100kt/a合成氨装置搬迁改造工艺及设备小结

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  摘要:本文总结了美丰100kt/a合成氨装置搬迁改造工艺及设备特点,搬迁改造是工艺是成熟的,设备运行是可靠的,搬迁改造较好地解决了工艺冷凝液处理不合格、MDEA脱碳腐蚀、装置外送蒸汽不达标问题,并进一步降低了装置综合能耗。
  关键词:合成氨 搬迁改造 工艺 设备
  中图分类号:TQ113.2
  0 前言
  2011年4月,美丰100kt/a合成氨装置由四川德阳搬迁至新疆阿拉尔市重建,在重建过程中,针对原装置不足部分,进行了节能、安全环保等方面优化改造。
  搬迁原装置于2000年3月投产,它与公司同期建设的13万吨/年CO2汽提法尿素装置配套,是以天然气为原料,经加压脱硫连续催化转化,中低变换,MDEA脱碳、甲烷化,空气-氮氢气联合压缩,32MPa高压氨合成制取合成氨,公称设计能力:270吨氨/天,公称设计操作压力:一段炉进口3.0MPa。2000年3月投产后,装置实际生产能力迅速达到产氨330吨/天,后历年长期稳定运行产氨量在100kt以上,因此装置又名为100kt /a合成氨装置。
  搬迁改造后的合成氨装置设计能力为330吨/天,仍以天然气为原料,采用干法脱硫、3.0MPa压力下蒸汽转化、一氧化碳中、低温变换、MDEA脱碳、脱碳后的气体进入甲烷化去掉合成气中残余的CO和CO2、往复式压缩机压缩、14.0MPa合成氨的工艺,合成氨的弛放气经膜分离回收氢,其尾气作为一段炉的燃料。
  。
  1 工艺改造特点
  1.1 原料天然气流程灵活及节能
  搬迁前,原料天然气设置有天压机2台(1开1备,电机功率为450kw)和钴钼脱硫槽1台(脱硫剂6.75m?),在正常生产中均为必备设备。搬迁改造时,根据新疆当地天然气供气压力为6.9MPa和天然气含硫量低特点,取消了钴钼脱硫槽;只安装了1台天压机作长停后脱硫循环升温用,正常生产不用,如进厂天然气压力不能满足生产需要,可运行天然气压缩机补足负荷。此项改造,节约电耗29kwh/tNH3和节省钴钼脱硫剂费用40万元以上。
  1.2 设置一段炉烟道气烧嘴,补充全厂用蒸汽。
  搬迁改造时,考虑到搬迁重建地在冬季管理操作及检维修人员需供暖气、装置需伴热防冻,如果供暖伴热用锅炉运行出现故障,则可由一段炉烟道气烧嘴提供合成氨装置多产蒸汽的热负荷。
  1.3出压缩工序热工艺空气冷却及分离
  为杜绝压缩工序来工艺空气管道结碳及高温时发生火灾爆炸事故,本次搬迁改造时,在空气-氮氢气联合压缩机空气末级段出口新增了水冷器及分离器,保证了装置的安全稳定运行。
  1.4二段转化炉及转化废锅夹套脱盐水闭路循环
  搬迁改造时,将换热面积73.4m?的原中变气锅炉给水预热器作二段转化炉及转化废锅夹套热脱盐水的水冷器,实行了夹套脱盐水闭路循环,避免了原夹套脱盐水就地排放的浪费。
  1.5采用工艺冷凝液过热蒸汽汽提工艺,保证环保达标及全部回收
  搬迁前,低变气工艺冷凝液采用工艺天然气汽提工艺,由于设计缺陷,在满负荷时,天然气饱和塔只能处理60%低变气工艺冷凝液,余下40%则需外派,极大地增加了企业环保压力。
  搬迁改造时,更换采用工艺冷凝液过热蒸汽汽提工艺。改造装置投运以来,汽提后冷凝液NH3-N一直稳定在5PPm以下,冷凝液全部得到了回收。
  1.6 注重余热回收,提高装置外送中压蒸汽量
  搬迁前,吨氨外输2.5MPa中压蒸汽为1030kg,满负荷外输中压蒸汽总量为14.2t/h,不能满足配套尿素蒸汽用量,其差额仍有8.2t/h以上。
  在搬迁改造时,在详细热量平衡核算后,对锅炉给水和中压蒸汽系统流程重新进行了设计布置,将锅炉给水先进对流段余热至120℃,转化汽包给水先后经低变气、中变气、转化气预热,中变废锅给水先后经低变气、中变气预热转化汽包给水。
  改造后效果,满负荷时装置每小时外输2.5MPa中压蒸汽总量为24750kg,即吨氨外输中压蒸汽为1800kg。
  1.7 采用更科学合理的MDEA脱碳溶液新配方
  更改溶液配方,采用更为科学合理的新配方。溶液原配方为:(35%~45%,wt)MDEA + (3%~5%,wt)双活化剂(哌嗪及氮甲基单乙醇胺)+ 水,并加缓蚀剂V2O5。原配方会造成以下影响:①溶液不稳定,易氧化变质及溶质降解;②系统腐蚀加剧,溶液铁离子不断上涨,铁离子上涨超过300mg/l会生成钒铁沉淀,进一步加剧腐蚀及成块腐蚀产物生成,最终会造成全部溶液报废,不得不停车处理或更换全部溶液;③开车及正常生产定期添加V2O5,增加消耗。新配方:MDEA(45~50%wt)+复合强化剂(3~5%wt,4种溶剂,包括活化剂、抗腐蚀剂、抗沉积剂、抗氧化剂)+水,不再加缓蚀剂V2O5。新配方优点:①溶液稳定,不易氧化变质及溶质不易降解;②系统腐蚀微,溶液铁离子一般稳定在20mg/l以下,不会造成环境污染;③开车及正常生产不需添加V2O5,不会增加生产费用。
  1.8采用低压节能氨合成工艺
  氨合成是各合成氨装置的节能重点之一。本次搬迁改造,对原32MPa高压氨合成工序所有设备全部摒弃,由中国成达公司重新设计新建了1套14MPa低压氨合成流程系统。其中氨合成塔为φ1800X19010mm,冷壁,内件为三床全径向触媒框和两床内换热器。该工艺特点:1)降低合成气压缩功耗;2)合成塔阻力由1.2MPa降低为0.35~0.40MPa,及氨凈值提高3%以上,从而减少了循环量,降低循环压缩功耗,扣除冷冻冰机电耗的增加后,吨氨能耗可节省2.0~2.8GJ;3)设置开工加热炉,使得开车方便和平稳;4)流程设置上,考虑了补充气带油水尽可能除尽问题,驰放气设置在1#氨分离器后,补充气和1#氨分离气混合进入2#氨冷器(工艺气被冷却至-8℃)后进入2#氨分离器分离液氨及油水;5)水冷器采用蒸发式冷却器,节约了循环水消耗;6)补气油分离器、循环气油分离器及2#氨分离器采用微滤、超滤内件,使得分离效果更好。   1.9更改节能型冷冻油冷却方式
  冷冻冰机油冷却器由水冷更改为氨冷,节约了循环水消耗。
  1.10更改采用节能型集油器工艺
  氨合成和冷冻工序集油器加热介质由低压蒸汽更改为冷冻工序制冷压缩机出口80~90℃的气氨,吨氨可节约蒸汽24kg,即吨氨可节约天然气2标方,并吨氨可回收0.02kg制冷机冷冻油、0.01kg氨。
  1.11无动力氨回收采用MRC相变制冷工艺
  无动力氨回收工艺由膨胀机制冷工艺更改为MRC相变制冷工艺,使得系统运行更平稳、方便及负荷调节幅度更大,避免了膨胀机易坏及维修难弊病。
  2 设备改造特点
  2.1更改一段炉顶部烧嘴结构,减少燃料天然气消耗。
  一段炉顶部两外侧的两排燃烧器结构,解决其燃烧驰放气尾气火焰短、烧嘴处温度高易烧坏烧嘴、热量提供不足弊病,使其可同时适用于单独的天然气、或单独驰放气、或两者的混合气,从而将放空的驰放气尾气回收利用,达到节约燃料天然气的目的。改造后,满负荷运行时,吨氨可节约燃料天然气11Nm?。
  2.2更改一段炉对流段预热器,提高一段转化炉热效率
  搬迁前,一段炉对流段烟气余热回收盘管分别为混合气盘管、工艺空气盘管、饱和水盘管、饱和天然气盘管、原料天然气盘管、锅炉循环水盘管、工艺冷凝液盘管I、工艺冷凝液盘管II、燃料气盘管。其中出混合气盘管混合气温度为515℃,造成混合气进入炉管反应延后及燃料气增加;出工艺空气盘管工空温度为500℃,造成燃料气增加;实际燃料天然气量为工艺天然气量的43%;由于设计及设备缺陷,造成烟气排气温度高达170℃。
  搬迁改造时,全部更换对流段盘管,重新核算和布置各盘管,新的烟气余热回收盘管分别为混合气盘管、工艺空气盘管II、工艺天然气盘管III、蒸汽过热器、烟气中压废锅、工艺天然气盘管II、工艺空气盘管I、锅炉给水盘管、工艺天然气盘管I。其中出混合气盘管混合气温度为615℃,使得混合气进入炉管快速反应,可减少燃料气;出工艺空气盘管II的工空温度为600℃,减少了燃料气;实际燃料天然气量为工艺天然气量的37%;因设计核算准确及各预热器性能达标,使得烟气排气实际温度为有115℃,比设计值低10℃。
  以满负荷工艺天然气9000Nm?/h产13.75t氨计,吨氨节约天然气为39 Nm?。
  2.3改造空气-氮氢气联压机,满足装置生产能力
  第一、空气段
  新疆当地大气压仅0.08904MPa,加之空气进口消声过滤器的阻力损失,进入压缩机的压力最多只能按照0.081MPa进行设计。工艺空一级进气状态下打气量不低于120m3/min,四级排气压力不低于3.55MPa。另外改造后的设备空气段四列必须对称布置,四个双作用气缸各占一列,全部气缸均为双作用,每一级气缸独立为一列,取消原机空气三、四级呈级差布置。空气三级和四级气缸、活塞组件按照无油润滑进行设计改造。
  改造时,原机空气段气缸、活塞等全部去除,只保留原机空气段一到三级填料。重新设计制造一到四级气缸、活塞、气阀和四级填料组合。
  第二、氮氢气段
  改造后氮氢气的二级排气压力设计值不低于13.5MPa,打气量至少达到11.3m3/min(吸入状态下),改造时,在保证改造后的压缩机能安全运行的条件下,尽可能提高氢氮气段的打气量。改造时要将原机一、二级气缸缸套去除,重新镶缸套扩大原机气缸,重新配一、二级活塞和气缸盖;去除原机氮氢气第三级全部设备,并将氮一、二段对称布置。
  搬迁前空气-氮氢气联压机机型为6M25-97/35.5-10.8/23-314,搬迁改造后则为6M25-120/35.5-11.3/23-135,实际运行数据均达到设计值。
  2.4 MDEA脱碳系统技术升级改造,解决系统腐蚀问题。
  (1)搬迁改造时更换了吸收塔,新吸收塔设备参数如下:
  ①Φ2000/Φ2500× 45380,贫液段筒体厚22mm并内衬3mm,半贫液段筒体厚28mm并内衬3mm,筒体材质为Q345R,内衬0Cr18Ni9;
  ②贫液段填料高度:总高12.40m,分为两段,每段高6.20m;
  ③半贫液段填料高度:总高14.00m,分为两段,每段高7.00m;
  ④封头、变径段锥体材质也为Q345R+0Cr18Ni9。
  (2)保留再生塔和常解塔外筒体,将其内部散堆填料及其内件更换为不锈钢规整填料及相应塔内件。常解塔填料布置为:上下两段,两段高度与改造前高度相同均为6米;再生塔填料布置为:上下两段,两段高度均由6米缩减为5.25米。
  (3)淘汰了1台原效率低的半贫液泵,增加了2台265m?/h的半贫液泵,将半贫液的循环量加大。
  (4)重新布置贫液泵位置,缩短贫液泵进口管线,减少管道阻力;在保证CO2再生塔与常压解吸塔位差前提下,将常压解吸塔安装标高提高了300mm,从而提高贫液泵进口贫液位差。
  (5)经全厂热量平衡核算,在低变气再沸器前增设了1台低变气锅炉给水预热器,换热面积为83.86m?,用于回收富余低变气低位余热。
  2.5 MDEA脱碳系统搬迁改造实施效果
  在保证原始开车清洗彻底前提下, MDEA脱碳系统搬迁改造新装置投运半年后效果(满负荷)如下:
  ①脱碳液分析数据:铁9.0mg/l,总胺501g/l,CO21.1l/l;泡高6cm,消泡时间为15s;
  ②半贫液泵及贫液泵节电12kwh/tNH3;
  ③增设低变气锅炉给水预热器,多产2.5MPa饱和中压蒸汽150kg/吨氨;
  ④回收处理溶液和更改溶液配方(弃用V2O5),减少溶剂及助剂一次性费用百余万元,并减少正常运行定期补加助剂费用30余万元/年。
  2.6 氨储罐改造,节约用地和便于重大危险源监控
  改造前,氨储罐为2台100m?及2台200m?卧式储罐,不仅占地面积大,而且容积小,不能满足安全生产需要,更不利于重大危险源监控。改造时重新设计布置了2台球形氨储罐,每台容积为650 m?,则较好地解决了这些问題。
  3 结语
  美丰100kt/a合成氨搬迁改造装置经过2012年10月原始开车及其后的试生产,证明搬迁改造的合成氨装置生产工艺是成熟的,动静设备运行时可靠的。装置搬迁改造,首先解决了原低变气工艺冷凝液处理不彻底、不能全部回收机外排超标环保隐患;其次成功解决了MDEA脱碳系统腐蚀顽症;第三吨氨外送中压蒸汽达到了1.8吨,实现了合成氨与尿素装置自身蒸汽平衡;第四实现了节能型改造,改造后装置吨氨天然气消耗由搬迁前的968Nm?降低为880 Nm?,吨氨电耗由880kwh降低为800kwh。
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