郭文龍，王 杰，吳存?zhèn)}，原 烽，令狐瓦奇

（陽煤豐喜肥業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，山西 運城 044000）

我國是世界上最大的尿素生產(chǎn)國，2018 年尿素產(chǎn)能為6 954 萬t，由于國內(nèi)競爭激烈，利潤率持續(xù)低位，實際產(chǎn)能發(fā)揮率基本保持在80%以下；再加上農(nóng)業(yè)部根據(jù)中央政策制定的《到2020 年化肥使用量零增長行動方案》到期，氮肥企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級更為迫切。三聚氰胺作為尿素的主要下游產(chǎn)品，因其獨特的產(chǎn)品優(yōu)勢，成為尿素企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的首選。我國豐富的尿素資源，也使得三聚氰胺產(chǎn)業(yè)具有得天獨厚的競爭優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速。陽煤豐喜肥業(yè)（集團）有限責(zé)任公司（簡稱陽煤豐喜集團）旗下目前有5 套在運行的三聚氰胺裝置，總產(chǎn)能17 萬t/a，位居全國三聚氰胺產(chǎn)能前列；集團另有1 套6 萬t/a 裝置在建，6 套裝置均采用加壓氣相淬冷工藝即低壓法工藝。

近年來，節(jié)能降耗一直是化工行業(yè)的熱點問題之一，隨著我國“2060 年實現(xiàn)碳中和”目標(biāo)的提出，能源消耗量越來越受到國家和社會的關(guān)注，不僅有消耗總量的紅線控制，還提出了各種產(chǎn)品的單耗標(biāo)準(zhǔn)值。對企業(yè)而言，要贏得日趨激烈的競爭，就必需在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡量降低成本。

本文結(jié)合陽煤豐喜集團三聚氰胺生產(chǎn)實際，對比化學(xué)反應(yīng)理論能耗值，分析了加壓氣相淬冷工藝三聚氰胺生產(chǎn)裝置實際能耗與理論能耗產(chǎn)生偏差的原因，并提出了相應(yīng)節(jié)能增效的舉措。

1 加壓氣相淬冷工藝生產(chǎn)三聚氰胺的理論能耗

尿素生成三聚氰胺的反應(yīng)機理分兩步：（1）尿素的分解：6CO(NH2)2=6HNCO+6NH3-Q（強吸熱反應(yīng)）；（2）三聚氰胺的聚合：6HNCO=C3N6H6+3CO2+Q（微放熱反應(yīng)）?？偡磻?yīng)：6CO(NH2)2=C3N6H6+3CO2↑+6NH3↑-Q（強吸熱反應(yīng)）。

上述總反應(yīng)式中，1 kg 尿素反應(yīng)生成三聚氰胺需要吸收的熱量為1 734.7 kJ[1]，而理論上生產(chǎn)1 t 三聚氰胺需消耗尿素2.857 t，計算出需要消耗的熱量為 2 857×1 734.7=4.96×106kJ。

2 實際生產(chǎn)裝置的能耗情況

陽煤豐喜集團三聚氰胺生產(chǎn)裝置的能量消耗示意圖見圖1。

圖1 三聚氰胺生產(chǎn)裝置能量消耗示意圖

由三聚氰胺的反應(yīng)機理可知，要維持反應(yīng)正常進行，就必須不斷補充熱量，工業(yè)生產(chǎn)中大多由熔鹽爐提供熱量。為實現(xiàn)能耗最低、污染最小、效益最優(yōu)，陽煤豐喜集團采用一種混合燃氣作為為熔鹽爐提供熱量的原料氣?；旌先細獾?0%～60%來源于氨合成弛放氣和氨槽弛放氣經(jīng)PSA 氫回收裝置解析出的富甲烷氣體；另外40%～50%來源于合成氨造氣系統(tǒng)的半水煤氣。兩種氣體混合后，以30 kPa～50 kPa 壓力送入熔鹽爐燃燒器，經(jīng)充分燃燒并加熱熔鹽，以熔鹽為導(dǎo)熱介質(zhì)為三聚氰胺反應(yīng)器提供反應(yīng)所需熱量。同時來自尿素車間濃縮工段的霧化尿素在反應(yīng)器內(nèi)分解，生成的氣態(tài)三聚氰胺需進一步降溫、冷卻結(jié)晶得到產(chǎn)品，其冷卻過程產(chǎn)生的2.5 MPa 飽和蒸汽，一部分用于系統(tǒng)反應(yīng)的蒸汽伴熱，一部分直接減壓后并入界外1.3 MPa蒸汽管網(wǎng)；另外為控制反應(yīng)所需液體尿素的溫度，需使用脫鹽水管束副產(chǎn)0.1 MPa 蒸汽。0.1 MPa 蒸汽冷凝和2.5 MPa 蒸汽伴熱之后產(chǎn)生的冷凝液送廠區(qū)脫鹽水工段。三聚氰胺成品自系統(tǒng)分離出來，由110 ℃逐步冷卻至常溫。

2.1 燃氣能耗

裝置主要原料為尿素裝置造粒前熔融狀態(tài)液尿，反應(yīng)所需熱量主要由燃氣燃燒產(chǎn)生的熱量經(jīng)熔鹽爐提供，燃氣為合成塔弛放氣、氨槽弛放氣經(jīng)氫回收解析后的氣體與半水煤氣的混合煤氣。各股氣體流經(jīng)管道的管徑及壓力見表1，混合煤氣氣體成分見表2。

表1 各股氣體流經(jīng)管道的管徑及壓力

表2 混合煤氣的氣體成分（體積分數(shù)）%

標(biāo)況下，CO 的燃燒熱為 12 728 kJ/m3，H2的燃燒熱為 10 743 kJ/m3，CH4的燃燒熱為 35 877 kJ/m3[2]。根據(jù)表2 計算可知，混合燃氣的熱值為1.05×104kJ/m3。

據(jù)該套裝置生產(chǎn)日報表統(tǒng)計，生產(chǎn)1 t 三聚氰胺需消耗混合煤氣為1 350 m3，折算成熱值為1.42×107kJ。

熔鹽爐設(shè)計有效燃氣利用率為93%（損失的熱量主要由煙氣帶走），熔鹽在傳熱過程中的能耗損失為10%，故生產(chǎn)1 t 三聚氰胺實際由熔鹽傳遞的熱量為1.42×107×93%×（1-10%）=1.19×107kJ。

2.2 熔融態(tài)液尿帶來的熱量

尿素的性質(zhì)見表3。

表3 尿素的性質(zhì)[3]

該套三聚氰胺裝置生產(chǎn)所需的原料尿素直接來源于廠區(qū)尿素濃縮工段的液尿。根據(jù)表3，經(jīng)計算1 kg的尿素熔融需吸收的熱量為250×1 000/60.06=4 162.5 kJ；另外，從三聚氰胺反應(yīng)方程式可推算出，生產(chǎn)1 t 三聚氰胺需要消耗尿素2.857 t，因此在該工藝過程中生產(chǎn)1 t 三聚氰胺液尿帶來的熱量為 4 162.5×2.857×1 000=1.19×107kJ。

2.3 尾氣帶走的熱量

該工藝特點之一是使用一定量壓力為0.4 MPa的載氣帶動催化劑流化床與霧化狀態(tài)的液尿充分接觸反應(yīng)。在與尿素裝置聯(lián)產(chǎn)過程中，三聚氰胺生產(chǎn)過程中尿素分解產(chǎn)生的NH3和CO2主要被用于提高甲胺溶液的有效濃度，同時提高尿素產(chǎn)量。除開車過程中使用合成氨系統(tǒng)的氨氣為載氣外，正常生產(chǎn)時使用自身分解的NH3和CO2為載氣，且循環(huán)使用。正常生產(chǎn)中尾氣溫度138 ℃～140 ℃，壓力0.4 MPa，在該裝置實際工況和常溫25 ℃下，NH3和CO2的比熱容見表4。

表4 NH3 和CO2 在不同溫度時的比熱容[4]（Cp）

裝置滿負荷運行時三聚氰胺產(chǎn)量為7.5 t/h，根據(jù)反應(yīng)方程式，可推算出生產(chǎn)1 t 三聚氰胺同時可產(chǎn)出NH3為 809.5 kg，CO2為 1 047.6 kg。為方便計算，設(shè)定NH3和CO2在氣態(tài)溫差不大情況下比熱容恒定，取平均比熱容，分別為 2.15 kJ/(kg·℃)、0.90 kJ/(kg·℃)。

則NH3帶走熱量2.15×809.5×115=2.00×105kJ

CO2帶走熱量 0.90×1 047.6×115=1.08×105kJ

合計帶走熱量2.00×105+1.08×105=3.08×105kJ

2.4 副產(chǎn)蒸汽及用途

裝置副產(chǎn)蒸汽主要有兩個位置，一是尿洗塔冷凝管束副產(chǎn)0.1 MPa 低壓飽和蒸汽，產(chǎn)量為23 t/h，按三聚氰胺產(chǎn)能 6 萬 t/a，即 7.5 t/h 計算，生產(chǎn) 1 t 三聚氰胺副產(chǎn)0.1 MPa 蒸汽3.06 t；二是載氣道生油冷凝器副產(chǎn)2.5 MPa 中壓飽和蒸汽，產(chǎn)量為4.05 t/h，折生產(chǎn)1 t 三聚氰胺副產(chǎn)2.5 MPa 蒸汽0.54 t。

0.1 MPa 飽和蒸汽直接經(jīng)疏水閥減壓、冷凝后，送脫鹽水工段。2.5 MPa 飽和蒸汽50%經(jīng)減壓閥后并入1.3 MPa 蒸汽管網(wǎng)，剩余50%用于整個三聚氰胺裝置的伴熱保溫，伴熱之后所得0.1 MPa～0.2 MPa 冷凝液送脫鹽水工段。

0.1 MPa 飽和蒸汽的焓值按2 706.9 kJ/kg 計算，2.5 MPa 飽和蒸汽的焓值按2 801.2 kJ/kg[4]計算，則1 t 三聚氰胺副產(chǎn)0.1 MPa 飽和蒸汽3.06 t，熱值為8.28×106kJ；副產(chǎn) 2.5 MPa 飽和蒸汽 0.54 t，其中一半（熱值為7.56×105kJ）并入1.3 MPa 蒸汽管網(wǎng)，同時另一半（熱值7.56×105kJ）副產(chǎn)蒸汽用于載氣伴熱消耗（實際生產(chǎn)過程中，蒸汽有效伴熱值利用率近似于 30%，即 2.27×105kJ）。

因補入各副產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)的是95 ℃的冷凝液（焓值為398.35 kJ/kg），生產(chǎn)1 t 三聚氰胺需補入 3.6 t 冷凝液，其熱值為1.43×106kJ，故實際蒸汽副產(chǎn)有效熱值為 8.28×106+7.56×2×105-2.27×105-1.43×106=8.14×106kJ。

2.5 產(chǎn)品冷卻能耗損失

三聚氰胺產(chǎn)品自裝置成品旋風(fēng)分離器出來，由110 ℃冷卻至常溫25 ℃，三聚氰胺的比熱容是1.47 kJ/(kg·℃)，則1 t 三聚氰胺冷卻損失的能耗為1.47×1 000×85=1.25×105kJ。

3 實際與理論能耗對比

測算生產(chǎn)1 t 三聚氰胺提供給反應(yīng)器的有效能量為燃燒混合煤氣由熔鹽傳遞的有效熱值+ 液尿帶來的熱值-副產(chǎn)尾氣帶走熱值-副產(chǎn)蒸汽有效熱值-產(chǎn)品冷卻能耗損失，即：1.19×107+1.19×107-3.08×105-8.14×106-1.25×105=1.52×107kJ。

綜上測算，實際生產(chǎn)1 t 三聚氰胺有效能耗為1.52×107kJ，遠高于理論上生產(chǎn)1 t 三聚氰胺的能耗（4.96×106kJ），筆者分析主要原因可能是反應(yīng)器內(nèi)有一定的副反應(yīng)產(chǎn)生，造成能耗損失。

4 增效措施探討

根據(jù)上述分析，裝置實際能耗與理論值相差較大，加壓氣相淬冷工藝有挖潛增效的空間。

4.1 熔鹽爐余熱有效利用

熔鹽爐燃燒使用混合煤氣的溫度為30 ℃～40 ℃，可以通過熔鹽爐產(chǎn)生的100 ℃～130 ℃煙氣加熱入爐燃氣，經(jīng)提溫后的混合燃氣再進入燃燒爐燃燒，可降低熱量消耗。

4.2 副產(chǎn)蒸汽熱能綜合回收

0.1 MPa 蒸汽可通過在該裝置涼水塔循環(huán)水泵前增加低壓蒸汽渦輪，用汽輪機拖動循環(huán)水泵的方式利用，再將冷凝液回收。2.5 MPa 蒸汽原設(shè)計是減壓并入1.3 MPa 蒸汽管網(wǎng)，為有效利用這部分蒸汽，首先可以考慮去拖動熔鹽泵電機，降低熔鹽泵電耗；其次可以送入2.0 MPa 變換工段，作為CO 變換反應(yīng)的水蒸氣；還可以配套2.5 MPa/1.3 MPa 背壓發(fā)電機組，將壓力降直接轉(zhuǎn)化為電能。

4.3 熔鹽爐選用合理的燃料

目前，三聚氰胺熔鹽爐用到的熱源有煤、水煤氣、甲醇和LNG 等，各種燃料產(chǎn)生1×104kJ 熱值的成本比較見表5。

表5 各種燃料產(chǎn)生1×104 kJ熱值的成本比較

通過表5 對比可知，熔鹽爐選用燃煤的成本最低。但根據(jù)近年來國家的生態(tài)環(huán)保、能源等政策要求，燃煤熔鹽爐可能會在短期內(nèi)面臨淘汰，故采用該廠合成氨系統(tǒng)的管道將水煤氣送至熔鹽爐為最理想選擇。如選用水煤氣要注意幾個問題，一是直接選用合成氨造氣工段的水煤氣，其粉塵含量較高，送至燃燒器前需配套除塵裝置，否則易使熔鹽爐燃燒器堵塞；二是因水煤氣自身攜帶和燃燒產(chǎn)生大量的水蒸氣，會帶來熔鹽爐脫硫裝置溶液不平衡，還需另行處理。

4.4 其他途徑

第一，對裝置易出現(xiàn)“跑冒滴漏”的點位，如載氣蒸汽伴熱系統(tǒng)、成品旋風(fēng)分離系統(tǒng)、反吹氣氨系統(tǒng)、包裝系統(tǒng)等加強巡檢，將裝置的“跑冒滴漏”降到最低；第二，進一步完善裝置保溫設(shè)施，減少熱量損失；第三，嚴(yán)格控制工藝指標(biāo)，精細化管理，提高裝置聯(lián)運時間。

5 結(jié) 語

近年來，節(jié)能減排和達標(biāo)排放成為企業(yè)關(guān)注的主要問題，逐步有序淘汰或改進高能耗、高污染生產(chǎn)工藝成為必然。減少投入、降低生產(chǎn)成本是提高產(chǎn)品競爭力的重要途徑。筆者依據(jù)多年的常壓、低壓法三聚氰胺聯(lián)產(chǎn)碳酸氫銨、純堿、尿素生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗，較全面地對比了三聚氰胺裝置能耗實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與理論值的差距，尋找原因，分析了多種降低裝置能耗的途徑，以期為企業(yè)節(jié)能降耗、降本增效提供技改升級方面的技術(shù)支持。