尿素裝置熱量回收及節能潛力分析

張云崗

(呼倫貝爾金新化工有限公司,內蒙古 呼倫貝爾 021506)

2021年9月,國家發改委發布《完善能源消費強度和總量雙控制度方案》,同年10月,國務院發布《2030年前碳達峰行動方案》,重點實施能源綠色低碳轉型行動、節能降碳增效行動、工業領域碳達峰行動等,表明了國家對降低能耗的決心。統計顯示,我國中型規模以上工業企業的用能量占全社會能源消耗的70%左右,因此必然成為關注的重點,對于化工企業來說,高耗能、低產出企業將會被加速淘汰,能耗水平將成為企業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,但金新化工尿素產品綜合能耗卻很高,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,而蒸汽占尿素產品綜合能耗的94.95%,對尿素產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,能有效降低尿素產品能耗,同時也具有較好的經濟效益。

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,送至高壓系統與氨進行反應,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有脫氫反應器,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閃爆的問題。其反應原理為氫氣與氧氣在催化劑的作用下生成水,該反應為放熱反應,經脫氫反應器后,二氧化碳氣體溫度提升約12 ℃。

尿素裝置高壓系統汽提塔是將合成塔來的液相中未反應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,該反應為吸熱反應,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見表1。

表1 二氧化碳氣體參數

改造流程簡圖見圖1。本改造項目所需監測指標均可通過現有在線儀表查看,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,則每年節約的蒸汽熱量如下:

Q節約=(2 799.02-905.24)
×1 000×4.5×24×330

=6.75×1010kJ

折算標準煤為2 303.48 t,按生產90萬 t/a尿素計算,可降低尿素產品綜合能耗2.56 kgce/t。按燃料煤年度熱值均值3 101.37 kcal/kg,鍋爐86%熱轉化效率計算,節約的燃料煤為:

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,年節能經濟效益達107萬元。

1.2 高壓調溫水熱量回收

1.2.1流程原理簡述

尿素裝置高壓系統中,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,其熱量由高壓調溫水移走,高壓調溫水為閉式循環水,其進高壓洗滌器溫度115 ℃左右(根據裝置負荷變化稍有變化),流量1 000 m3/h,經過高壓洗滌器的溫差大約在15 ℃,即達到130 ℃,再由高壓調溫水冷卻器E204換熱降低至115 ℃,然后再到高壓洗滌器換熱,如此反復。

金新化工設有一套換熱量為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計供汽壓力為0.45 MPa的飽和蒸汽,采暖水側設計供/回水溫度為110/70 ℃,共設置3臺采暖水循環泵,采暖水最大循環量為1 250 m3/h。

2.2.2熱量回收方案

尿素裝置高壓調溫水獲得的熱量由循環水移走,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,經實際測試,在環境溫度≥-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,節約了大量采暖蒸汽消耗。

由于高壓調溫水至原冷卻器E204需留有一定開度防凍,因此,高壓調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

折算節約標準煤量為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,年耗電量391 776 kW·h,增加能耗48.15 t標準煤,按年生產90萬t/a尿素計算,可降低尿素產品綜合能耗9.31 kgce/t。按燃料煤年度熱值均值3 101.37 kcal/kg,鍋爐86%熱轉化效率計算,可節約燃料煤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,年節能經濟效益為:

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

循環及蒸發系統見圖3,從尿素高壓系統汽提塔出來的尿液先后經過精餾塔和閃蒸槽,尿素濃度由53.9%提升至72.4%,再經過一段蒸發和二段蒸發,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、一段蒸發器、二段蒸發器底部都設有加熱器,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 循環及蒸發系統

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的液位調節閥,將蒸發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,將精餾塔循環加熱器、蒸發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

投用后蒸發二段加熱器回收的冷凝液溫度為166 ℃左右,精餾塔循環加熱器、蒸發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,折算標準煤量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,年耗電量307 692 kW·h,折算標準煤37.82 t,按90萬 t/a尿素計算,可降低尿素產品綜合能耗4.03 kgce/t。按燃料煤3 101.37 kcal/kg的熱值,鍋爐86%熱轉化效率計算,可節約燃料煤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,年節能經濟效益為:

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

1.4 小節

以上改造項目合計可降低尿素產品綜合能耗15.90 kgce/t,尿素產品綜合能耗降至150 kgce/t以內,可有效緩解尿素產品能耗高的問題,每年共計可節約燃料煤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濟效益,每年節能的經濟效益高達648.45萬元。

2 節能潛力分析

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能改造項目,有效降低了尿素產品能耗,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,持續降低尿素產品能耗。

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,有燃爆風險,考慮增加一臺風機,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溫水熱量,非采暖期熱量仍然浪費。兩洗裝置熱再生系統T04161塔設有一臺再沸器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,非采暖期將高壓調溫水回水(約130 ℃)引至兩洗裝置熱再生系統,新增一臺再沸器E04165A與E04165并聯,分擔其部分負荷,降低蒸汽消耗。另外,在E04161A/B后增加一臺換熱器,高壓調溫水經再沸器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約E04165的蒸汽消耗。高壓調溫水熱量利用后在兩洗裝置增加兩臺高調水輸送泵(一開一備),將高壓調溫水再送回尿素裝置,確保送回尿素裝置的高壓調溫水壓力達到運行工況要求。

圖6 高壓調溫水非采暖期利用示意注:紅色部分為改造內容

圖7 水解凈水熱量利用方案注:紅色部分為改造內容

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原料液換完熱后溫度約98 ℃,再經水解凈水冷卻器E801溫度降至50 ℃,一部分送至殼牌裝置(約55 t/h),一部分送至循環水(約35 t/h),總量為90 t/h。98 ℃水解凈水直接用循環水冷卻至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,送循環水系統的水解凈水仍經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,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運站,將五號轉運站蒸汽采暖改為水暖,冷凝液經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。8.0 MPa壓力的氣體直接放空,能量得不到利用?？梢钥紤]與節能公司進行交流,增加一臺類似風力發電機的設備,用高壓的二氧化碳氣體推動葉輪旋轉帶動發電機發電,由于其放空量極不穩定,需要進一步探究和論證,以尋求解決方案。

3 結語

節能降耗是企業的生存之本,本文通過深入分析尿素裝置各系統可回收的熱量,論證了尿素裝置巨大的節能潛力,且各項改造成本低,一年的節能效益即可回收成本。以較小的代價實現噸產品能耗降低,契合了國家的雙碳要求,實現企業高質量、綠色發展。