Θέμα: Εκσυγχρονισμός του Εργοστασίου Αμμωνίας της ΕΚΟ Εισηγητής: Αστ. Καραvίκας, ΕΚΟ. Γενικά χαρακτηριστικά του εργοστάσιου Το εργοστάσιο Αμμωνίας της ΕΚΟ στο βιομηχανικό συγκρότημα Διαβατών Θεσσαλονίκης ξεκίνησε το 1966 με αρχική δυναμικότητα 105 χιλιάδων τόνων αμμωνίας το χρόνο. Σήμερα η ετήσια παραγωγή φθάνει περίπου τους 120 χιλιάδες τόνους, αύξηση που επιτεύχθηκε με τη πραγματοποίηση μικρών σχετικά βελτιωτικών έργων. Ολόκληρη σχεδόν η παραγωγή του εργοστασίου διοχετεύεται με σωλήνωση στις «Χημικές Βιομηχανίες Βορείου Ελλάδος» όπου χρησιμοποιείται για τη παραγωγή λιπασμάτων. Η παραγωγική διαδικασία στηρίζεται στην αναμόρφωση νάφθας και αερίων υδρογονανθράκων παρουσία ατμού. Το σύστημα απομάκρυνσης διοξειδίου του άνθρακα λειτουργεί με ένα διάλυμα που έχει σαν βάση το καυστικό κόλιο και αποτελεί ευρεσιτεχνία της ESSO. Υπάρχουν δύο συστήματα ηλεκτpοκίνητων παλινδρομικών συμπιεστών, ενώ η σύνθεση της αμμωνίας γίνεται στη σχετικά υψηλή πίεση των 31 Ο ατμοσφαιρών. Κατανάλωση ενέργειας Η κατανάλωση ενέργειας, συμπεριλαμβανομένης και της τροφοδοσίας, είναι σήμερα περίπου 38,5 ΜΒΤU/τόνο, σχετικά υψηλή συγκρινόμενη μ αυτή ενός τυπικού μέσης ηλικίας εργοστασίου (που είναι της τάξης των 34-36 ΜΒΤU/τόνο) ή ενός σύγχρονου εργοστάσιου που σχεδιάζεται να καταναλώνει μόνο 27 ΜΒΤU/τόνο. Η σχετικά υψηλή κατανάλωση ενέργειας του εργοστάσιου αμμωνίας έχει ιδιαίτερη βαρύτητα για το κόστος της παραγόμενης αμμωνίας γιατί η ενέργεια αυτή παρέχεται κατά σημαντικό ποσοστό με κατανάλωση νάφθας που είναι αρκετά ακριβότερη από το φυσικό αέριο ή το μαζούτ. Η σχετικά αυξημένη κατανάλωση ενέργειας είναι αποτέλεσμα του αρχικού σχεδιασμού, προσανατολισμένου στην εξασφάλιση καλής λειτουργικότητας και aπλότητας στη λειτουργlα και ταυτόχρονα ελαχιστοποίησης της ε πένδυσης. Στο τομέα αυτό το εργοστάσιο αμμωνίας της ΕΚΟ είναι οπό τα πιο αξιόπιστα σε παγκόσμια κλίμακα με συντελεστή λειτουργίας της τάξης 93-95% και διαστήματα ανάμεσα στις Γενικές Συντηρήσεις τα 3 χρόνια. Πρόγραμμα εκσυγχρονισμού του εργοστά σι ου Στα πλαίσια της προσπάθειας μείωσης του κόστους παραγωγής αμμωνίας για βελτίωση της ανταγωνιστικότητας του εργοστάσιου και παράλληλα με τα έργα για υποκατάσταση της ακριβής νάφθας με αέριους υδρογονάνθρακες, ξεκίνησε η προσπάθεια για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας με εκσυγχρονισμό του εργοστάσιου. Το πρόγραμμα εκσυγχρανισμού του εργοστάσιου αμμωνίας της ΕΚΟ ξεκίνησε στα τέλη του 1985 με συμμετοχή της ΕΧΧΟΝ στα πλαίσια μιας συμφωνίας τεχνολογικής υποστήριξης. Η Μελέτη Βασικού Σχεδιασμού των αλλαγών ολοκληρώθηκε το καλοκαίρι του 1986 με τη συμμετοχή δύο μηχανικών της ΕΚΟ στα γραφεία της ΕΧΧΟΝ Αμερικής. Το έργο εκσυγχρονισμού εγκρίθηκε από το Διοικητικό Συμβούλιο της ΕΚΟ και ΕΛΕΠΕΧ στις 15.10.86 και ήδη έ χει προχωρήσει η διαδικασία πραγματοποίησής του. Φιλοσοφία - στόχοι σχεδιασμού Η προσθήκη εξοπλισμού και οι αλλαγές της παραγωγικής διαδικασίας για τη μείωση κατανάλωσης ενέργειας κατά κανόνα μειώνουν το βαθμό αξιοπιστίας του εργοστάσιου και τη λειτουργικότητά του. Η επίπτωση είναι τόσο μεγαλύτερη όσο λιγότερο αποδεδειγμένες στη πράξη είναι οι μετατροπές που προτείνονται Για την περίπτωσή μας ο εκσυγχρονισμός θα έπρεπε να διατηρήσει την πολύ καλή αξιοπιστία του εργοστάσιου και να υλοποιηθεί χωρίς μακρόχρονη διακοπή της παραγωγής. Το κόστος του πρέπει να είναι σημαντικά μικρότερο από το απαιτούμενο για εγκατάσταση νέου εργοστάσιου και η μείωση της κατανάλωσης τέτοια, ώστε η παραγόμενη αμμωνία να είναι ανταγωνιστική της εισαγόμενης. Τέθηκε στόχος η κατά 20% μείωση της κατανάλωσης ε νέργειας με εφαρμογή βιομηχανικά αποδεδειγμένης τεχνολογίας.
40 Τεχνικά Χρονικά Σεm. - Οκτώβρ. 1989 Μεθοδολογία μελέτης Πρώτο στάδιο της προσπάθειας γιο εξοικονόμηση ενέργειας είναι ο εντοπισμός των περιοχών στις οποίες καταναλώνεται σημαντικό ποσό ενέργειας και όπου θα μπορούσαν να γίνουν τεχνικές βελτιώσεις. Η διαδικασία αυτή γνωστή ώς ENCON SURVEY απαιτεί πείρα, εξειδίκευση με το θέμα και επιτόπια εξέταση. Πέραν από τις σχετικά εύκολες περιmώσεις της αξιοποίησης απορριπτόμενης θερμότητας με τοποθέτηση εναλλάκτη για προθέρμανση ρευμάτων της παραγωγικής διαδικασίας ή για παραγωγή ατμού, εξετάζονται και συνθετότερα σχήματα όπως η αναβάθμιση της μορφής ενέργειας, π.χ. με παραγωγή μηχανικού έργου και ατμού, ή πλήρους αλλαγής της συγκεκριμένης παραγωγικής διαδικασίας (π.χ. διαχωρισμός αμμωνίας με απορρόφηση αντί με ψύξη). Για την περίπτωσή μας αξιοποιήθηκαν προηγούμενα ENCON SURVEYS που είχαν γίνει από την ΕΧΧΟΝ καθώς και ιδέες που είχαν προταθεί από προσωπικό της Ε ΚΟ. Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι αρκετές προτάσεις βελτίωσης γίνονται από το προσωπικό λειτουργίας και συντήρησης (Χειριστές παραγωγής-τεχνίτες). Το επόμενο στάδιο στοχεύει στην εξέταση της οικονομικότητας των τεχνικών βελτιώσεων που εντοπίσθηκαν προηγούμενα και στο διαχωρισμό εκείνων που δεν είναι οικονομικά συμφέρουσες. Εδώ απαιτούνται εκτιμήσεις για το ύψος των απαιτουμένων επενδύσεων, λεmομερέστερος υπολογισμός της εξοικονομούμενης ποσότητας και αποτίμηση της αξίας της. Στο έργο εκσυγχρονισμού η φάση αυτή εξετάσθηκε με τη βοήθεια της ΕΧΧΟΝ και κράτησε περίπου 2 μήνες. Στο τέλος της φάσης είχαν προσδιορισθεί οι περιοχές του εργοστάσιου που θα μπορούσαν να τροποποιηθούν, το είδος των τροποποιήσεων, το ύψος της αναμενόμενης ενεργειακής μείωσης και προσεγγιστικό ύψος επένδυσης. Από τα στοιχεία aυτά υπολογίσθηκαν τα οικονομικά μεγέ~ θη τα σχετικά με την οικονομικότητα του έργου (DCF, Retυrn, χρόνος αποπληρωμής) και καθώς βρέθηκαν ελκυστικά (δηλαδή πάνω aπό τα όρια που τίθενται για την οικονομικότητα μιας επένδυσης) αποφασίσθηκε η παραπέρα εξέταση του έργου. Η λεπτομερής εξέταση των μετατροπών που είχαν εντοπισθεί στην προηγούμενη φάση, ο σχεδιασμός των λεπτομερειών της παραγωγικής διαδικασίας και των βασικών παραμέτρων του νέου εξοπλισμού (Proces Design) ήταν το αντικείμενο της επόμενης φάσης. Ετοιμάσθηκaν ισοζύγια μάζας κι ενέργειας για ολόκληρο το εργοστάσιο και υπολογίσθηκε επακριβώς η αναμενόμενη εξοικο~ νόμηση ενέργειας και η μείωση του κόστους παραγωγής καθώς και το ύψος της απαιτούμενης επένδυσης. Οι υ πολογισμοί έγιναν με εκτεταμένη χρήση ηλεκτρονικού υπολογιστή και ειδικών προγραμμάτων της ΕΧΧΟΝ τα ο ποία επιτρέπουν ανάλυση λειτουργίας και εξομοίωση του συγκεκριμένου εργοστάσιου καθώς και το σχεδιασμό του νέου εξοπλισμού. Η εργασία έγινε από δύο μηχανικούς της ΕΚΟ στα γραφεία της ΕΧΧΟΝ Αμερικής και κράτησε περίπου 5 μήνες. Η επιλογή της συμμετοχής της ΕΧΧΟΝ εξασφάλισε ελαχιστοποίηση του απαιτούμενου χρόνου καθώς αποφεύχθηκαν χρονοβόρες γραφειοκρατικές διαδικασίες (προστασία τεχνογνωσίας έναντι τρίτων) και καθώς υπήρχαν έ- Ετοιμάσθηκε έτσι η Μελέτη Βασικού Σχεδιασμού και οι βασικές προδιαγραφές σχεδιασμού του εξοπλισμού καθώς και ο υπολογισμός κόστους της επένδυσης. τοιμα προγράμματα ηλεκτρονικού υπολογιστή για εξομείωση της λειτουργίας του συγκεκριμένου εργοστάσιου. Για την απόφαση υλοποίησης μιας επένδυσης απαιτούνται οικονομικά στοιχεία που σχετίζονται με τις ιδιομορ~ φίες του συγκεκριμένου έργου. Στην εποχή μας των μεγάλων διακυμάνσεων στις τιμές υδρογονανθράκων και χημικών προϊόντων η ορθότητα στην πρόβλεψη εξέλιξης των τιμών ενέργειας για ένα έργο σχετικά μεγάλης ε πένδυσης είναι ζωτικής σημασίας. Στο έργο εκσυγχρονισμού η ΕΚΟ χρησιμοποίησε εξειδικευμένους οίκους του εξωτερικού για πρόβλεψη στην εξέλιξη των τιμών ε νέργειας και τιμών αμμωνίας. Η οικονομική αξιολόγηση έδειξε θετικό οικονομικό αποτέλεσμα και αποφασίσθηκε η υλοποίηση του έργου. Περιεχόμενο του έργου Με το έργο εκσυvχρονισμού τροποποιούνται οι εξής περιοχές του εργοστάσιου: α. Τμήμα μεταφοράς τοu πρωτογενή αναμορφωτή Ο φούρνος της πρωτογενούς αναμόρφωσης έχει σήμερα σχετικά χαμηλή θερμική απόδοση (περίπου 82%) λόγω μεγάλων απωλειών θερμότητας στα καυσαέρια. Ο φούρνος είναι φυσικού εκλυσμού και για τη λειτουργία του είναι απαραίτητη σχετικά υψηλή θερμοκρασία καμινάδας, στοιχείο που είχε οδηγήσει στο παρελθόν σε σχεδιασμό ζώνης μεταφοράς με μικρή σχετικά θερμική απόδοση σε όφελος του ελκυσμού, που ήταν οριακός στις υπάρχουσες λειτουργίες της ζώνης μεταφοράς (ατμοπαραγωγή και προθέρμανση νερού λεβήτων) είναι σχετικά απλές σε αντίθεση με ότι συμβαίνει στα σύγχρονα εργοστάσια, όπου εκδηλώνονται πλέον περίπλοκες λειτουργίες που στοχεύουν στη μείωση του φορτίου του φούρνου (κατανάλωση καυσίμου) και σε βελτίωση της ό λης παραγωγικής διαδικασίας. Η τακτική που ακολουθήθηκε στο έργο εκσυγχρονισμού για τον πρωτογενή αναμορφωτή ήταν η εξής: Μείωση του φορτίου του ώστε να μειωθεί το καύσι~ μο και ο όγκος καυσαερίων. Επανασχεδιασμός της ζώνης μεταφοράς προσθέτοντας νέες λειτουργίες, όπως η προθέρμανση της αέριας τροφοδοσίας και του αέρα δευτερογενούς α ναμόρφωσης καθώς και εξαερίωση της νάφθας τροφοδοσίας. Ταυτόχρονα επιδιώκεται καλύτερη θερμική απόδοση με προσθήκη επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας, δυνατότητα που παρέχεται πλέον από τη μείωση του φορτίου. Γι αποφυγή υψηλού κόστους επένδυσης διατηρήθηκε ο φυσικός ελκυσμός. Με τις αλλαγές στη ζώνη μεταφοράς προβλέπεται αύξηση της θερμικής απόδοσης από 82% στο 88% με μείωση της θερμοκρασίας καμινάδας. Χάρις και στις αλλαγές που προκαλούνται στα υπόλοιπα τμήματα του εργοστάσιου το φορτίο του φούρνου μειώνεται κατά 25% με αποτέλεσμα ισόποση μείωση στην κατανάλωση καυσίμου.
Σεπτ. Οκτώβρ. 1989 Τεχνικά Χρονικά 41 Η εξαέρωση της νάφθας στη ζώνη μεταφοράς του πρωτογενή αναμορφωτή καταργεί τη λειτουργία του υπάρχοντα εξαεριωτή που έχει πολύ χαμηλή απόδοση (< 70%), ενώ η προθέρμανση του αέρα δευτερογενούς α ναμόρφωσης βοηθά στη μεταφορά μέρους του φορτίου αναμόρφωσης στο δευτερογενή αναμορφωτή που λειτουργώντας αδιαβατικά έχει θερμική απόδοση πρακτικά 100%. Τη μελέτη κι εκτέλεση των αλλαγών στη ζώνη μεταφοράς του πρωτογενή αναμορφωτή έχει αναλάβει προσωπικό της ΕΟΚ. β. Τμήμα απομάιφυνσης διοξειδίου του άνθρακα Στο τμήμα αυτό καταναλώνεται σήμερα σημαντική ποσότητα ενέργειας για την απογύμνωση του διαλύματος α πορρόφησης co,. Για μείωση της κατανάλωσης ενέργειας εφαρμόζεται η σχετικά νέα τεχνική της εκτόνωσης του «πτωχού» διαλύματος κι επανασuμπίεσης των παραγόμενων ατμών που επιστρέφουν στο κάτω μέρος του πύργου aπογύμνωσης. Με την τεχνική αυτή σήμερα χάνεται στο περιβάλλον και μειώνονται σημαντικά σι θερμικές απαιτήσεις στον αναβραστήρα του πύργου aπογύμνωσης επιτρέποντας έτσι τη δραστική μείωση του ατμού που προστίθεται στον πρωτογενή αναμορφωτή. Υπολογίζεται ότι η ποσότητα ατμού στην αναμόρφωση θα μειωθεί κατά 30% με αποτέλεσμα η κατανάλωση καυσίμου στον πρωτογενή αναμορφωτή να μειωθεί κατά 25%. Το τμήμα αυτό του έργου θα πραγματοποιηθεί (λεπτομερής σχεδίαση, προμήθεια υλικών) από προσωπικό της ΕΚΟ. γ. Τμήμα σύνθεσης αμμωνίας Σήμερα όλη η θερμότητα που παράγεται από την εξώθερμη αντίδραση σύνθεσης αμμωνίας χάνεται στο περιβάλλον στους αεροψυκτήρες προίόντος αντιδραστήρα αμμωνίας. Ανάκτηση της θερμότητας αυτής με κλασικά σχήματα (τοποθέτηση εναλλάκτη) είναι δύσκολη καθόσον διατίθεται σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (είσοδος αντιδραστήρα 30 βαθμούς C, έξοδος 21 Ο βαθμ. C). Στα περισσότερα εργοστάσια αμμωνίας η θερμότητα α ντίδρασης αξιοποιείται για παραγωγή ατμού υψηλής πίεσης με κατάλληλη διάταξη του τμήματος σύνθεσης ώστε οι θερμοκρασίες εισόδου-εξόδου του αντιδραστήρα να είναι υψηλές. Με το έργο εκσυγχρονισμού προβλέπεται αντικατάσταση του αντιδραστήρα με νέο μεγαλύτερης δυναμικότητας και με υλικά κατάλληλα για υψηλές θερμοκρασίες καθώς και η τοποθέτηση ενός ατμοπαραγωγού εναλλάκτη στην έξοδο κι ενός εναλλάκτη προίόντος / τροφοδοσίας. Προβλέπεται παραγωγή 18 Τ Ι Η R ατμού 28 atm που θα χρησιμοποιείται στην αναμόρφωση. Το τμήμα αυτό του έργου θα υλοποιηθεί από εξειδικευμένους οίκους του εξωτερικού. Το σχήμα 1 δείχνει μια α πλοποιημένη διάταξη της μετατροπής του τμήματος σύνθεσης. δ. Διαχωρισμός υδρογόνου από το αδρανές αέριο (ρurge gas) Με την αύξηση των τιμών πρώτων υλών κι ενέργειας η προσθήκη μονάδας ανάκτησης υδρογόνου από το «αδρανές αέριω> που εκδιώκεται από το τμήμα σύνθεσης αποτελεί τμήμα όλο και περισσότερων εργοστάσιων μεσαίου-μεγάλου μεγέθους. Η εφαρμογή της τεχνολογίας των ημιπερατών μεμβρανών που αναπτύχθηκε τα τελευταία 6-7 χρόνια έχει κάνει οικονομικά συμφέρουσα την ανάκτηση υδρογόνου από το (<αδρανές αέριο» και σε μικρότερες μονάδες, όπως το εργοστάσιο της Θεσσαλονίκης. Στην περίπτωσή μας προβλέπεται η εγκατάσταση μονάδας μεμβρανών σύνθεσης με αντίστοιχη εξοικονόμηση νάφθας τροφοδοσίας. Με τη μονάδα αυτή προβλέπεται να παραχθούν επί πλέον (απ ότι χωρίς την εγκατάστασή της) 7.1 Τ /μέρα αμμωνίας με κατανάλωση ενέργειας για την παραγωγή τους ίση με 23 ΜΒΤUιτ. Η ε γκατάσταση της μονάδας θ ανατεθεί σε οίκους του ε ξωτερικού που διαθέτουν τεχνολογία διαχωρισμού με μεμβράνες. Αναμενόμενα αποτελέσματα Με την πραγματοποίηση του έργου εκσυνχρονισμού στο εργοστάσιο αμμωνίας της ΕΚΟ αναμένονται τα εξής: 1. Σταθερό ύψος παραγωγής αμμωνίας. 2. Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας κατά 17,4% (από 38.5 ΜΒΤUιτ σε 31.8 ΜΒΤUΙη. Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται η ευνοϊκή μετατόπιση του εργοστάσιου σε σχέση με τα εργοστάσια της Δυτ. Ευρώπης. Οι κυριότερες αλλαγές σε παράμετρους λειτουργίας προβλέπεται να είναι: 1. Μείωση της ποσότητας ατμού στην αναμόρφωση κατά 30% με αποτέλεσμα τη μείωση στη κατανάλωση καυσίμου (καύσιμη νάφθα) κατά 25% ή περίπου 8.000 τ ετησίως. 2. Αύξηση στις εξαγωγές ατμού κατά 17 Τ /HR που θα μειώσουν ισόποσα την ατμοπαραγωγή των λεβήτων του συγκροτήματος με αποτέλεσμα μείωση στη κατανάλωση μαζούτ κατά 10.800 Τ ετησίως και μείωση στην επιβάρυνση του περιβάλλοντος από τις εκπομπές so,. Το ύψος της απαιτούμενης επένδυσης υπολογίσθηκε ίσο με 8.3 ε κατ. δολλάρια. Χρονοδιάγραμμα ολοκλήρωσης Προβλέπεται το έργο να ολοκληρωθεί στο 2ο τρίμηνο του 1989 στη διάρκεια της επόμενης Γενικής Συντήρησης του εργοστάσιου.
42 Τεχνικά Χρονικά Σεπτ. - Οκτώβρ. 1989 Q Preς~ 111- ι. D τ e..pe-a.l... oc. Σκ 1. Μετατροπές τμήματος σύνθεσης
Σεπτ.- Οκτώβρ. 1989 Τεχνικά Χρονικά 43., Ι τ--+.,, _,... τ- ~ -- i-- -;--τ-- : - t_.:_ =ε{~-r-,--~-ι:ι:ιξ Cf =ΞπfΊΞ~-<tι~,- ~ - ---- H-; 1 -r-i -Η-. --+ j i -L -~~ -----: --ι t -- - - --t----- ι.i -1-1, j - 2 - - ~ --; i 1 i, j j.! 1 τ ----τ \_j_,_i-1--l--~--ι~:, ], -1~-i τ.j., j - j -- ---!! ; _J! - ~ τ --- j-~ ; - ~ 1 -ϊ-,------+ i+ Γl.. 1 i. _._1,-:-: 1 jt, - --_, --; ι- -_---~- r --t--r i -;- ---- ---:- 1 Ι.l ~!~ Ά(~nl) ψν ~}ωi!rι ;