周春平，皮金林

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

1 改造方案研究背景

在共和國建設(shè)歷程中，有一些傳統(tǒng)的聯(lián)合化學(xué)工廠，為國家基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展和完備的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)建立了功勛。但是，由于種種原因，一些工廠的歷次技改均不具備完整性，有時(shí)甚至倒退，造成工廠現(xiàn)有的技術(shù)裝備配置高低不齊、總的用能和用水量高、操作費(fèi)用高，一些已經(jīng)破產(chǎn)關(guān)閉或面臨破產(chǎn)關(guān)閉。

某大型聯(lián)堿生產(chǎn)企業(yè)為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，作為曾經(jīng)的標(biāo)桿企業(yè)，其所生產(chǎn)的純堿作為當(dāng)?shù)亟ú漠a(chǎn)業(yè)，特別是玻璃產(chǎn)業(yè)的重要原料，當(dāng)?shù)夭ＡМa(chǎn)能位居全國第二。該廠經(jīng)過幾十年的發(fā)展，形成了原鹽、堿、肥一體化的生產(chǎn)格局，公用工程和輔助工程配套齊全，現(xiàn)有合成氨產(chǎn)能35萬t/a，純堿、氯化銨產(chǎn)能各100萬t/a，精制鹽產(chǎn)能120萬t/a。多年來，工廠的生產(chǎn)一直安全、穩(wěn)定，產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。

在該廠發(fā)展的多數(shù)階段，均采用了當(dāng)時(shí)的先進(jìn)技術(shù)，例如最早將渣油氣化、聯(lián)堿法制堿、氣流床加壓粉煤氣化技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)，是探索行業(yè)新技術(shù)應(yīng)用的先行者。該廠具有獨(dú)特的制堿原料鹵水資源優(yōu)勢，自有鹽礦埋深淺，資源儲(chǔ)量豐富，可采年限長，鹵水硫酸根等雜質(zhì)含量低，綜合開采成本及制鹽成本低。工廠區(qū)位優(yōu)勢明顯，距離產(chǎn)品目標(biāo)市場近，廠內(nèi)配有鐵路專運(yùn)線，運(yùn)輸成本低。工廠的主導(dǎo)產(chǎn)品純堿、氯化銨獲得當(dāng)?shù)孛飘a(chǎn)品稱號(hào)，具有品牌優(yōu)勢，已建立成熟的市場營銷網(wǎng)絡(luò)和客戶資源。

近年來，該廠由于各種原因連續(xù)出現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)營虧損。因此，對于這樣的一個(gè)工廠，能否用先進(jìn)成熟技術(shù)進(jìn)行完備的提檔升級改造，盤活存量資產(chǎn)，在確保本質(zhì)安全、環(huán)境友好的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展，以及數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型，從而為當(dāng)?shù)毓I(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)鏈、強(qiáng)鏈做貢獻(xiàn)，是一個(gè)值得探討的問題。

1 工藝技術(shù)和系統(tǒng)配置現(xiàn)狀

1.1 工藝技術(shù)和系統(tǒng)配置現(xiàn)狀

工廠生產(chǎn)系統(tǒng)包括制鹽、聯(lián)堿、煤制合成氨三大工藝部分。制鹽、聯(lián)堿技術(shù)先進(jìn)；在重要的工藝裝置——合成氨系統(tǒng)中，各單元技術(shù)先進(jìn)性參差不齊，單線產(chǎn)能規(guī)模小，裝置單元能力低，總體技術(shù)水平落后，能耗高；工藝系統(tǒng)及公用工程系統(tǒng)之間耦合欠優(yōu)，用電量大，動(dòng)力成本高，成本競爭力弱。

(1)制鹽生產(chǎn)系統(tǒng)采用真空制鹽五效蒸發(fā)工藝，聯(lián)堿生產(chǎn)系統(tǒng)采用聯(lián)合制堿工藝，技術(shù)成熟可靠，在當(dāng)前行業(yè)內(nèi)得到普遍應(yīng)用。

(2)在核心合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)中，部分裝置技術(shù)先進(jìn)(原粉煤加壓氣化、變換、凈化)，大部分裝置技術(shù)落后(固定床間歇煤棒氣化、外壓縮空分、高壓氨合成等為落后淘汰技術(shù))，總體技術(shù)水平落后。

(3)合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)單線生產(chǎn)規(guī)模偏小，分別為20萬t/a氣流床加壓粉煤氣化生產(chǎn)線和15萬t/a固定床常壓間歇?dú)饣a(chǎn)線，目前先進(jìn)的煤制合成氨單線產(chǎn)能為50萬～60萬t/a，入門規(guī)模為30萬t/a；裝置單元能力低，如空分套數(shù)多、單套產(chǎn)能低，2萬Nm3的制氧能力由4套小空分組成，而目前國內(nèi)單套空分制氧能力可達(dá)12萬Nm3；設(shè)備臺(tái)數(shù)多，維修費(fèi)用和人工成本高。

(4)工藝系統(tǒng)與公用工程系統(tǒng)之間的耦合欠優(yōu)，大型機(jī)組全部采用電驅(qū)(如空分裝置、合成高壓機(jī)等，造成電耗很高)，對標(biāo)當(dāng)前現(xiàn)代煤化工工廠，差距明顯。

1.2 合成氨綜合能耗及操作費(fèi)用現(xiàn)狀

受總工藝流程水平落后、裝備水平不高以及系統(tǒng)優(yōu)化欠佳等因素的影響，噸氨綜合能耗及操作費(fèi)用大幅高于行業(yè)平均水平。

(1)噸氨綜合能耗高，達(dá)1.88t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中，氣流床加壓粉煤氣化生產(chǎn)線約1.74t標(biāo)準(zhǔn)煤，固定床氣化生產(chǎn)線約1.915t標(biāo)準(zhǔn)煤，遠(yuǎn)高于GB21344-2015限定值1.68t標(biāo)準(zhǔn)煤，更高于國內(nèi)同行先進(jìn)合成氨工廠水平(約1.53t標(biāo)準(zhǔn)煤)。

(2)噸氨綜合電耗高達(dá)1 847kW·h，國內(nèi)同類先進(jìn)煤制合成氨項(xiàng)目噸氨綜合電耗約200kW·h，相比高出約1 600kW·h。

(3)噸氨綜合操作費(fèi)用約2 411元，其中，煤、電成本分別約1 185元和1 191元，遠(yuǎn)高于行業(yè)同等先進(jìn)水平。

2 改造方案

2.1 改造思路和目標(biāo)

鑒于企業(yè)目前的現(xiàn)狀，為了改變這種落后局面，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和綠色發(fā)展水平，需要探討進(jìn)行提檔升級改造的可能。

(1)提檔升級合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)和裝備配置水平，用先進(jìn)技術(shù)淘汰全部的落后單元技術(shù)，實(shí)現(xiàn)總工藝流程配置的優(yōu)化，達(dá)到當(dāng)前行業(yè)先進(jìn)水平，以大幅降低能耗和操作費(fèi)用：①用先進(jìn)的氣流床煤氣化淘汰固定床間歇?dú)饣?；②用先進(jìn)的內(nèi)壓縮空分淘汰氧氣外壓縮流程；③用液氮洗淘汰甲烷化氣體精制工藝；④用低壓氨合成工藝淘汰高壓氨合成工藝；⑤提高單線或單元裝置的生產(chǎn)能力，避免小而多；⑥用離心壓縮淘汰往復(fù)壓縮；⑦提高單線生產(chǎn)能力。

(2)優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)和熱工系統(tǒng)之間的耦合，變更大機(jī)組驅(qū)動(dòng)方式，最大程度實(shí)現(xiàn)“電驅(qū)改汽驅(qū)”，在節(jié)能降耗的同時(shí)，大幅降低動(dòng)力成本。

(3)優(yōu)化公用工程和輔助設(shè)施的配置，合理利舊改造原有設(shè)施，進(jìn)行必要的系統(tǒng)整合和更新，為生產(chǎn)系統(tǒng)的“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行提供保障。

(4)升級自動(dòng)化控制系統(tǒng)，提升工廠智能化和數(shù)字化水平。

目標(biāo)是通過系統(tǒng)和完備的提檔升級改造，將現(xiàn)有工廠改造成為技術(shù)裝備水平先進(jìn)、具有本質(zhì)安全、環(huán)境友好和綠色可持續(xù)發(fā)展特征，且高度數(shù)字化和智能化的工廠。

2.2 煤制合成氨改造方案

煤制合成氨改造方案是研究的重點(diǎn)之一。推薦的方案如下：維持原合成氨產(chǎn)能不變，淘汰原合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)，建設(shè)一條以先進(jìn)的氣流床水煤漿氣化、耐硫變換、低溫甲醇洗、液氮洗氣體精制、低壓氨合成技術(shù)為組合的全新合成氨生產(chǎn)線；同時(shí)，為了降低投資，最大程度利舊原有的先進(jìn)設(shè)施，擬將原氣流床粉煤加壓氣化調(diào)整為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電副產(chǎn)中壓蒸汽(用作制鹽和制堿)的高效熱力系統(tǒng)，以提高工廠總體技術(shù)裝備水平的先進(jìn)性，降低能耗，節(jié)約外供電成本；新建一套內(nèi)壓縮空分，供新建煤氣化和原氣并流床粉煤加壓氣化使用，公用工程和輔助工程利舊并適當(dāng)升級改造。改造后的煤制合成氨系統(tǒng)總工藝流程見圖1。

圖1 提檔升級改造后的合成氨系統(tǒng)總工藝流程注：紅色虛線框內(nèi)裝置為利舊設(shè)施。

3 改造前后效果分析

3.1 改造前后原(材)料消耗及產(chǎn)品產(chǎn)量對比分析

改造前后原(材)料及產(chǎn)品匯總對比見表1。

表1 改造前后原(材)料及產(chǎn)品匯總對比

由表1可知，改造前后的對比如下：①產(chǎn)品產(chǎn)能沒有發(fā)生變化，維持了100萬t/a的聯(lián)堿規(guī)模；②外供電大幅度減少，一次水用量大幅減少，不需要外購蒸汽；③不需要外購液氨作為制堿原料，還可以向外銷售6 000t/a液氨；④煤炭消耗量有所增加。

3.2 改造前后總能量消耗及總用水量對比分析

改造前后總能量消耗及總用水量消耗對比見表2。

表2 改造前后總能量消耗及總用水量消耗對比

由表2可知，改造前后的對比如下：①全廠總用能量大幅降低，減少了16.75萬tce/a，改造前總用能量為113.06萬tce/a，改造后為96.3萬tce/a，在維持產(chǎn)能不變的情況下，用能總量減少了14.82%；②總用水大幅降低，減少了310萬t/a，改造前總用量為1 200萬t/a，改造后為890.4萬t/a，在維持產(chǎn)能不變的情況下，用水總量減少了25.83%。

3.3 改造前后CO2減排分析

CO2的直接排放主要來源于煤炭的使用，原料煤中的碳元素只有一部分轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，大部分以CO2的形式排放，燃料煤轉(zhuǎn)化為能量后，絕大部分以CO2的形式排放。另外，工廠外購的電力、蒸汽、液氨也間接排放CO2。這兩部分構(gòu)成了CO2的總排放。

為落實(shí)“30年碳達(dá)峰、60年碳中和”的國家戰(zhàn)略，減少二氧化碳排放總量也是改造需要達(dá)成的目標(biāo)之一。

表3列出了改造前后CO2排放情況和排放變化情況，從中可以看出：全廠CO2排放總量減少了43.31萬t/a，改造前總排放量為261.74萬t/a，改造后為218.43萬t/a，在維持產(chǎn)能不變的情況下，總量減少了16.5%。

表3 改造前后原材料、公用工程及CO2排放增量對比

3.4 改造前后合成氨裝置的綜合能耗分析

合成氨裝置是本次改造的重點(diǎn)，合成氨產(chǎn)品的綜合能耗是體現(xiàn)該裝置先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一。改造前后的合成氨產(chǎn)品綜合能耗對比情況見表4。

表4 改造前后的綜合能耗對比

由表4可知，改造后合成氨綜合能耗減少了0.361tec/t(NH3)，改造前為1.879tec/t(NH3)，改造后為1.518tec/t(NH3)，綜合能耗下降19.2%。改造后的綜合能耗超過了當(dāng)前行業(yè)的平均水平，接近先進(jìn)值。

3.5 改造前后合成氨操作費(fèi)用變化分析

表5和表6分析了合成氨裝置改造前后操作費(fèi)用的變化，從上述表格中可以看出，經(jīng)改造后合成氨噸氨操作費(fèi)用由原來的2 411元，下降至1 125元，噸氨操作費(fèi)用下降1 286元，降幅約53%，說明所選改造路線是合理的，改造效果顯而易見。

表5 合成氨裝置改造前噸氨操作費(fèi)用

表6 合成氨裝置改造后噸氨操作費(fèi)用

4 結(jié)語

從上述對比分析可知，對于某些大型傳統(tǒng)的聯(lián)合化學(xué)工廠，采用先進(jìn)成熟技術(shù)進(jìn)行完備的提檔升級改造，盤活存量資產(chǎn)，在確保本質(zhì)安全、環(huán)境友好的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展，以及數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型是可能的。改造的效果明顯，綠色環(huán)保效益得到極大提升，操作費(fèi)用大幅降低。本案例有如下改造效果：①改造后，技術(shù)裝備水平達(dá)到了業(yè)界先進(jìn)水平，為在本質(zhì)安全、環(huán)境友好的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行提供了技術(shù)和裝備基礎(chǔ)；②改造后，企業(yè)的年用能總量降低了14.82%；③改造后，企業(yè)的年CO2年排放總量大幅度下降，減少了16.5%；④改造后，企業(yè)的年用水總量大幅下降，減少了25.83%；⑤改造后，合成氨產(chǎn)品綜合能耗大幅下降，降低了19.2%，大大超過當(dāng)前行業(yè)的平均水平，接近先進(jìn)門檻指標(biāo)；⑥改造后，合成氨產(chǎn)品操作費(fèi)用大幅下降，噸氨產(chǎn)品操作費(fèi)用下降約1 286元，為企業(yè)的持久發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。