余热制冷在合成氨冷冻工段节能效益分析

余热制冷在合成氨冷冻工段节能效益分析

杨超

重庆建峰化工股份有限公司，重庆涪陵 408601

摘要：通过对建峰化工第二套合成氨装置制冷能耗和影响因素的分析，提出以余热制冷冷量对合成循环气去往冷冻工段前冷却降温的节能策略。经分析测算，预计可减少冷氨消耗9t/h、节约蒸汽10t/h，对企业节能降耗具有积极意义。

关键词：合成氨 冷冻 节能 模拟计算

1 概述

氨的工业化合成在20世纪初期形成，是火炸药、农业肥料、化学品生产等的重要基础原料。其中以氮、氢为原料合成氨，是应用最为广泛和经济的方法。氮气和氢气催化合成氨的反应是可逆放热反应，合成化学反应式为：

原料氮气、氢气在150bar、440℃条件下经催化转化为合成氨，单程转化率约30%。反应后的合成气经冷凝脱氨后返回合成工段循环。合成气中残留的氨使平衡左移，对反应不利，冷冻工段的冷凝脱氨作用对合成氨具有重要意义。某企业KBR工艺年产45万吨合成氨装置为例，该厂冷冻工段以透平驱动，消耗120bar过热蒸汽约62t/h，液氨冷凝用循环水6000t/h，是装置的能耗大户。

本文研究选择合适的方式，利用富余蒸汽8t/h产生7-12℃冷水对该冷冻工段的某点降温，在氨回收率的同时，降低系统能耗，响应国家“双碳”要求，也为企业创造效益。

2 冷冻过程

2.1工艺介绍

图2.1 冷冻工段工艺

符号说明:

A ——联合冷凝器；B ——气氨压缩机；

C、D ——气液分离罐；E ——液氨受槽；

F ——氨冷凝器； G ——水冷器；

150bar、78℃含氨的合成循环气1，在G经循环水初步降温至38℃后进入联合冷凝器A，在A中分别经一段氨蒸发（流体8）、二段氨蒸发（流体9）逐步降温至流体3的约148.99bar、0℃左右，使得流体1中的气相氨液化。C内部主要实现气液混合物中液氨的分离，分离出的液氨在D减压、闪蒸脱除惰性气体后，经过E送至A作为氨蒸发冷凝的冷源；C分离出的气相返回合成循环工段，作为氨合成的原料。

A中蒸发产生的气氨经氨压缩机B加压并经F冷凝液化，大部分作为产品氨采出（流体13），压缩机B由蒸汽透平驱动。年产45万吨合成氨装置冷冻工段，该氨压缩机B消耗120bar蒸汽约62t/h，压缩后气氨冷凝器F消耗循环水6000t/h，是装置的能耗大户。本文以Aspen Plus V11.0软件建模分析，对该过程制冷节能效果进行分析，提出富余蒸汽制冷的建议。

2.2冷凝目的

C物料压力148.99bar，其内部为绝热过程，设计液相分率0.154，分离效果主要受到进料气液组成的影响，进料气液组成直接收到联合冷凝器A的制冷效果的影响。对进料温度、焓值进行模型测算，其分离效率在设计平衡点的[-3.0%,4.0%]区间内与进料状态的关系，见下图2.1。

图2.2对C分离效率与进料状态关系

根据图2.2可知，C分离效率与进料的温度以及焓值的变化趋势相反，设计情况下，进料物料温度不超过0.3℃、物料kmol焓值不高于-3180kcal。对45万吨规模合成氨装置，C进料量为264.2t/h、分离液氨62.784t/h，需联合冷凝器A换热负荷净值14.65Gcal/h，合17037.95kW。

3 节能策略分析

联合换热器制冷效果一是受输入热量的影响，另一方面受到液氨蒸发制冷量的影响，其中液氨蒸发量的减少是降低冷冻工段能耗的直接因素。对应提出两种策略：一是外部冷量引入对对合成循环气预冷，降低热量输入；二是提高单位液氨的冷却效果，减低液氨温度或蒸发压力。因此，分别对合成循环气、液氨温度进行降温，并对减低液氨蒸发压力进行分析，对比节能情况。

经测算，通过富余的蒸汽8吨低低压蒸汽，以溴化锂制冷机组蒸汽可产生7-12℃冷水，制功率3800kW，占总制冷需求的22%。受冷水温度范围限制，被冷却目标流体冷凝后的温度不应低于20℃。冷冻工段满足条件的有F出口39℃的液氨、A进料38℃的合成循环混合气，在冷冻工段可选择的点位有图2.1 中流股2和流股11。对两点位冷量引入后对工段能耗对比如下：

3.1 合成循环气预冷

图3.1成循环气进气制冷量对压缩机功率影响

从图3.1对A进气制冷，可减少合成循环气在A内的制冷消耗和冷氨用量消耗，减少B气氨负荷，进而实现蒸汽用量的降低。在制冷功率3800kW情况下，按冷量利用率0.8计，预计减少氨耗9t/h、压缩机功耗减少500kW，约减少高压过热蒸汽需求10t/h；同时，因气氨量减少，将减少F循环水约1000t/h。

3.2 液氨冷却

来自F、D的液氨分别进入E内隔开的两个空间，并进一步分别采出液氨用于A制冷和氨产出。两空间由连通孔联通，以实现氨的灵活调节。正常运行情况下，D流量大于其去往A需求量，液氨经连通孔由D侧流入F侧。 以制冷冷水对F出口液氨降温，受传热温差限制，F冷氨温度预计可降低至20℃，且总冷量利用率仅37.83%。采出液氨产品流体13的温度随之降低，对冷氨温度影响很小，约0.01℃，效果不显著。

图3.2 F制冷功率对冷氨温度的影响

3.3蒸发压力

图3.3 冷氨蒸发压力对分离效果和能耗的影响

液体蒸发焓与蒸发压力相关，因此，在液氨流量一定情况下，蒸发压力改变对系统能耗将产生影响。通过以一段蒸发压力为基，二段蒸发压力同比例变化对压缩机功率进行建模测算，同时分析对分离效果的影响。如图3.3,蒸发压力在6.95-7.21ba，能一定程度上降低压缩机的功耗，最优点在6.95bar附近。但压力的进一步降低时，压缩机的能耗快速增加；同时，降低蒸发压力不能提升氨的分离效果，这可能受到回收没有正向效果。 调整蒸发压力对节能效果不高。

4 结论与不足

合成氨装置冷冻工段是装置的核心之一，冷冻工段主要与进料气温度或焓值等制冷负荷直接相关，与冷氨温度、蒸发压力改变关系较弱，工段的能耗主要是气氨过程的功耗。本文建模测算，认为利用工厂富余蒸汽驱动溴冷机制冷可有效降低冷冻工段进气温度和焓值，减少冷氨制冷和透平蒸汽消耗，是一种较好的节能降耗措施。8t/h的低低压蒸汽可产生7-12℃冷水，制冷功率3800kW，可使合成循环气温度降低至约34.5℃，节约压缩功率500kW或蒸汽约10t/h，经济效益较显著，供广大科技工作者参考。

为简化计算，本文未考虑换热器能力、压缩机喘振状态等设备问题、温度降低对合成循环工段的影响，工业化应用还需进一步评估。

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