Для производства аммиака нужно меньше газа

Заводы по производству аммиака являются основными потребителям пара и природного газа, поэтому любая возможность уменьшить счет за газ может дать им возможность существенно повысить конкурентоспособность. Этим объясняется желание компании Terra Nitrogen воспользоваться возможностью и участвовать в исследовании фабрики по производству аммиака в Вердигрисе, Оклахома (Verdigris, OK) по программе министерства энергетики США Save Energy Now.

Компания Terra Nitrogen – один из основных производителей аммиачных удобрений с годовым доходом более $400 млн. Фабрика компании в Вердигрисе – высокотехнологичное производство, выпускающее около 2,2 млн. тонн раствора искусственной мочевины и 1,1 миллиона тонн аммиака ежегодно. У компании также есть склады в Блере, Невада (Blair, NE) и в Пекине, Иллинойс (Pekin, IL).

Природный газ – это основное сырье для производства водорода, который вместе с азотом дает аммиак, поэтому на заводах требуется огромное количество природного газа. Более того, природный газ служит основным топливом паровых систем завода, необходимых для производства аммиака. В результате, затраты на газ составляют основную часть расходов предприятия, и цель управляющего отдела завода в Вердигрисе — увеличить эффективность производства и паровых систем. Стоимость природного газа во время установки системы была 7$ за БТЕ, этим значением мы будем пользоваться во всех расчетах.

Рис. Одна из новых конденсационных турбин, установленная на втором заводе

Исследование в Terra Nitrogen было проведено в начале 2006 года в рамках работы министерства энергетики. Основной целью было проанализировать использование природного газа на предприятии и найти возможности его экономии. Оценку проводил эксперт министерства Веерсами Венкатесан (Veerasamy Venkatesan) из VGAEC, им были найдены несколько многообещающих возможностей выполнения задачи.

Некоторые из этих предложений были воплощены немедленно: внесены изменения в две турбины, добавлен циклический осушитель, починены конденсационные горшки и устранены утечки пара. В результате этих первоочередных мероприятий ежегодная экономия энергии достигла $3,5 млн. Стоимость проекта составила $3,1 млн., то есть он окупился всего за 11 месяцев.

Исследование также выявило несколько дополнительных возможностей по эко номии энергии, которые сейчас находятся в стадии реализации. Результаты исследования были успешно учтены еще на трех заводах компании.

Рис. Новый циклический дегидратор на втором заводе позволяет экономить до 228 тыс. БТЕ ежегодно

Новые средства

Венкатесан – квалифицированный специалист министерства по использованию про граммы SSAT (средство анализа паровых систем). Он не только воспользовался SSAT для анализа предприятия, но и обучил двух работников предприятия работать с программой, чтобы в будущем они анализировали паровую систему самостоятельно. В ходе обучения они познакомились с программой и научились анализировать собранные данные на предмет поиска изменений, которые позволят повысить эффективность паровой системы.

Руководство Terra Nitrogen постоянно поощряло действия управления фабрики, повышающие эффективность предприятия. До анализа по программе Save Energy Now на предприятии был установлен циклический дегидратор, поэтому персонал и управление завода полностью осознавали целесообразность экономии энергии в результате этого проекта.

Проведенный с помощью SSAT анализ подтвердил эффективность установки циклического дегидратора и оборудования турбины противодавления конденсационной турбиной на втором заводе. После выявления и численного подтверждения этих усовершенствований они были установлены без колебаний.

Рис. Завод Terra Nitrogen в Вердигрисе, Оклахома производит аммиак и раствор искусственной мочевины

После сбора данных и анализа их с помощью SSAT было выявлено несколько усовершенствований, которые должны привести к экономии энергии. Для каждого были оценены технические и экономические риски, после чего их разделили на кратко-, средне- и долгосрочные проекты в зависимости от сложности и окупаемости.

Краткосрочные проекты

Получение пара из воды системы охлаждения: после сброса в коллектор низкого давления огромное количество воды направлялось в башню охлаждения при давлении 35 кПа и температуре 150 С. Если ее направить в воздухоотделитель, можно получать около 500 кг пара в час. Оценочная экономия — $105 тыс. в год.

Установка уловителей пара: несмотря на то, что проверка уловителей пара отдельно не проводилась, комиссия обнаружила, что некоторые из уловителей расположены неправильно или вообще не работают. Оценочная экономия в результате качественной установки и поддержки уловителей — $86 тыс. в год.

Ликвидация утечек пара: несмотря на то, что утечек немного, комиссия рекомендовала проводить анализ утечек и ликвидировать все найденные. Оценочная экономия — $6 тыс. в год.

Среднесрочные проекты

Модификация цикла синтеза: комиссия обнаружила, что цикл синтеза на втором заводе работает неэффективно, требуя огромного количества пара высокого давления. Если изменить направление циркуляции в цикле конденсации аммиака, эффективность производства возрастет, а потребность пара высокого давления снизится. По оценкам комиссии, эффективность производства возрастет на 0,4%, а потребность в паре снизится на 9000 кг в час. Оценочная эффективность 0,4 БТЕ на каждую тонну продукта, что приведет к экономии газа на $1,9 млн. в год.

Усовершенствование турбины: на втором заводе работают 2 турбины с противодавлением, давление пара в которых падает с 380 кПа до 35 кПа, пар низкого давления используется на некоторых других этапах. Турбины с противодавлением питали метилдиэтаноламиновые насосы и были снабжены гидравлическими турбинами. Как обнаружила комиссия, оставшийся пар под давлением 35 кПа выпускался, и порекомендовала заменить турбины более эффективными, конденсационными. Они отличаются большей эффективностью использования пара высокого давления и не теряют пар низкого давления. Оценочная экономия $1,2 млн. в год.

Увеличение эффективности конденсационных турбин: на поверхностных конденсаторах турбин поддерживался вакуум на уровне 610-660 мм.рт.ст., в зависимости от времени года. Установка поглотительной охлаждающей камеры с питанием от отработанной теплоты и предназначенной для охлаждения воды, подающей градирни, могла бы снизить давление на 12,5 мм.рт.ст. Оценочная экономия энергии — $1,2 млн.

Долгосрочные проекты

Линия природного газа высокого давления: на завод в Вердигрисе газ передается под давлением 130 кПа, а для работы требуется давление 387 кПа. Давление увеличивается до нужного значения с помощью парового компрессора. Комиссия рассмотрела возможность создания линии высокого давления со стороны подающей фабрики, которая позволила бы избавиться от компрессоров. Оценочная экономия — почти $6 млн.

Увеличение эффективности бойлеров: эффективность дополнительных бойлеров на первом заводе можно увеличить, снизив температуру с 200 до 160 градусов С. Для этого можно установить предварительный воздушный нагреватель, который бы собирал часть тепла. Оценочная экономия — $945 тыс.

Предпринятые действия

Две наиболее важных из предложенных рекомендаций уже воплощены, и начата работа еще над несколькими.

Турбины обратного давления уже оборудованы конденсационными турбинами, а также установлен циклический дегидратор на втором заводе. Каждое из этих усовершенствований привело к экономии энергии 228 тыс. БТЕ или всего 456 тыс. БТЕ за год. Таким образом, годовая экономия достигла $3,2 млн.

Также на фабрике нанят специалист по тестированию и поиску утечек пара, и установлен инфракрасный детектор утечек пара.

Для достижения таких результатов потребовались простые и прямолинейные решения с очень маленьким периодом окупаемости. После включения затрат на поддержку побочных расходов, другие усовершенствования оказались не столь многообещающими. Однако они инициировали работы по поиску простых, но эффективных решений.

Проанализировав другие, предложенные комиссией усовершенствования, руководство фабрики решило предпринять дополнительные шаги, чтобы увеличить эффективность использования пара. После обследования бойлера на первом заводе оказалось, что его спирали загрязнились, а одна протекает. Очистка и починка бойлера позволили увеличить эффективность процесса на 0,3 БТЕ на каждую тонну продукта.

После ввода в действие конденсационных турбин на первом заводе было решено отложить установку поглощающего охладителя, а вместо этого серьезно заняться турбинами, заменив их роторы, очистив охладители, и заменив выходные наконечники пара низкого давления, во время планового отключения завода в 2007 году.У других рекомендованных усовершенствований был либо большой период окупаемости, либо высокая сложность. Например, с установкой линии высокого давления связано множество побочных и правовых вопросов, которые потребовали бы пересмотра соглашений с поставщиком природного газа.

Уроки

Независимый взгляд со стороны на промышленный процесс может открыть новые и подтвердить множество известных возможностей сэкономить энергию. На заводе Terra Nitrogen в Вердигрисе досконально знали используемую систему и регулярно анализировали использование пара. По своему опыту на заводе также знали, что при замене различных компонентов, эффективность работы всей системы может возрасти. Но системный анализ, проведенный с помощью SSAT, позволил не только оценить известные возможности, но и выявил новые с потенциально большими перспективами.

По результатам анализа были выполнены некоторые из предложенных усовершенствований и внедрена система более тщательного анализа. Программные средства министерства энергетики, такие, как SSAT, AIRMaster+, FSAT (средство анализа вентиляционной системы), MotorMaster+, PHAST (средство анализа и оценки процессов нагрева), PSAT (средство оценки насосной системы) и 3EPlus могут быть использованы для анализа промышленных систем и процессов и выявления новых направлений по экономии энергии.