60万t/a合成氨系统变换装置“零蒸汽”消耗优化设计

(山东三维石化工程股份有限公司上海分公司，上海 200233)

近年来，以煤为原料生产合成氨的煤化工工艺得到了大力的发展。其中，粉煤气化技术凭借其能耗低、有效气含量高等特点，在近期国内新建或原料路线升级改造的大型合成氨装置中得到了广泛应用。某化肥厂进行原料路线改造，用粉煤气化炉替代原有固定床气化炉，配套建设的变换装置采用绝热变换+绝热变换+水移热控温变换的三段中、低温耐硫变换技术。

由于粉煤气化的粗煤气中CO干基含量可以达到65%(v)以上，甚至可达到70%(v)，水气比仅在0.79左右。合成氨生产中需要进行CO完全变换，因此，需在粗煤气中补充一定量的水或蒸汽来提高水气比以满足变换反应的需要。笔者就60万t/a合成氨装置的设计优化探讨了如何通过优化热量回收工艺，达到变换装置“零蒸汽”消耗。

1 气化粗煤气组成

60万t/a合成氨原料路线改造配套建设的三段中、低温耐硫变换主要操作参数见表1。

表1 主要操作参数

续表

2 CO变换反应热

CO变换工艺的基本原理是CO和水蒸气在一定的压力和温度条件下，在催化剂的作用下发生变换反应，并放出大量的反应热，其反应方程式如下：

ΔHΘ298=-41.19 kJ/mol

变换反应的反应热随温度的升高而减少，其关系式为：

Q=10861-1.44T-0.4×10-4T2+8×10-8T3

其中，Q为反应热，kcal/kmol；T为温度，K。

生产中，当变换炉升温结束，转入正常生产后，即可利用反应热来进行连续生产，而变换反应为平衡反应，达到反应的平衡温距后，反应将无法继续进行，因此需要通过冷媒介质将产生的反应热移除，三段变换反应所产生的反应热见表2。

表2 变换反应器放热量(25℃标准反应热)

通过上表计算结果，每段反应均有大量的反应热产生，如何合理利用变换反应所产生的反应热对整个合成氨装置的节能降耗有着非常积极的作用。一般设计思路为高品位热量用于副产蒸汽，低品位热量用于预热脱盐水、锅炉水等供其他装置使用。然而，对于4.0 MPa(g)煤气化配套变换装置一般副产蒸汽的压力在4.0 MPa(g)以下，由于没有过热热源，这部分蒸汽无法作为动力蒸汽使用，仅能用于一般的化工用汽，利用价值不高；另一方面，变换需要补充大量的水或者蒸汽来满足反应需要，若采用补入蒸汽来提高水气比，需补入过热动力蒸汽。消耗大量的过热动力蒸汽而产出大量的饱和蒸汽，这对于企业产品节能降耗非常不利。从工艺设计的角度来说，非常不合理。针对这一问题，考虑在设计中利用好变换自身反应热，做到变换装置“零蒸汽”补入，达到节能降耗、降低生产成本，提升企业竞争力的目标。

3 变换装置热平衡分析

3.1 变换装置外供热量分析

变换装置作为全厂的“供热心脏”需通过冷媒质将反应热合理地供给其他装置，结合工厂的实际需求，需要考虑以下供热：①需要向气化装置供应180 ℃锅炉水20 t/h，供180 ℃以上高温工艺冷凝液100 t/h；②需向锅炉供应110 ℃热脱盐水700 t/h；③剩余热量用于副产蒸汽，并入厂内蒸汽管网，厂内现有饱和蒸汽管网分别为2.5 MPa(g)、1.27 MPa(g)、0.5 MPa(g)或0.3 MPa(g)。

3.2 变换装置自身耗热量分析

粉煤气化变换入口水汽比仅0.79，不能满足合成氨装置变换深度的需求。为了满足合成氨装置变换反应深度要求，需要提高合成气的水气比。传统变换一般采用补入过热动力蒸汽的方式来满足水气比的要求。但是，由于变换装置无蒸汽过热热源，仅能副产饱和蒸汽，这就造成了补入高品位的过热蒸汽，副产低品位的饱和蒸汽，从装置操作经济性角度考虑是非常不合理的。

针对以上问题，设计中将锅炉水通过冷激汽化器的高速喷头雾化后直接与高温变换气混合，通过高温变换气将锅炉水直接气化。在冷激汽化器下层设有鲍尔环填料层，确保了出冷激汽化器的变换气中不含游离水，而补水用高温锅炉水来自3#变换炉后的锅炉给水预热器，有效地利用了变换低品位热量。且补水后的变换气的水气比仍未达到饱和状态，不会存在游离水析出催化剂结块的风险。补水前后变换水气比变化情况见表3。

表3 水汽比对比

通过以上分析可知，合理回收变换装置的热量对整个合成氨装置的设计有着非常积极的意义。变换装置热量回收方案主要思路有以下2点：①最大限度地回收高品位热量，提高回收能量的品质；②满足不同厂区的公用工程需要。60万t/a合成氨原料路线改造项目三段变换反应的反应热总量约为2.5×108kJ/h(25 ℃标准反应热)，综合考虑项目节能及工厂实际需求，流程中需设计变换炉进料换热器、工艺冷凝液预热器、中压废热锅炉、锅炉给水预热器、脱盐水预热器及变换水冷器。各热交换设备操作参数及热负荷见表4。

表4 热负荷表

4 变换装置工艺流程设计

对于整个变换反应，进口CO含量及出口CO指标确定后，整个反应热基本不变。不同工程项目有着不同的能耗需求，针对该厂的实际情况，对全厂热平衡计算后，设计变换装置工艺流程。来自气化装置的合成气经1#气液分离器分离冷凝下来的工艺冷液后，经变换炉进料换热器预热到约240 ℃，经脱毒槽去除灰尘等后送入1#变换炉；经部分变换后的变换气中的CO干基含量约为24.92%(v)，温度约为443 ℃，此变换气首先经变换炉换热器预热粗煤气后，经工艺冷凝液加热器加热送气化装置洗涤塔的工艺冷凝液，出工艺冷凝液加热器的变换气温度约为348 ℃，经1#冷激汽化器补入锅炉水后，将水汽比调整到0.5，温度230 ℃送2#变换炉；出2#变换炉的变换气温度约为367 ℃，先经过中压废热锅炉副产2.5 MPa(g)饱和蒸汽后，变换气进2#冷激汽化器调节水汽比后进3#水移热控温变换炉，出3#水移热控温变换炉的变换气中CO干基含量约为0.4%(v)，温度约为200 ℃。此变换气经锅炉给水预热器、低压废热锅炉、2#气液分离器、脱盐水预热器、3#气液分离器、变换水冷器后经洗氨塔洗涤后送下游脱硫脱碳装置。

上述流程在满足整个合成氨装置供热需求同时，也实现了变换装置“零蒸汽”补入的工艺设计。且在此基础上尽量副产高品位的蒸汽供全厂其他装置达到热量的合理利用目标。

5 结语

(1)利用变换高位热能汽化变换低温热能预热后的高温锅炉水，高效地利用了变换装置低位热能。

(2)变换装置作为整个合成氨装置的“供热心脏”，合理分配、利用反应热对整个合成氨系统的节能降耗有着非常积极的作用；装置设计充分利用了变换反应热，保证了整个合成氨装置及其配套设施的用能需求。

(3)变换装置调节水汽比若全部采用蒸汽，需消耗9.8 MPa(g)，525 ℃的动力蒸汽约70 t/h，而仅能多副产出2.5 MPa(g)或0.5 MPa(g)的低压饱和蒸汽约80 t/h；此部分蒸汽利用价值不高。以发电计，9.81 MPa(g)的蒸汽背压到2.5 MPa(g)，每吨蒸汽可以发电71 kW·h；每小时可以发电4 970 kW·h；以装置年运行7 200 h计，每年节约的高位热能约可发电3.58×107kW·h。

(4)以该厂所在地工业用电0.6元/kW·h的价格计，年节约生产成本2148万元，吨氨成本下降了约35.8元，对于企业节能降耗有着积极的意义。