合成氨工藝流程(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 節能增產的目標，技術水平大大提高，縮小了與低能耗制氨工藝的差距。(1)第一輪改造。主要采用節能降耗新技術，改造后，傳統天然氣合成氨裝置每噸氨的能耗由41．87 GJ降至35．7 GJ左右，傳統輕油合成氨裝置每噸氨的能耗下降為37．16 GJ。其采用的技術主要包括：一段轉化爐煙氣余熱回收預熱燃燒空氣；增設轉化爐蒸汽過熱燒嘴；脫碳改為低熱Benfield；合成氣壓縮機前加氨冷器；采用casale或Topsoe軸徑向內件對合成塔內件進行改造。(2)第二輪改造。主要采用節能增產新技術，將產量擴充至日產l 200 t以上，傳統天然氣合成氨裝置噸氨能耗進一步降至32．7 GJ，其采用的技術主要包括：空氣壓縮機、合成氣壓縮機汽輪轉子擴能增效；一段轉化爐管更新為大口徑薄壁HP50管；一段轉化爐對流段空氣預熱器盤管改造；二段轉化爐更換新型燒嘴；高溫變換爐和低溫變換爐安裝內件，成為軸徑向爐；增設小低變爐；脫碳在四級閃蒸的基礎上進一步改造。近10年來，由于低能耗裝置噸氨能耗已經降至28 GJ的水平，接近了理論能耗數值(22 GJ)，節能降耗的余地已經很小(預計合成氨裝置噸氨能耗將難以降低到26 GJ以下)，而且即使能夠降低，其對裝置的經濟性也將很小。基于此，為了進一步改善裝置的經濟性，技術專利商均開始轉向以實現單系列合成氨裝置產量最大化為首要目標的研究開發。與此同時，在高油價背景下，用煤等劣質原料制氨重新受到重視，以Texaco水煤漿氣化和Shell粉煤氣化為代表的煤氣化技術在改造和新建裝置中得到了使用。世界級合成氨裝置的規模越來越大，以利用較大的產量帶來規模經濟效益。20世紀80年代投產的世界級合成氨裝置的平均產量為1 120 t／d，而最近投產的世界級合成氨裝置的產量大多已接近2 000 t／d，且主要按照現有技術進行放大。至今為止，uhde公司已經推出了日產3 300 t合成氨技術，KBR、Topsoe、Lu蛹公司均推出了日產2 000 t合成氨技術。(1)uhde技術①加氫脫硫原料氣在脫硫工段對加氫反應器和脫硫反應器的尺寸沒有限制，很容易增加氣體流量。必要時可以安裝2臺脫硫反應器，從而允許裝置運行時更換反應器中的氧化鋅。②工藝實踐證明，離心式壓縮機和整體齒輪式離心壓縮機適用于產量高達3 000 t／d的裝置。③開發出具有內部絕熱冷氣出口管的頂燒式一段轉化爐，易于應用任何產能的裝置，而不需改變其基本結構。2臺最大的一段轉化爐為甲醇生產合成氣裝置，分別裝有630根和920根管子。3 000 t／d合成氨裝置所用的一段轉化爐采用最新設計和材料，只用了460根管子。④二段轉化爐也可用于產能增加的裝置，其特點是通過安裝在容器壁的噴嘴增加工藝空氣。其優點是通過渦流形式注入空氣，可以達到工藝空氣與轉化氣的適當混合。充分的駐留時間允許在燃燒區完全反應，同時避免內件過熱和火焰沖擊。⑤為滿足大型裝置一氧化碳變換對催化劑容量的要求，可以設計用于高溫和低溫一氧化碳變換的反應器。⑥二氧化碳脫除推薦使用BAsF公司的MDEA工藝，在能量和熱量平衡方面最符合uhde公司的理念，并且將對大型裝置沒有限制。⑦合成氣壓縮對于當前2 200 t／d裝置，制約產能的主要因素是合成氣壓縮機。uhde公司正在開發一種新型合成氣壓縮機，這種壓縮機適用于未來產能可高達3 000 t／d的裝置。⑧氨合成回路設計基礎是3層2個合成塔，廢熱鍋爐位于各反應器下游。所有工藝和容器的設計參數都滿足大規模裝置的要求。⑨uhde公司在sAFcO合成氨裝置中，通過采用“雙壓氨合成工藝”，巧妙地突破和解決了合成氣壓縮機和合成回路對裝置單系列產能為3 000 t／d的限制，應用于已在2 000 t／d合成氨裝置中驗證過的工藝過程和設備，率先實現了3 300 t／d合成氨的目標。BAsF公司在比利時采用uhde技術建成了2 060 t／d的合成氨裝置。“雙壓氨合成工藝”在合成氣壓縮機2個壓縮氣缸之間設置新鮮合成氣的低壓氨合成系統，低壓缸出口壓力為11 MPa，與低壓法氨合成相匹配，并在此系統中分離部分產品；之后在低溫下進一步壓縮至21 MPa，進入氨合成回路進行高壓氨合成。這樣不僅減少了合成氣壓縮的量，而且也減小了合成回路的設備尺寸。減小了合成回路的設備尺寸。(2)Kellogg技術①Kellogg公司和Bm帥amp。Root公司合并為KBR公司之后，在特立尼達采用KBR(KAAP)工藝建設了4套2 000 t／d的合成氨裝置。②KAAP工藝以釕基催化劑為核心，由于該催化劑具有低壓、高活性的特點，與其他催化劑相比其用量較少；合成回路能夠在較低壓力下運行，且合成回路的氨轉化率高。低壓操作可以使用單系列合成氣壓縮機，并節省裝置投資。KAAP催化劑的高活性使大產能成為可能，同時不需要較高的壓力和多臺合成塔。③KBR公司也設計了4 000 t／d裝置，除了一段轉化爐和氨合成塔為并列設置外，其他設備均為單系列。(3)Topsoe技術Topsoe公司合成氨技術的最新進展包括：改進的轉化爐設計；用于二段轉化爐的新型管式燒嘴；改進的S一200氨合成塔設計；中壓蒸汽冷凝液汽提；改進的觸媒結構。這些新技術在拉丁美洲的2個世界級規模的項目中得到應用。Pmfeni項目的特點是2 050 t／d合成氨裝置與3250 t／d尿素裝置單系列配套生產。該裝置構成世界上最大的農用合成氨／尿素聯合工廠，其最終產品是粒狀尿素。其合成氨裝置采用Topsoe公司低能耗合成氨工藝，包括脫硫、一段和二段轉化、二步變換、MDEA法二氧化碳脫除、甲烷化、壓縮、S一200氨合成回路、氫氣回收裝置和產品回收。轉化爐使用現代轉化爐管材，并對側燒爐設計進行了改進，允許在更高的壓力和熱流下操作。轉化爐設計緊湊，只用了264根管子。通過引入新的管口燒嘴，增加了整套裝置的穩定性。改進的催化劑允許減小轉化爐尺寸。當原料氣中碳氫化合物比例較高時，Topsoe工藝包括1臺預轉化爐，將碳氫化合物轉化為甲烷、碳氧化合物和氫氣。如果把來自預轉化爐的氣體加熱到650℃左右，那么一段轉化爐的負荷可降低25％以上。這樣，為3 000 t／d裝置設計一段轉化爐就不再困難了。二氧化碳脫除采用BASF公司的MDEA工藝，該部分裝置的流體流速非常高，因此需要大型設備，低壓容器的直徑在6 m左右。氨合成系統以T0psoe s一200徑流式氨合成塔為基礎，回路壓力19．12 MPa，以獲得較高的單程氨轉化率，氨合成塔的直徑只有3 m。如果要求產量達到3 000 t／d，那么可以在s一200合成塔后再增加一個單層徑流式S一50合成塔。(4)Lurgi技術h蛹公司開發出以“自熱轉化ATR”為核心技術的Megammonia工藝。Megammonia工藝裝置包括自熱轉化(6 MPa，ATR)、高溫變換(5．5 MPa，HrI39。s)、氣體凈化(5．2 MPa，RNwu)、氨合成(20 MPa，Synth．)等工藝單元。3．2合成氨裝置的結構調整由于石油價格的飛漲和深加工技術的進步，以“天然氣、輕油、重油、煤”作為合成氨原料結構、并以天然氣為主體的格局有了很大的變化。基于裝置經濟性考慮，“輕油”和“重油”型合成氨裝置已經不具備市場競爭能力，絕大多數裝置目前已經停車或進行以結構調整為核心內容的技術改造。其結構調整包括原料結構、產品結構調整。由于煤的儲量約為天然氣與石油儲量總和的10倍，以煤為原料制氨等煤化工及其相關技術的開發再度成為世界技術開發的熱點，煤有可能在未來的合成氨裝置原料份額中再次占舉足輕重的地位，形成與天然氣共為原料主體的格局。原料結構調整主要是“油改氣”(利用部分氧化工藝將原料改為天然氣)和“油改煤”(利用煤氣化工藝將原料改為煤或石油焦)。原料結構調整方案中主要考慮的是資源條件及其地理位置，以經濟效益(包括裝置投資、操作費用、生產成本)為標準進行確定。天然氣是合成氨裝置最理想的原料，且改造時改動量最小、投資最省，應以優先考慮；但如果不具備以天然氣為原料的基本條件(資源和地理位置)，則以“原料劣質化”為主，進行“煤代油”或“渣油劣質化”的技改。為了盡可能地增大投資效益，可以適當擴大氣化部分的規模，通過“配氣方案”實現氮肥一C，化工及其衍生物產品的聯合生產，以實現產品結構的調整。這樣不僅聯合生產裝置投資較低，而且能夠實現合成氣的有效合理利用，操作費用和生產成本將會大幅度降低，經濟上將更加具有競爭力。目前上述結構調整工程已經開始實施，由于資源條件及其地理位置的原因，對輕油型合成氨裝置進行了“油改煤”的技術改造，而重油型合成氨裝置則進行了“油改氣”技術改造，并取得了預期效果，有力地推動了天然氣部分氧化工藝技術和煤氣化工藝技術的進步。中國的氨氣大多數產自煤氣化,，擁有大型氮肥裝置共計三十四套，有十七套以天燃氣為原料，六套以輕油為原料，九套以重油為原料，還有兩套以煤為原料。這三十四套大型氨肥裝置每年可以生產大約一千萬噸氨肥，其下游產品主要包