Menu
  • Menu

    Komplementarna modernizacja istniejących instalacji nawozowych

    O ile nie zaistnieją jakieś nadzwyczajne okoliczności, raczej nie powinniśmy spodziewać się budowy w Polsce nowych wytworni amoniaku, mocznika czy saletry amonowej.

    Koszty takiej inwestycji przekraczają możliwości lokalnych inwestorow, a zagraniczni wolą budować w krajach Zatoki Perskiej, Chinach, Indiach, Indonezji, Afryce czy Ameryce Południowej i USA – jak najbliżej źrodeł węglowodorow. Przed rodzimymi firmami stoi wyzwanie jak najlepszego wykorzystania istniejących wytworni w celu dostosowania ich do coraz bardziej restrykcyjnych wymogow ochrony środowiska oraz uzyskania jak największej wydajności i efektu synergii z resztą zakładu. W dwoch słowach – modernizacja komplementarna.

    Modernizować, ale po co?

    W zdecydowanej większości przypadków bezpośrednią przyczyną powzięcia decyzji o modernizacji jest konieczność wynikająca z zaostrzających się przepisów ochrony środowiska i wynikających z nich ograniczeń emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Należy zauważyć również, że emisja np. amoniaku, dwutlenku węgla czy pyłu mocznika to realna strata wydajności: część produktu po prostu ucieka, a z nim tracony jest potencjalny zysk firmy. Powodowane straty są na tyle pokaźne, że trudno przejść nad nimi do porządku dziennego. Dodatkowym bodźcem są ewentualne kary za przekroczenie parametrów emisji lub nawet w ostateczności – konieczność zamknięcia instalacji. Udany proces modernizacji – oprócz poprawy parametrów emisyjnych – pozwala również zwiększyć dotychczasową wydajność produkcyjną o bardzo znaczące ilości, zwykle od 30 do 50 proc. Zwiększone w ten sposób zyski znacznie poprawiają wskaźniki ekonomiczne inwestycji modernizacyjnej.

    Co modernizować?

    Scenariusze komplementarnej modernizacji wytwórni nawozowych bywają zróżnicowane, ale można wskazać główne węzły i systemy, które poddawane są zwykle modyfikacjom.

    Modernizacja instalacji amoniakalnych (1)

    Amoniak jest podstawową substancją służącą w dalszych etapach produkcji do wytwarzania mocznika. Synteza amoniaku polega na połącze- niu atomów wodoru i azotu w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury. Zanim jednak dojdzie do syntezy, składniki muszą przejść szereg etapów, w których gaz syntezowy jest przygotowywany. W Instytucie Nawozów Sztucznych opracowano projekt modernizacji energochłonnych węzłów wytwórni amoniaku o wydajności do 1700 t NH3/d.Modernizacja prowadzi do zmniejszenia wskaźnika zużycia gazu ziemnego i umożliwia intensyfikację wytwórni amoniaku, przy jednoczesnej poprawie czystości usuwanego CO2, stanowiącego następnie surowiec do produkcji mocznika.

    Projekt polega na wprowadzeniu oryginalnych rozwiązań w węźle rozkładu metanu oraz węźle przygotowania gazu do syntezy amoniaku. W linii rozkładu metanu wykorzystuje się ciepło gorącego kondensatu procesowego, podgrzanego przy użyciu odpadowego ciepła spalin, do saturacji gazu ziemnego kierowanego do procesu reformingu parowego. Efektem bezpośrednim zastosowania saturacji jest zmniejszenie zużycia pary technologicznej, wytwarzanej kosztem spalania gazu opałowego, a w konsekwencji zmniejszenie zużycia gazu ziemnego i obniżenie energochłonności procesu. Wymierne efekty ekonomiczne zastosowania tego rozwiązania to obniżenie wskaźnika zużycia gazu ziemnego o około 12 Nm3/t NH3 (około 0,42 GJ/t NH3) i zmniejszenie zużycia wody zdemineralizowanej w systemie pary wysokiego ciśnienia o około 0,4 t/t NH3. W instalacjach przygotowania gazu do syntezy amoniaku CO2 wymywa się ze strumienia gazu procesowego aktywowanym roztworem węglanu potasu (węzeł Benfield/Carsol) – proces wymaga znacznej ilości ciepła do regeneracji roztworu myjącego. Istotą opracowanego w Instytucie projektu modernizacji tego węzła jest rekuperacja ciepła gorącego roztworu węglanu potasowego odbieranego z regeneratora, połączona z wytwarzaniem pary niskociśnieniowej, którą wykorzystuje się do regeneracji.

    Gorący roztwór węglanu potasu odbierany ze środkowej półki regeneratora wprowadza się nad powierzchnię roztworu do jednokomorowego ekspandera, współpracującego z kotłem pary niskociśnieniowej i inżektorem parowym. Wykorzystanie dodatkowego strumienia pary wytworzonej w wyniku gwałtownego odparowania roztworu przepływającego przez ekspander przynosi 25-proc. zmniejszenie zapotrzebowania pary zewnętrznej do regeneracji roztworu. Dzięki wyeliminowaniu „wąskiego gardła” i poprawie efektywności energetycznej modernizacja węzła Benfield/ Carsol według projektu INS stwarza możliwość zwiększenia zdolności produkcyjnej wytwórni amoniaku o 15–20 proc. oraz obniżenia wskaźnika zużycia gazu ziemnego o około 25 Nm3/t NH3. Zastosowanie dodatkowego systemu separacji inertów, zainstalowanego w linii bogatego roztworu przepływającego z absorbera do regeneratora, pozwala na uzyskanie strumienia CO2 o wysokiej czystości (> 99,9 proc. obj.), z zawartością wodoru poniżej 0,05 proc. Strumień CO2 odbierany z regeneratora może być wykorzystywany do produkcji mocznika bez konieczności drogiego, katalitycznego doczyszczania.

    Rozwiązania są chronione patentami (P. 387590 i PL 208158). Efekty ekonomiczne, biorąc pod uwagę skalę produkcji amoniaku, są znaczące. Nie można także pominąć aspektu ekologicznego – znacznego zmniejszenia ilości zanieczyszczeń w kondensacie zrzucanym do ścieków i mniejszej emisji CO2 do atmosfery (redukcja efektu cieplarnianego). Rozwiązanie zostało pomyślnie wdrożone w 15 instalacjach (wytwórniach amoniaku) w Polsce, Rosji, Niemczech, na Ukrainie, Białorusi, Węgrzech. Warto podkreślić, że kontrakty na modernizację realizowane są kompleksowo – obejmują licencję i knowhow, dostawę dokumentacji bazowej i pełnej dokumentacji technicznej, nadzór autorski podczas budowy i uruchomienia oraz dostawę kompletu aparatów, orurowania, armatury i urządzeń AKP.

    Modernizacja wytwórni mocznika (2)

    Naczelnym celem modernizacji wytwórni mocznika jest najczęściej zwięk szenie wydajności przy maksymalnym wykorzystaniu istniejących aparatów i urządzeń. Nie bez znaczenia są również koszty inwestycji oraz eksploatacji (zużycie energii i surowców), które należy minimalizować. Modernizacje instalacji mocznika powstałych w latach 70. i 80. przynoszą pokaźne zwiększenie wydajności na poziomie od 30 do nawet 50 proc., są więc jedną z najczęściej rozpatrywanych ewentualności przy poszukiwaniu rozwiązań na uzyskanie dodatkowej ilości produktu przy minimalnych nakładach inwestycyjnych, a więc na zwiększenie rentowności zakładów produkcyjnych. Sercem wytwórni mocznika jest reaktor, w którym zachodzą najważniejsze przemiany chemiczne, składające się na proces syntezy mocznika: egzotermiczna reakcja amoniaku z dwutlenkiem węgla, której produktem jest karbaminian amonu, a następnie endotermiczna reakcja rozpadu karbaminianu do mocznika i wody.

    Oczekując dużego przyrostu wydajności, należy w pierwszym rzędzie rozważyć modyfikację tego aparatu. W większości wypadków zmiany dotyczą wnętrza reaktora i wiążą się z wymianą lub instalacją nowych półek reakcyjnych. Należy się spodziewać, że zwiększona wydajność i w ogóle zmiana warunków pracy reaktora pociągnie za sobą konieczność modyfikacji innych elementów pętli syntezy, np. strippera, kondensatora i pomp cyrkulacyjnych. W wielu przypadkach zmiany nie muszą być radykalne. Na przykład, dzięki zwiększeniu stopnia konwersji mocznika ilość nieprzereagowanych substancji kierowanych do strippera maleje, co umożliwia zwiększenie jego wydajności. W efekcie aparat zaprojektowany dla instalacji o znacząco niższej mocy przerobowej, może być często nadal z powodzeniem wykorzystywany przy zwiększonej produkcji bez konieczności jego modyfikowania. W przypadku pomp również wystarczy w wielu wypadkach np. zamiast zupełnej wymiany urządzeń na nowe, zmodyfikować istniejące, aby były w stanie obsłużyć instalację pracującą z nową, zwiększoną wydajnością.

    Warto tu zaznaczyć, że zwiększenie wydajności instalacji nie musi powodować zwiększonego zużycia reagentów oraz energii i mediów pomocniczych. Przeciwnie, modernizując instalację, dąży się do zmniejszenia np. współczynnika zużycia amoniaku na tonę mocznika, co jest możliwe do osiągnięcia i oczekiwane. Modernizacja wytwórni mocznika w Zakładach Azotowych Puławy SA na podstawie Projektu Podstawowego Urea Casale, będąca częścią megaprojektu „Tlenownia – amoniak – mocznik”, przyniosła zwiększenie wydajności o 20 proc. (do 1 215 000 t/rok), obniżenie zużycia amoniaku oraz pozwoliła na pełną integrację z istniejącymi wytwórniami melaminy. Zwiększona ilość syntetyzowanego mocznika pociąga za sobą również większą ilość wyprowadzanych z układu kondensatów procesowych – wody, która powstaje w reakcji rozpadu karbaminianu amonu, oraz wody cyrkulującej w systemie.

    Należy przyjąć, że kondensaty opuszczające współczesną wytwórnię mocznika, powinny zawierać nie więcej niż kilka, np. 3 ppm (parts per million – liczba cząstek na milion) mocznika i amoniaku. Aby osiągnąć ten cel, należy liczyć się z koniecznością znaczącej modernizacji istniejących systemów oczyszczania lub wręcz inwestycji w nową, sprawniejszą oczyszczalnięścieków przemysłowych. Posiadanie nowej oczyszczalni ścieków może dodatkowo okazać się korzystne dla istniejących instalacji, przekładając się na lepsze wyniki i korzystniejsze parametry całości zakładu.

    Modernizacja węzła granulacji – usuwanie pyłu i amoniaku (3)

    Zatężony roztwór mocznika (około 99,7 proc.) o temperaturze pow. 133°C jest w sekcji granulacji przetwarzany na granule. W procesie tym, z powodu np. zderzania się ze sobą granul, powstaje pył, a stygnący mocznik uwalnia pewne ilości gazowego amoniaku. Powietrze, którym chłodzone są zestalające się granule, zawiera więc amoniak i pył mocznika i to w ilościach przekraczających dozwolone normy. Jak ilustruje to Tabela nr 1, ilości emitowanego pyłu produktu oraz amoniaku generują realne straty oraz dodatkowo zwiększają niekorzystny wpływ instalacji na środowisko naturalne. Modernizacja węzła granulacji powinna mieć więc na celu ograniczenie emisji i zagospodarowanie odzyskanych substancji. Tabela nr 2 przedstawia faktyczne poziomy emisji pyłu i amoniaku z różnych systemów granulacji mocznika, a Tabela nr 3, dozwolone stężenia tych zanieczyszczeń w powietrzu kierowanym do atmosfery. W celu usunięcia amoniaku i pyłu mocznika najskuteczniejsze okazują się procesy mokre.

    Dostępne systemy różnią się – niekiedy znacznie – ze względu na sposób rozwiązania skruberów, rodzaje zastosowanych demisterów i układów zraszania gazu. Przy wyborze odpowiedniego rozwiązania do ograniczenia emisji oraz doboru koniecznych urządzeń, należy więc rozważyć następujące parametry: ilość gazu, który ma być poddany oczyszczeniu; zanieczyszczenia do usunięcia, tzn. czy jedynie pył mocznika czy pył mocznika i amoniak; w przypadku potrzeby usunięcia zarówno pyłu, jak i amoniaku, czy produkty oczyszczania mają być odbierane z instalacji w postaci jednego czy dwu osobnych strumieni; zawartość pyłu i amoniaku w gazie do oczyszczenia; temperatura gazu. Jednym z kluczowych zagadnień przy komplementarnym podejściu do modernizacji, polegającym na dodaniu do istniejącego węzła granulacji systemu usuwającego pył i amoniak, jest sposób zagospodarowania produktów oczyszczania. Należy bowiem unikać sy- tuacji, w której usuwany jest jeden rodzaj zanieczyszczenia, a w jego miejsce wytwarzany inny. Przeciwnie, wszystkie produkty oczyszczania muszą znaleźć zastosowanie poprzez zawracanie do systemu lub wykorzystywanie w innych instalacjach.

    Produkty oczyszczania różnią się w zależności od zastosowanego typu skrubera, zanieczyszczeń, które należy usunąć, i wykorzystywanych dodatków np. kwasu siarkowego lub azotowego. W najprostszym przypadku, gdy system odpylania ma za zadanie oczyszczenie strumienia powietrza z pyłu mocznika, produktem jest około 25 proc. wag. wodny roztwór mocznika. Jeżeli wśród składników niepożądanych oprócz pyłu w powietrzu znajduje się gazowy amoniak, do skrubera należy dodać kwas siarkowy lub azotowy (kwaśna absorpcja), otrzymując odpowiednio siarczan lub azotan amonu. Produktem oczyszczania w takim wypadku będzie roztwór mocznika i odpowiednio siarczanu (UAS) lub azotanu amonu (UAN), który można wykorzystać do produkcji nawozów płynnych.

    Przy zastosowaniu skruberów o specjalnej konstrukcji, tzw. dwustopniowych, strumienie produktów oczyszczania można rozdzielić i uzyskać osobno roztwór mocznika i roztwór siarczanu / azotanu amonu, a następnie wykorzystać je zgodnie z wymaganiami i możliwościami zakładu, np. roztwór mocznika zawrócić do sekcji odparowania w instalacji mocznika, a roztwory soli amonowych skierować do węzła krystalizacji lub wytwórni nawozów płynnych.

    Integracja z istniejącymi instalacjami (4)

    Każdy zakład ma własną specyfikę, wynikającą z lokalnych uwarunkowań i gamy wytwarzanych produktów. Nie można więc przedstawić jednej recepty odpowiedniej dla wszystkich. Nie mniej jednak, w koncepcji modernizacji komplementarnej niezwykle ważną rolę odgrywa całościowe spojrzenie na zakład produkcyjny i znalezienie jak największej ilości synergii. Na przykład, wybudowanie nowej oczyszczalni ścieków z wytwórni mocznika, która ma pracować ze zwiększoną wydajnością, może być również korzystne dla fabryk melaminy, których odpady można będzie tam oczyścić.

    Natomiast technologia oczyszczania powietrza z sekcji granulacji musi być tak dobrana, by jej produkty można było jak najmniej- szym kosztem wykorzystać na innych instalacjach produkcyjnych. Przy opracowywaniu koncepcji modernizacji, a potem przy jej wdrożeniu, niezwykle ważną rolę odgrywa wiedza i doświadczenie projektantów, którzy muszą znać się nie tylko na jednej technologii, np. produkcji mocznika, ale być w stanie objąć koncepcją wszystkie inne instalacje. W tym celu najlepiej sprawdzają się wielobranżowe biura projektowe, blisko współpracujące z dawcami technologii oraz placówkami badawczymi. Warto podkreślić jeszcze znaczenie bliskiej współpracy z właścicielem modernizowanych instalacji, z jego służbami utrzymania ruchu i obsługą instalacji.

    To właśnie personel, na co dzień mający do czynienia z poszczególnymi urządzeniami, posiada wiedzę praktyczną, niezwykle przydatną w procesie modernizacji. Zrozumienie i – w miarę możliwości – uwzględnienie ich potrzeb, ma bezpośrednie przełożenie na ostateczny sukces i zadowolenie użytkowników, wynikające z komfortu pracy przy obsłudze instalacji. Jednym z najpoważniejszych problemów organizacyjnych, z jakim musi się zmierzyć zespół prowadzący modernizację, jest zatrzymanie istniejących instalacji w celu ich zmodyfikowania.

    Oczywistym celem będzie tutaj ograniczenie postoju do niezbędnego minimum. Jak pokazuje doświadczenie, posiadając odpowiedni potencjał projektowy i organizacyjny oraz przy bliskiej współpracy z inwestorem i jego służbami, możliwe jest dokonanie nawet znacznych modernizacji, nie wydłużając jednocześnie normalnego postoju remontowego instalacji. Jest to zadanie niezwykle trudne, gdyż wymaga ogromnego doświadczenia projektowego, prowadzenia prac budowlanych często w bezpośredniej bliskości działających instalacji i doskonałej organizacji pracy. Warto jednak postawić sobie tak ambitny cel, gdyż każdy dzień postoju fabryki oznacza realne, wymierne straty, które należy doliczyć do kosztów modernizacji.

    Podsumowanie

    Patrząc realnie na sytuację w naszej części Europy, nie należy się spodziewać w najbliższym czasie znaczących inwestycji w nowe instalacje nawozowe. Wzrost produkcji przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztów operacyjnych i zwiększeniu rentowności, można uzyskać przez dobrze zaplanowaną i sprawnie przeprowadzoną modernizację istniejących wytwórni. Nasze rodzime zakłady chemiczne należą do najekonomiczniejszych na świecie, dzięki czemu – mimo stosunkowo drogiego surowca – są w stanie wytwarzać produkty charakteryzujące się bardzo dobrym stosunkiem jakości do ceny, które są w stanie nie tylko zaspokoić potrzeby rynku lokalnego, ale również zagranicznego.

    Jak ilustrują to konkretne przykłady, np. megaprojekt „Tlenownia – amoniak – mocznik” zrealizowany przez Zakłady Azotowe Puławy SA, bliska współpraca inwestora z jednostką projektową oraz instytucjami naukowymi i licencjodawcami, a także komplementarne podejście do modernizacji zakładu przynoszą wymierne korzyści inwestorowi, ale także pozytywnie wpływają na lokalną społeczność i środowisko naturalne.

    Dodaj komentarz

    Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *