“18.30”装置技术方案的选择与实施.doc

“18.30”装置技术方案的选择与实施李孟璐(山东化工规划设计院) 2008-01-02“18.30”泛指年产18万吨合成氨、30万吨尿素的生产装置，是“十五”以来，中小氮肥厂新建、扩建工程普遍采用的比较适宜又较经济合理的建设规模。从2001年至今已建成、投产的装置近20套，大多数都投产顺利，运行稳定，经济技术指标比较先进，取得了较为理想的经济效益。但也有个别装置其运行效果、特别是投入、产出比不太理想。 目前，不少厂还在建设第二套甚至第三套“18.30”装置，虽然建设的规模大体相当，但其技术路线各厂不尽相同，就是同一个厂所建的装置也前后有别，大多不是简单重复1+1的模式。现以山西晋城天泽公司(原晋城第二化肥厂)已建成的两套“18.30”装置和正在建设的第三套“18.30”装置为例介绍其技术路线和建设实施情况。1 第一套“18.30”装置简介： 第一套“18.30”装置是晋城二化为发挥其原料无烟煤的地域优势，于2002年3月在兼并原解放军6013厂的厂址处开工建设的生产装置。 这套装置是在充分总结该厂“8.13”工程的基础上，多方调研、认真分析选择，采用了当时氮肥行业的各项先进技术，以充分发挥本地原料煤优势为理念，应用了全低温变换、醇烃化气体精制工艺、CO2汽提法尿素生产工艺及海德鲁大颗粒造粒等技术，总投资3.6亿元，新上设备600余台套。整个工程分两期建设，首期12万t/a合成氨配套工程2002年12月投入运行，二期合成氨和尿素工程先后于2003年11月和12月建成，尿素装置12月25日引氨开车，26日产出合格大颗粒尿素，整个工程42天即达到设计能力，第一年生产尿素32万t。目前最高月产量达到4.15万t。该装置投产三年来的业绩如下： 氨产量(吨) 尿素产量(吨) 甲醇产量(吨) 装置利润(万元)2004年 199180 320000 14300 120002005年 240400 407500 18960 178902006年 259885 442102 28448 15940 该装置的工艺路线是： 直径2610mm煤气发生炉1万m3气柜煤气除尘、净化罗茨鼓风机静电除焦气体净化压缩机一、二段全低温变换变换气拷胶法脱硫压缩机三、四段碳丙脱碳原料气精脱硫压缩机五、六段醇烃化气体精制压缩机七段氨冷除油水氨合成CO2汽提尿素海德鲁大颗粒造粒。 本装置一期保留了部分原6013厂的老设备(如1.5万吨/a变换改造到6.0万吨/a)，故二期工程与一期配套，变换压力仍为0.8MPa,合成压力30MPa。 其工艺特点是： 低成本高质量制取脱盐水、全方位采用先进技术的煤气系统、多级煤气除尘净化、取消半水煤气脱硫、强化变换气脱硫、全低温变换、醇烃化原料气净化、JD2000氨合成、改进型CO2汽提尿素生产、流化床大颗粒造粒。 由于整个装置配套比较科学合理，设备选择稳妥可靠，操作管理到位，因此，实际运行效果十分理想，不到三年就收回了全部建设投资。特别是首次采用的醇烃化气体净化技术，完全取代了铜洗净化工艺，根本解决了合成氨原料气精制净化系统氨氮污染问题；CO2汽提尿素生产工艺占地小、能耗低、运行稳。总之，所采用的各项新技术都充分显示了其技术优势。2 第二套“18.30”装置 2005年下半年开始着手筹建第二套“18.30”装置。虽然对建设者来说第二套与第一套相比有轻车熟驾的优势，有的甚至说复制比重新设计来得更快、更省。到底如何建设第二套“18.30”装置，晋城二化的决策者按照工程建设的指导思想，即以节能降耗、低成本、稳定运行为中心，节省投入，缩短建设周期，突出企业经济效益，达到投资少、投产快、运行好、效益高的建设目标，在认真分析总结第一套装置建设和运行经验、明确存在问题和不足的基础上，进一步优化技术路线，确定本套装置的技术方案。2.1 装置规模 企业发展常说要做大做强，到底多大为宜，怎样才能做强，应根据企业的长期发展目标制定分步实施计划。这个计划要有可靠的技术保证和资金保证，项目一定要建得快，建得好。 晋城二化第二套“18.30”装置确定的建设规模为年产24万吨合成氨、40万吨尿素、6万吨甲醇、联产1.2万吨三聚氰胺，即简称为“24、40、6、1.2”工程。 合成氨规模确定为24万吨是为了满足40万吨尿素生产能力的需要。通过第一套装置的实践证明，原设计的30万吨的CO2汽提尿素装置高压圈设备有较大余量，仅需对个别设备进行调整；对配套机、泵和低压分解、低压吸收及蒸发部分作针对性的核算和配套；并融入水溶液全循环的有关节能降耗的先进技术措施，装置的生产能力提高到日产尿素1300t，CO2汽提塔的汽提效率和高压合成与分解的各项指标都处于比较理想的状态，整个装置能够达到高产、低耗、长期经济稳定地运行。 因受当地甲醇市场销售的限制，本装置不要求高的甲醇产量，仍以净化、精制原料气为目的，保持最经济的联醇生产规模，仅把变换剩余的CO使之合成甲醇作为副产品，这样既优化了合成氨的生产工艺，又得到了一定量的甲醇产品；同时部分甲醇去本厂的甲醛生产装置生产甲醛，供应本厂和本地大颗粒尿素生产的需要，省去了采购、运输、贮存等环节，有利于降低尿素的生产成本。 1.2万吨/a三聚氰胺采用与尿素生产联产、融熔尿素为原料，低压改良法三胺生产技术。2.2工艺路线特点 与第一套“18.30”装置相比，本套装置的主要工艺技术特点是： (1)进一步加强半水煤气的除尘、净化 半水煤气的除尘、净化是合成氨生产气体净化的第一关。本工程煤气的净化在强化洗涤造气煤气的基础上实施四级净化措施(第一套为三级)。第一级在半水煤气气柜出口设湿式除尘塔；第二级于罗茨鼓风机前设静电除焦器；第三级于罗茨鼓风机后设湿式除尘塔；第四级于压缩机前再设静电除焦器。由于变换压力提高，为防止煤气中H2S等酸性气体的腐蚀，设置了半水煤气脱硫系统(第一套无半水煤气脱硫)。由于层层把关，保证了半水煤气的净化，压缩机一段气阀使用周期可达三个月以上，因而压缩机的实际运行能力超过设计产量。 (2)变换、变脱、脱碳压力统一为2.1MPa 为进一步节能降耗，使合成氨生成工艺更合理，采用六段压缩机，变换、变脱、脱碳压力统一为2.1MPa。 变换仍采用运行最节能、投资较省、生产能力大、技术成熟且该厂有较长期的操作和管理经验的全低变工艺。因为操作压力提高，与0.8MPa全低变不同的是： 取消了饱和热水塔。全低变工艺中，变换气中过量蒸汽已很少，利用饱和热水塔回收潜热的意义已经不大，装置不设饱和热水塔，除热交换器外，无段间调温水加热器(采用喷水降温)使其工艺流程更简单，操作更方便、更容易；又使变换系统的水、气处于“有氧则无水，有水则无氧”的状态，大大减轻了设备的酸性腐蚀，也杜绝了因饱和塔带水引起的热交换器腐蚀及催化剂粉化等问题。 取消饱和热水塔还有利于降低系统阻力，提高压缩机的出力率，并节省了饱和塔的热水循环用电及热水排放的能耗损失。 变脱由于要求半水煤气进全低变有一定的H2S含量和全低变对有机硫较强的转化作用，变换气中H2S含量较高，为了保证脱碳的良好运行和减轻精脱硫的负荷，必须做好变换气脱硫。0.8MPa的变脱工艺比较成熟，能达到脱硫后不设干法脱硫把关，变脱后H2S含量10mg/m3的较好脱硫效果，且系统能长周期稳定运行。针对2.1MPa的变换气脱硫系统的特点和在一些厂家出现的实际问题，设计中采取了必要的措施，主要有： 首先，变脱的操作压力提高，对于脱硫塔的设计来说气体的脱硫效率比较容易达到，但吸收压力不同，反应的液/气比有变化，因此脱硫塔的直径及其内部各部件不能简单地按比例缩小，特别是气、液相在气、液分布器开孔的流速要适当，开孔小，流速大，不但造成阻力增大而且易引发气体带液；另外，在满足脱硫效率的条件下还要适当控制填料层高度；适当加大填料层上部的分离空间。 其次，变脱压力提高，脱硫液吸收CO2的能力提高，富液中CO2量增加，当富液进入自吸喷射器时呈负压状态，CO2气体释放，影响自吸空气量，不利于再生；而且由于富液进入再生喷射器可利用脱硫塔的余压，省去了富液槽和再生泵，但为了延长脱硫液的停留时间，保证脱硫液中HS-继续转化为单质硫，因此2.1MPa变脱塔出塔富液设置了闪蒸槽，并考虑了闪蒸出气体的回收措施。 第三，变换气入变脱塔和出变脱塔一定要有气液分离装置，而且由于温度较高的变脱气不再经压缩机加压冷却后再进脱碳塔，因此进脱碳前应增设气体降温冷却器，以保证丙碳脱碳效果和稳定系统的水平衡。 其他如再生槽、自吸空气喷射器以及硫回收等都要根据工况精心设计。能确保变脱后气体中H2S10mg/m3，一般在5mg/m3，因此仍不设置干法脱硫。 (3)为了尽量降低氨合成的能耗，认真分析比较了1530MPa氨合成的综合能耗(包括压缩功、循环气压缩功、冷冻功)情况，结合设备制作、安装等各方面因素，最终确定本装置合成操作压力控制在2225MPa，使合成氨工序处在低压轻负荷、高净值、长周期、低能耗状况运行，为此，合成氨工段继续采用湖南安淳公司的技术成果，配置双套1600JD2000氨合成系统。目前日产氨810t820t，循环气甲烷2123，合成系统压力22MPa，显示出操作弹性大，催化剂床层温度分布合理、压力低、系统阻力小等优点。 (4)三聚氰胺与尿素实现联合生产的工艺 三聚氰胺(以下简称三胺)是以尿素为原料进行深加工的有机化工产品，近年来三胺生产中的废气、废液均得到了有效利用和治理，符合国家清洁生产的要求。 与尿素联产的低压改良法三胺生产工艺 三胺生产采用改良低压法三胺生产工艺，以尿素为原料，在一定温度、压力下转化为 三胺，同时放出CO2和NH3，这部分CO2和NH3必须进行回收。常用的方法是生成碳化氨水或联产碳铵产品；如果和尿素联产，将尾气回收制成能制取尿素的浓甲铵液，一方面可直接利用尿素生产装置的熔融尿素去三胺作原料，省去尿液造粒、输送、包装及颗粒尿素加热熔化为熔融尿素等工序，节省了加热蒸汽；另一方面又回收三胺放出的CO2和NH3。 生成三胺的反应式： 6CO(NH2)2C3N6H6+3CO2+6NH3+640kJ 从反应式看，三胺产量只占尿素原料量的35，其余65为CO2和NH3副产品，怎样回收利用副产品是三胺生产中决定产品成本价格的主要因素。 如果采用高压法三胺生产工艺，副产物以甲胺形式存在，可直接回尿塔，再生成尿素，其生产成本低，但同样规模装置的投资是常压一步法生产工艺的五倍多。 常压一步法中，虽尾气回收装置投资低，但要解决尾气回收再生成尿素的问题。 本装置采用来自尿素工序的熔融尿素作原料，就地取材，运输方便；三胺尾气经载气机送至CO2汽提尿素装置的低压甲铵冷凝器，经冷凝生成浓甲铵液后去尿素高压系统合成尿素。 三胺与尿素联产的优势 本项目利用改良低压法三胺生产工艺，技术上可靠、成熟。 三胺尾气回收制成高浓度的甲铵液再合成尿素，作为三胺的原料重新利用，使得每生产一吨三胺用尿素由3.3吨降到仅需1.85吨，消耗和成本大大降低，使以尿素为原料的三胺生产工艺更为合理。 尾气处理制成浓甲铵液，用于合成尿素大大降低了主要原材料的消耗，消除了尾气制碳化氨水产生的环境污染问题，改善了环境，既产生明显的经济效益，又有较好的社会效益，为三胺规模化生产打下基础。 以上是第二套装置中的主要工艺特点，装置中强调尽量用足用好各项节能减排的技术措施：如吹风气回收系统采用3.8MPa中温中压蒸汽背压发电后的0.4MPa过热蒸汽送造气系统；造气污水的微涡流水处理系统；尿素的深度水解系统；膜分离提氢；脱碳和变脱液的能量回收及闪蒸气的回收等等都得到应用。2.3 建设和运行概况 该装置2006年3月25日土建(地基处理等基础工程先完成)开始动工，经过10个月的紧张建设，2007年元月23日18：30生产出合格的大颗粒尿素，30天即达产达标。目前合成氨日产量820t，甲醇110t，尿素1380t，合成氨综合电耗1200KWth/tN，比第一套装置低150kwh/tN。尿素耗氨575Kg/tUr,耗电180Kwh/tUr(包括尿素循环水用电、大颗粒造粒用电)。 工程总投资6.8亿元(其中三胺0.8亿元)。3 在建的第三套装置 晋城二化自2000年开始的七年中，成功实施了一套“8.13”、两套“18.30”的建设，从没有尿素到具有年产100万吨大颗粒尿素的生产能力。 自2006年底开始，结合原晋城二化老厂的搬迁，又开始筹备新的工程建设。本次搬迁改造工程计划总投资20亿，拟建合成氨50万吨/a，尿素80万吨/a，甲醇20万吨，双氧水2万吨/a甲胺5万吨/a。 一期工程总投资9.8亿，建设规模为：年产24万吨氨、40万吨尿素、20万吨甲醇，2007年开始启动，2008年6月新装置建成投产后同时停下老装置进行搬迁，尽量减少停产造成的经济损失。3.1 工艺路线特点 第三套装置的工艺技术路线与第二套的主要区别是：为了使氨合成系统的变换、变脱、脱碳、氨合成等工序单系列配置即达到24万合成氨的生产能力，又考虑不使设备直径超出运输所允许的界限、综合压缩机段间压力的合理匹配、设备造价及生产能耗等各方因素，将变换、变脱、脱碳的压力定为3.3MPa；仍采用全低温变换、湿法变换气脱硫、碳丙脱碳及12MPa醇烃化原料气净化工艺；氨合成系统继续采用新型催化剂，并进一步优化合成工艺，选用湖南安淳公司的大口径氨合成塔(中2400JD2000)，氨合成系统压力控制在2225MPa。 采用溴化锂制冷机组，利用尿素蒸汽冷凝液和低位能余热制冷，制得冷媒水用于丙碳脱碳贫液冷却等处；继续用好涡轮机组回收碳丙、变脱富液能量，降低电耗；采用膜回收提氢、无动力氨回收技术和变压吸附回收脱碳、变脱闪蒸气中有效气体、尿素用高调水加热进循环加热器的尿液等各项节能措施。 20万吨/a甲醇生产采取低压甲醇生产装置与氨合成系统联产的工艺路线。因为对于甲醇合成来说，要求的有效气体成分是H2气和CO气，但由于装置的气化路线采用以晋城块煤为原料的UGI气化工艺，受无烟煤固定床间歇气化的限制，煤气中含有一定量的N2气，在甲醇生产中N2气是惰性气体，其含量越高，甲醇合成气有效成分越低，甲醇合成效率也越低，放空气量越大。而对合成氨生产来说，N2气是合成氨生产的原料，因此经济合理的做法是将甲醇生产系统和合成氨生产系统联合，把甲醇制气中的富氮气和甲醇合成气中的放空气都回收到合成氨系统中去制氨，将含氮少的优质水煤气去甲醇系统生产甲醇。 根据用煤状况和整体设计思想，甲醇生产不设水煤气脱硫系统，出气柜的水煤气经静电除焦后入罗茨鼓风机，罗茨机后设第二级静电除焦器，水煤气经压缩机加压后去进行变换，采用0.8MPa全低温变换串中温水解工艺，变换气脱硫仍采用拷胶液脱硫，脱硫后气体去压缩工段加压至2.0MPa去变压吸附脱碳，脱碳后的气体去常温精脱硫塔，经脱硫后总硫小于0.110-6净化气进压缩机四段压缩到5.0MPa去甲醇合成。3.2 甲醇合成 甲醇合成采用工艺稳定、电耗低，操作方便的低压甲醇合成工艺。甲醇合成塔选择管式反应器附带反应热回收的等温型反应器。此反应器类似却又不同于一般的列管换热器，既是反应器又是热量回收器。管内装填甲醇催化剂，管外为沸腾的水，甲醇合成反应放出的热量很快被管外的沸腾水移走，即该反应器以水进汽出的方法控制反应器的床层温度，只要控制沸腾水的蒸汽压力，就能保持恒定的反应温度，压力变化0.1MPa，相当变化1.5，温度控制非常方便。这种反应器甲醇合成转化率较高，循环比、设备尺寸均较小且能够副产中压蒸汽，操作费用和能耗均较低；特别是合成反应器内的温度几乎是恒温，能有效地抑制副反应地发生并有利于延长催化剂寿命，保证装置长周期安全运行。但这种反应器设备结构较为复杂，对材质的要求高，制作周期长，投资大。最近湖南安淳公司开发的具有自主知识产权的JJD低压恒温水管式甲醇合成塔及甲醇合成工艺具有诸多优势，尤其对于单塔大型化应用前景更广泛。4 怎样建设好“18.30”装置 如何使技改工程建设得又快、又好、又省，各厂有很多好的经验和有效措施，这里不详述，主要强调：4.1 重视方案论证，优化技术路线 一定要提高对技术决策重要性的认识。合成氨和尿素生产工艺较复杂，技术含量较高，虽是传统产业，但技术进步突飞猛进，新技术、新工艺不断涌现，如何优化工艺路线和确定正确的技术方案即技术决策，是项目投资少、运行好的关键，也是装置建设的首要一步。既不能只为了图快搞同类装置的简单重复，也不能盲目地采用新技术。技术路线要优化，技术方案要论证。一方面要充分总结自己的经验和教训；另一方面又要比较、吸收、借鉴行业中先进适用又经济合理的工艺路线和技术方案，研究讨论要充分，尽量考虑周全，杜绝先天性不足。 例如，蒸汽透平式压缩机具有运行周期长、节电等优点，但现阶段以煤为原料的固定床合成氨生产系统，气体中夹带粉尘难以净化，造成离心式压缩机维修量和维修率增多，影响效率的发挥；又如15MPa的低压氨合成技术在中小氮肥企业应用还不成熟等。所以经过研究，这些技术现时还不宜采用。而如全低变技术、合成氨原料气醇烃化精制技术，CO2汽提尿素生产技术等从第一套装置就开始应用，不但获得了极大成功而且有所发展和提高。 对于尿素工艺路线的选择：中小氮肥厂运行的水溶液全循环尿素生产装置经过不断地发展和改进，技术水平提高，消耗下降。晋城二化的13万吨/a尿素装置，生产稳定，连续几年产量超过20万吨/a，吨尿素氨耗585kg，汽耗1300kg，电耗220kwh(包括尿素主框架、CO2压缩机、大颗粒、循环水及锅炉用电)。应该说运行效果不错，因此有人主张新装置就采用这种已经熟悉的水溶液全循环尿素生产工艺。但是经过分析、比较看到：对于生产能力比较大的尿素生产装置来说(大于20万吨/a)，CO2汽提尿素生产工艺比水溶液全循环工艺具有更大的优势：它的流程比较简单；无中压分解、中压吸收工序；操作容易；特别是消耗和能耗相对较低(吨尿素氨耗580kg，蒸汽消耗1000kg，循环水消耗100m3，主框架和CO2压缩机部分电耗125kwh)，相比高压设备较多、制作周期长、投资稍高等缺点来说运行的经济性是最重要的，节能效益不可忽视。我们认为“18.30”工程中新建尿素装置采用CO2汽提工艺应是首选。近几年，山西晋城已投产了六套30万t/a的装置，在建的4套，四川美丰、江苏新沂、张家港及我省德州、寿光、鲁南建设的年产40万t和30万tCO2汽提尿素装置都显示出了运行稳定、成本低的显著优势。 企业决策者要坚定地树立科学发展观，推进技术进步，采用以降低资源、原材料消耗和保护环境为目标的先进技术，按照“减量化、再利用、资源化”的原则，切实使氮肥生产实现增长方式的根本转变，绝不能再走传统的高投入、高消耗、高排放、高污染的路子。一定要按照循环经济的理念，走低投入、高产出、少排污、可循环的发展道路，才能实现化肥生产技术水平和经济效益的提高。4.2 坚持厂院结合；优化完善设计 众所周知，设计是对拟建工程的实施在技术和经济上进行的全面详尽的安排，是把先进技术成果引入建设和生产的渠道，也是组织施工的依据和投资计划的具体化，因此，设计质量的好坏直接关系到工程质量和日后装置的运行效果，是决定工程成败的前提。任何技改扩建工程从决策一开始就要十分重视设计工作，“18.30工程”是一项较大的系统工程，尤其要优选设计单位，尽量优化、完善设计。 当然，企业经过长期的生产和建设有许多宝贵的经验，应当运用到工程中去；较有效的途径是积极主动地与设计部门配合协作，既不把设计看作单纯是设计单位的事撒手不管，也不能我干我的、你设计你的二者脱节。一方面要尽量掌握设计思想和思路；另一方面要让设计单位吃透厂里的情况，以便将业主的意图贯彻到实际设计中去。对于新征地块(比如搬迁或进入工业园)，尤其要高度重视厂区布局的合理性、整体规划的长远性，观念要更新、思路要先进。一般的总图布置设计总要经过多次(五个版本以上)、多方面的反复推敲、修改，既符合有关的安全、卫生、环保标准和规范，又因地制宜结合工厂实际。要牢记：安全、环保、节能、节水是小氮肥企业生存和发展的根本，不能有丝毫的侥幸心理和放松情绪。 具体做法是：设计工作开展前，由厂方牵头，会同设计院并邀请有关技术专利拥有者、设备制造厂、催化剂制造单位等技术人员共同讨论商定最经济合理的技术方案，方案在设计工作开展前就确定好，不能不定好就干，一边干一边变一边改。要把功夫花在开始阶段的技术决策上，磨刀不误砍柴功，路线、方案有了，不走或少走弯路，比干了又返工既快捷顺畅，又经济节约。 设计院的初稿完成，厂方及时召集管理经验丰富的工程技术人员及同行业专家分别对工艺流程、平面布置、设备选型、管道配置、施工方案等进行充分讨论，特别要求各项目负责人对设计意图心知肚明。讨论后形成意见再反馈设计院，进行必要的修改。这样有利于设计的完善，避免一些先天性不足的发生；还能使业主和厂方工程技术人员先一步了解工程情况，等于提前进入角色，不但可以减少施工中的变更，有效地节省投资，缩短工期；而且有利于一次开车成功和投产后的稳定运行。 “18.30”装置全系统开车一次成功，短时间达产达标并能长周期稳定运行，厂、院结合优化完善设计起了决定性作用。 常常听到、看到一些技改工程建设中，厂方和设计院、技改和生产严重脱节，即常说的两张皮，建设中问题多，到了试车、开车阶段大量矛盾突现出来，整改的工作量大，有的不好改了则落下先天不足；也有的干完后为应付有关检查验收再去补图纸和有关资料，这些做法既不利于工程建设