Разработка методологии технического и теплоэнергетического обоснования на основе методов математического моделирования эффективности инновационного проекта реконструкции производств аммиака с организацией получения нового продукта - метанола, страница 3

Несмотря на то, что цены на метанол всегда несколько выше цен на аммиак, на рынке вполне может сложиться ситуация, при которой будет выгоднее выпускать аммиак, чем метанол. В этом случае контур метанола легко останавливается и отсекается арматурой от агрегата аммиака без необходимости остановки всего совместного производства. Таким образом, производство перейдет на выпуск только аммиака. Соответствующий режим нами  также смоделирован.

          Из вышеизложенного следует, что совместное производство аммиака и метанола является гибкой химико-теплоэнергетической системой, позволяющей изменять выработку метанола и аммиака и при необходимости легко переходить на выпуск только аммиака.

          Важнейшим показателем эффективности работы совместного производства является степень переработки природного газа, поэтому мы уделили этому вопросу особое внимание.

          Как уже указывалось выше, потребление водорода на синтез метанола и необходимость поддержания соотношения H2/N2 в синтезе аммиака вызывает снижение расхода воздуха и, соответственно, кислорода в аппарат вторичного риформинга. Поэтому в результате реакций горения выделяется меньше тепла и температура на выходе из реактора снижается. Как следствие, уменьшается степень превращения метана по эндотермической реакции (плакт). В итоге снижается глубина переработки природного газа, концентрация метана на выходе из риформинга возрастает. Описанное явление характерно как для увеличения нагрузки на контур метанола (рис. 42), так и для увеличения нагрузки на все совместное производство (рис. 43). Непереработанный метан проходит через все дальнейшие стадии как инертный элемент, ухудшая условия синтеза конечных продуктов.

На стадии синтеза аммиака метан накапливается в значительных количествах (плакаты).

Большие концентрации метана приводят к увеличению расхода газовой смеси через компрессор синтез-газа, имеющий в качестве привода турбину, работающую на паре давлением 105 ата (плакат). Соответственно, возрастает потребление турбиной пара. Пар вырабатывается частично за счет утилизации тепла реакций в котлах-утилизаторах (примерно 70 %), частично за счет сжигания природного газа во вспомогательном котле (плакат). Котлы-утилизаторы установлены после вторичного риформинга, и выработка пара в них уменьшится из-за снижения температуры.

Увеличение потребления пара турбиной и снижение выработки пара в котлах-утилизаторах неизбежно компенсируется увеличением нагрузки на вспомогательный котел, вызывая повышенный расход природного газа на получение пара.

Таким образом, снижение расхода воздуха во вторичный риформинг вызывает увеличение потребления природного газа на сжигание, что крайне невыгодно экономически. Для устранения этой проблемы мы предлагаем решение, смысл которого описан ниже.

На ОАО ''Череповецкий ''Азот'' в цехе разделения газа методом низкотемпературной ректификации из воздуха получают чистый азот. При этом в атмосферу выбрасывается  7000 – 7500 нм3/ч кислорода. Целесообразно подать кислород на всас компрессора воздуха агрегата аммиака, для чего достаточно установить простой центробежный нагнетатель малой мощности с электроприводом. В результате воздух станет более богат кислородом, во вторичном риформинге увеличится температура газа на выходе и степень переработки природного газа. Схема подачи кислорода показана на плакате.

Как видно, схема требует минимального количества оборудования.

Чтобы оценить влияние дозирования кислорода на режим работы совместного производства, мы разработали математическую модель выработки и потребления пара давлением 105 ата, включающую расчет мощности компрессора и турбины и тепловые балансы котлов-утилизаторов и вспомогательного котла (плакат).

Затем мы смоделировали несколько режимов работы совместного производства при различных расходах кислорода.

          Как видно графика, по мере увеличения дозировки кислорода температура на выходе из реактора вторичного риформинга быстро возрастает.

В результате увеличения температуры падет концентрация метана после риформинга (плакат) и в синтезе аммиака (плакат).

Расход газовой смеси через компрессор значительно снижается, турбина потребляет меньше пара. Кроме того, за счет увеличение температуры в котлах-утилизаторах вырабатывается большее количество пара. Конечным результатом и того, и другого является снижение расхода природного газа во вспомогательный котел, как это показано на графике.

          На основании приведенных графиков можно сделать следующие выводы:

1)  дозирование кислорода в риформинг является эффективным мероприятием, позволяющим экономить 1500-2000 нм3/ч природного газа;

2)  для реализации данного решения требуется минимальное количество оборудования – нагнетатель малой мощности с электродвигателем и холодильник с небольшой поверхностью теплообмена, а сырьем являются отходы цеха разделения воздуха - выбросы кислорода в атмосферу.

Предложенные нами решения позволяют использовать оборудование агрегата аммиака (турбина, блок подготовки воды, насосы питательной воды, огневой подогреватель) и утилизировать неиспользуемые отходы (низкопотенциальный пар, кислород). Для реализации этих решений требуется минимальное количество оборудования и сырья (природный газ, электроэнергия, оборотная вода).

 В результате замены электродвигателя на турбину экономится около 2800 кВт/ч электроэнергии, или 22,5  млн. руб. в год. В результате рациональной организации теплообмена в контуре метанола вырабатывается также пар низкого давления с получением 70-75 % тепла, необходимого для ректификации метанола-сырца.

          Организация взаимосвязи между контуром метанола и агрегатом аммиака позволяет утилизировать до 50 % низкопотенциального пара, являющегося отходом производства аммиака. Это соответствует 4,9 Гкал/ч тепла или 10 млн. руб. в год.

Дозирование кислорода позволяет сэкономить 1500-2000 нм3/ч природного газа, или 9-12 млн. руб. в год.

Основные выводы:

          1) Разработаны научные основы и алгоритм моделирования совместного производства аммиака и метанола

2) Эффективность предложенных нами  решений подтверждена результатами моделирования.

          2) Моделирование различных режимов работы совместного производства аммиака и метанола показывает, что без остановки всего совместного производства можно легко изменять нагрузки на контур метанола и на все производство, переходить на выпуск только аммиака и в случае недостатка природного газа вырабатывать метанол. Все это позволит реагировать на рыночные изменения и получать за счет этого дополнительную прибыль, т.к. метанол и аммиак имеют совершенно разные рынки сбыта.

3) Данные, полученные в результате моделирования различных режимов работы совместного производства аммиака и метанола, являются базовыми для дальнейшего экономического и коммерческого анализа этого инновационного проекта. Они позволяют определить расход основных видов сырья, выработку продукции, а также другие технико-экономические показатели производства.

          Реализация инновационного проекта совместного производства аммиака и метанола и предложенных технических решений позволит модернизировать крупные действующие производства аммиака: увеличить производительность и расширить ассортимент продукции с одновременным снижением энергопотребления. При этом удается наиболее целесообразно использовать теплоэнергетические ресурсы с учетом уровня их потенциала и конкретных потребностей комплексных производств в источниках энергии. Конечным итогом такой модернизации станет повышение конкурентоспособности продукции предприятий азотной промышленности.