的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、催化劑費(fèi)用等設(shè)備總投資進(jìn)行對(duì)比,管道、儀表等其他費(fèi)用不做具體分析,對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 典型干煤粉下行水激冷流程不同變換工藝投資對(duì)比

兩段等溫變換方案比三段絕熱變換方案投資費(fèi)用多580萬(wàn)元,而副產(chǎn)蒸汽量增加4.9t/h,按蒸汽價(jià)格120元/t計(jì),采用兩段等溫變換方案,一年多即可收回投資差價(jià)。同時(shí),三個(gè)方案的循環(huán)水消耗和電耗接近,兩段等溫方案的消耗和阻力降最低、副產(chǎn)蒸汽量最多。因此,從經(jīng)濟(jì)性和能耗角度分析,激冷流程氣化工藝制合成氨變換工藝推薦二段等溫變換。

2.2 針對(duì)典型干煤粉對(duì)流廢鍋流程

(1)粗煤氣的規(guī)格見(jiàn)表5。

表5 典型干煤粉對(duì)流廢鍋流程粗煤氣規(guī)格

(2)采用3種不同一氧化碳變換工藝流程公用工程的消耗對(duì)比見(jiàn)表6。

表6 典型干煤粉對(duì)流廢鍋流程不同變換工藝公用工程消耗對(duì)比

對(duì)于干煤粉對(duì)流廢鍋流程來(lái)說(shuō),3種變換工藝的公用工程消耗趨勢(shì)與干煤粉下行水激冷流程類似。

(3)在氣化采用對(duì)流廢鍋流程時(shí),一段絕熱+一段等溫方案的余熱最多,如不考慮變換余熱完全利用時(shí),兩段等溫變換能效最高;如果一段絕熱+一段等溫的方案變換余熱能完全利用,則比兩段等溫節(jié)能。從設(shè)備總投資上比較,與激冷流程類似,兩段等溫變換要高于一段絕熱+一段等溫的方案。因此,從經(jīng)濟(jì)性和能耗角度分析,若變換余熱不能完全利用時(shí),干煤粉對(duì)流廢鍋流程氣化工藝制合成氨變換工藝推薦二段等溫變換;如果變換余熱能完全利用,推薦采用一段絕熱+一段等溫的方案。

2.3 變換深度的影響

(1)對(duì)于干煤粉下行水激冷流程來(lái)說(shuō),粗煤氣中水含量較高,在催化劑初期,變換無(wú)需連續(xù)額外補(bǔ)充蒸汽,無(wú)論采用哪種變換工藝,變換氣產(chǎn)品中的CO干基摩爾含量均可以達(dá)到0.7%或更低,即變換深度從1.5%降至0.7%,對(duì)蒸汽消耗影響很小(小于1t/h)。

因此,針對(duì)干煤粉下行水激冷流程,可提高設(shè)計(jì)變換深度至0.7%,以提高有效氣的利用率。

(2)以上述干煤粉對(duì)流廢鍋流程為例,由于煤氣中H2O含量較低,為了提高變換深度,需連續(xù)補(bǔ)入中壓蒸汽。以兩段等溫變換為例,經(jīng)過(guò)計(jì)算,如果將出口變換氣中CO干基摩爾含量從1.5%降至0.7%,需要多消耗13t/h的中壓飽和蒸汽,對(duì)應(yīng)的冷凝液汽提系統(tǒng)能耗也會(huì)增加。

同時(shí)由于出口換氣中CO干基摩爾含量從1.5%降至0.7%,產(chǎn)H2量更多,原料煤耗量可從51.63t/h降至50.81t/h,節(jié)約原料煤0.82t/h。

按小時(shí)消耗對(duì)節(jié)省的原料煤和消耗的蒸汽進(jìn)行折能綜合比較,0.82t原料煤折合463kg標(biāo)油小于13t中壓蒸汽折合1144kg標(biāo)油,而CO變換至1.5%的方案與變換至0.7%相比,雖然去下游低溫甲醇洗、液氮洗的工藝氣量和能耗也會(huì)略有增加,但遠(yuǎn)低于節(jié)約蒸汽的折能。因此,針對(duì)干煤粉對(duì)流廢鍋流程,不建議進(jìn)一步提高變換深度,以避免高能耗,變換深度可維持1.5%。

2.4 氣化加變換組合的比較

(1)針對(duì)變換來(lái)說(shuō),由于一段絕熱+一段等溫工藝的投資、能耗等均處于另外兩種工藝之間,因此,氣化加變換組合方案比較將研究全絕熱和全等溫變換工藝,與不同氣化工藝進(jìn)行組合比較。

以下對(duì)3種組合工藝流程進(jìn)行綜合比較。方案1:干煤粉下行水激冷+兩段等溫變換;方案2:干煤粉對(duì)流廢鍋+兩段等溫變換;方案3:干煤粉對(duì)流廢鍋+四段絕熱變換;3種方案的公用工程總消耗比較見(jiàn)表7。

表7 不同氣化、變換組合工藝公用工程消耗對(duì)比

由上表比較可以看出,3種方案對(duì)應(yīng)的煤耗、氧耗差別不大,采用等溫變換壓降低,對(duì)下游氨合成的合成氣壓縮機(jī)能耗降低很多。

(2)幾種組合方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表8。

表8 不同氣化、變換組合工藝主要優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

從綜合比較來(lái)看,變換工藝采用等溫變換節(jié)能效果優(yōu)勢(shì)明顯。在前幾年國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中,受當(dāng)時(shí)等溫變換技術(shù)發(fā)展、專利技術(shù)引用等原因影響,絕大多數(shù)采用的是多段絕熱變換工藝,能耗和投資都較高。

比較3個(gè)方案,其綜合能耗計(jì)算如下:

方案1:氣化+變換的能耗為:36.34GJ/t(NH3);方案2:氣化+變換的能耗為:30.20GJ/t(NH3);方案3:氣化+變換的能耗為:33.25GJ/t(NH3)。

(3)不同氣化、變換組合工藝綜合能耗對(duì)比見(jiàn)表9。

表9 不同氣化、變換組合工藝綜合能耗對(duì)比

經(jīng)過(guò)計(jì)算,在能耗方面,方案2能耗最低;在投資方面,方案3投資最高,方案1投資最低。

3 氨合成壓力選擇

氨合成工藝路線的核心為氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)生成氨,該反應(yīng)是放熱、體積縮小的可逆反應(yīng),反應(yīng)式如下:

△H0298=-46.22kJ/mol

反應(yīng)同時(shí)需要高溫、高壓和催化劑的作用,在工業(yè)生產(chǎn)中,整個(gè)氨合成工藝參數(shù)的選擇要綜合考慮到氨凈值、反應(yīng)溫度壓力、催化劑、原料消耗、能量回收及設(shè)備投資等因素,為此,工藝方案的選擇具有很強(qiáng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

通常來(lái)說(shuō),反應(yīng)壓力越高,氨合成的轉(zhuǎn)化率越高,氨凈值也高,但對(duì)應(yīng)的合成氣壓縮機(jī)功耗則會(huì)增加;反之,反應(yīng)壓力低,對(duì)應(yīng)的冷凍功耗大,氨壓縮機(jī)消耗高,同時(shí)這也與選定的催化劑在不同壓力下的活性有關(guān),因此合成壓力的選取需綜合考慮提高氨凈值和節(jié)能等多種影響因素。

針對(duì)中大型合成氨裝置(年產(chǎn)30萬(wàn)t及以上),普遍采用的是中、低壓合成工藝中的合成回路,操作壓力通常在13～16MPa之間,當(dāng)合成氨裝置年產(chǎn)100萬(wàn)t及以上時(shí),氨合成的壓力可提高至18～19MPa之間,合成壓力最終由合成專利商和選定的催化劑等綜合因素決定,一般來(lái)說(shuō),裝置規(guī)模越大,選取的合成壓力越高,綜合經(jīng)濟(jì)性越好。

4 氨合成余熱利用

根據(jù)項(xiàng)目的節(jié)能要求,在滿足工藝裝置要求的前提下,根據(jù)工藝余熱品位不同,可分別用于副產(chǎn)蒸汽、加熱鍋爐給水或預(yù)熱脫鹽水和補(bǔ)充水、有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電等,以實(shí)現(xiàn)能量供需和品位相匹配。

針對(duì)氨合成的余熱,一般可以全部預(yù)熱鍋爐給水,也可以全部副產(chǎn)蒸汽或組合進(jìn)行,主要由全廠蒸汽平衡配置和用戶決定。

一般來(lái)說(shuō),如采用激冷加絕熱變換工藝,合成的余熱用于預(yù)熱鍋爐給水后送變換廢鍋/全廠鍋爐統(tǒng)一生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽;如采用激冷加等溫變換工藝,合成的余熱和變換余熱可以一起生產(chǎn)飽和中壓蒸汽,蒸汽給裝置自用或外送界區(qū)。

5 綜合能耗

根據(jù)《高耗能行業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域能效標(biāo)桿水平和基準(zhǔn)水平(2021年版)》,以優(yōu)質(zhì)無(wú)煙塊煤為原料的合成氨單位產(chǎn)品綜合能耗標(biāo)桿水平為1 100kgce/t,基準(zhǔn)水平為1 350kgce/t;以非優(yōu)質(zhì)無(wú)煙塊煤、型煤為原料的合成氨能效標(biāo)桿水平為1 200kgce/t,基準(zhǔn)水平為1 520kgce/t;以粉煤為原料的合成氨能效標(biāo)桿水平為1 350kgce/t,基準(zhǔn)水平為1 550kgce/t;以天然氣為原料的合成氨能效標(biāo)桿水平為1 000kgce/t,基準(zhǔn)水平為1 200kgce/t。

截至2020年底,我國(guó)合成氨行業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗優(yōu)于標(biāo)桿水平的產(chǎn)能約占7%,單位產(chǎn)品綜合能耗低于基準(zhǔn)水平的產(chǎn)能約占19%,同時(shí)根據(jù)合成氨行業(yè)節(jié)能降碳改造升級(jí)實(shí)施指南的要求,到2025年,合成氨行業(yè)單位產(chǎn)品綜合能耗標(biāo)桿水平以上產(chǎn)能比例達(dá)到15%,單位產(chǎn)品綜合能耗基準(zhǔn)水平以下產(chǎn)能基本清零,行業(yè)節(jié)能降碳效果顯著,綠色低碳發(fā)展能力大幅增強(qiáng)。

6 結(jié)語(yǔ)

合成氨用途較為廣泛,除用于生產(chǎn)氮肥和復(fù)合肥料以外,還是無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)的重要基礎(chǔ)原料。合成氨行業(yè)規(guī)?；讲町愝^大,不同企業(yè)綜合能耗差異顯著,主要存在能量轉(zhuǎn)換效率偏低、余熱利用不足等問(wèn)題。通過(guò)氣化和變換工藝耦合優(yōu)化以及氨合成余熱的綜合利用,可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)合成氨行業(yè)節(jié)能降碳升級(jí)。