氨合成工藝技術(shù)方案

1、4 工藝技術(shù)方案4.1 原料路線確定的原那么和依據(jù) 建立大型化工裝置必須有可靠的原料來源。原料路線的選擇是合成氨裝置 設(shè)計(jì)的根底，原料選擇的原那么是質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，供給長期穩(wěn)定。工業(yè)生產(chǎn)合成氨的原料氣是氫氣、 氮?dú)?、一氧化碳?可以由生產(chǎn)合成氣的一 切原料制得，一般采用固體原料煤、焦，液體原料液態(tài)烴、石腦油、重油等，氣 體原料天然氣、油田氣、煉廠氣、焦?fàn)t氣等，目前以油、煤或天然氣為原料制合 成氣的生產(chǎn)工藝都比擬成熟，世界上都有工業(yè)化裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)。上個(gè)世紀(jì)五十年代以前， 世界上的合成氨工業(yè)大都是以煤、 焦炭或焦?fàn)t氣為 原料。進(jìn)入二十世紀(jì)七十年代， 世界進(jìn)入石油化工大開展的時(shí)期， 興旺國家?guī)缀?摒棄了煤化

2、工的研發(fā)， 隨后，由于石油及天然氣制氨工藝的開展， 逐步取代了煤、 焦。從技術(shù)角度來看，上述原料中以天然氣最為理想。主要原因是天然氣、石腦 油為原料制取氨工藝技術(shù)簡單， 本錢低，易于大型化。 國際上主要以天然氣和原 油作原料，其中天然氣占到 90%左右。由于石油、天然氣資源相對匱乏，煤炭資源較為豐富，從能源構(gòu)造、來源和 原料價(jià)格等方面考慮，本工程采用以煤制取合成氨的原料路線。以煤為原料生產(chǎn)合成氨， 每一種生產(chǎn)工藝技術(shù)對煤質(zhì)有不同的要求， 合成氨 裝置原料路線選擇還應(yīng)根據(jù)各種煤的特性選擇不同的生產(chǎn)工藝進(jìn)展經(jīng)濟(jì)比擬才 能確定，既要原料價(jià)格低廉，生產(chǎn)本錢盡可能低，還要盡可能降低投資，也就是 說，原料

3、路線的選擇應(yīng)與工藝路線的選擇同時(shí)進(jìn)展。4.2 國際技術(shù)概況目前國際上以煤為原料的合成氨生產(chǎn)氣化工藝多采用加壓連續(xù)氣化， 主要有 魯奇爐、德士古爐、殼牌爐；凈化工藝多采用耐硫變換、低溫甲醇洗脫硫脫碳、 低溫液氮洗精制工藝；合成采用低壓合成；壓縮均采用離心式壓縮機(jī)。合成氨的技術(shù)進(jìn)步主要表現(xiàn)在裝置的大型化和節(jié)能降耗， 以降低單位產(chǎn)品的 建立投資和生產(chǎn)本錢，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。合成氨裝置的單系列生產(chǎn)規(guī)模從上世紀(jì) 50 年代初的日產(chǎn) 200噸到六十年代 日產(chǎn) 1000 噸至今已開展到日產(chǎn) 2000 噸以上。合成氨的能耗與所使用的原料、 投資、規(guī)模有非常大的關(guān)系。 大型裝置以天然氣為原料，采用轉(zhuǎn)化工藝，噸

4、氨能耗為28GJ,以燃料油和煤焦為原料，采用局部氧化工藝，噸氨的能耗分別為38GJ和48GJ。到20世紀(jì)90代以煤為原料的 大型合成氨裝置噸氨能耗降至 46.05GJ50.24GJ。目前世界上新建尿素裝置主要采用氨氣提法、ACES法和CO2氣提法。 4.3國內(nèi)技術(shù)概況國內(nèi)以煤為原料的大型合成氨裝置大局部采用引進(jìn)技術(shù)， 與國際先進(jìn)技術(shù)同 步。如氣化采用水煤漿加壓氣化、魯奇Lurgi加壓氣化、干煤粉加壓氣化；凈 化工藝多采用耐硫變換、 低溫甲醇洗脫硫脫碳、 液氮洗精制工藝； 合成采用低壓 氨合成；壓縮均采用離心式壓縮機(jī)。國內(nèi)中小合成氨廠的氣化工藝多采用以無煙塊煤或焦炭為原料的常壓固定 床間歇?dú)饣?/p>

5、藝 UGI 或恩德氣化及灰熔聚氣化工藝，凈化工藝多采用濕式氧 化法脫硫栲膠、改進(jìn) ADA 、 888 等、中低低或全低變變換工藝、化學(xué)法熱 鉀堿或物理化學(xué)法MDEA丨或物理法碳酸丙烯酯、NHD、變壓吸附脫碳、銅洗法或甲烷化或醇烷化精制；合成采用2531.4MPa 壓力；壓縮采用往復(fù)式壓縮機(jī)。目前中國以煤為原料的中小型合成氨廠的噸氨能耗為51.5GJ。國內(nèi)中小型尿素裝置 600t/d 以下絕大局部采用水溶液全循環(huán)法，生產(chǎn)規(guī) 模在1000 t/d以上的裝置大都采用改進(jìn)型 CO氣提法工藝。4 . 4工藝技術(shù)方案的比擬和選擇4.4.1 合成氨工藝技術(shù)方案的比擬和選擇氣化工藝氣化工藝一般分為三種類型：固

6、定床，流化床和氣流床。固定床氣化技術(shù)煤炭在固定床氣化爐中的氣化， 也稱為塊煤氣化。 包括常壓固定床氣化技術(shù) 和加壓固定床氣化兩類，屬于這類型的氣化技術(shù)有魯奇Lurgi丨氣化技術(shù)、UGI 煤氣化技術(shù)、富氧連續(xù)氣化技術(shù)。流化床氣化技術(shù) 煤的流化床氣化是指氣化反響在以氣化劑與煤形成的流化床內(nèi)進(jìn)展的。 流化 床氣化爐采用粉碎了的煤作為原料，用氧化劑氧氣或空氣來進(jìn)展床體流化， 其溫度保持在1000C以下，以預(yù)防灰熔化后與爐床里的物質(zhì)發(fā)生結(jié)聚。流化床 氣化技術(shù)主要有溫克勒winkle門、高溫溫克勒HTW、U-Gas、恩德爐、灰熔 聚等流化床粉煤氣化技術(shù)。氣流床氣化技術(shù)氣流床氣化爐屬第三代先進(jìn)的煤氣化技術(shù)，

7、 是最清潔，也是效率最高的煤氣 化類型。粉煤水煤漿在1200-1700C時(shí)被局部氧化，高溫保證了煤的完全氣 化，煤中的礦物質(zhì)成為熔渣后離開氣化爐。 氣流床所使用的煤種要比固定床和流 化床的范圍更廣泛。使用氧氣可以使氣化更有效，并可防止合成氣被氮?dú)庀♂專?合成氣的熱值也高于空氣氣化爐所產(chǎn)生的合成氣的熱值。目前以煤為原料生產(chǎn)合成氣的氣流床氣化工藝具有典型代表的有：德士古Texaco水煤漿加壓氣化工藝；殼牌SHELL、干粉煤加壓氣化工藝SCGP；德國未來能源公司的GSP、或者科林公司干粉煤加壓氣化工藝；國內(nèi)的新型對置式多噴嘴水煤漿加壓氣化；以煤為原料的氣化工藝的關(guān)鍵是根據(jù)煤種和生產(chǎn)規(guī)模選擇好的氣化爐

8、。 根據(jù)目前提供的初步煤質(zhì)分析，該煤種活性高、灰分偏高，雖適合氣化，但 必需選擇適合該煤種氣化的技術(shù)。根據(jù)煤質(zhì)分析可以考慮的氣化技術(shù)有荷蘭 SHELL、德國GSP、德國魯奇、GTI循環(huán)流化床氣化技術(shù)。(1) 荷蘭SHELL，該技術(shù)是近幾年開發(fā)的先進(jìn)煤氣化技術(shù)，只在中國有工業(yè) 化裝置，中國共簽約引進(jìn) 19套，其中投產(chǎn)五套，目前正在試運(yùn)行。該技術(shù)規(guī)模 大，一臺爐可以滿足 30 萬噸合成氨需要，碳轉(zhuǎn)化率可以到達(dá) 98%以上，但該技 術(shù)投資高，對煤炭水分要求較高，煤炭需要枯燥。優(yōu)點(diǎn)：煤種適應(yīng)廣、碳轉(zhuǎn)化率熱效率高、合成氣質(zhì)量高、裝置壽命長、綠色 環(huán)保。缺點(diǎn)：目前尚無褐煤使用業(yè)績， 對煤炭水分要求較高。

9、氣化爐及廢熱鍋爐構(gòu) 造復(fù)雜，制造難度大，目前其內(nèi)件及關(guān)鍵設(shè)備還需引進(jìn)；一樣生產(chǎn)規(guī)模，投資相 對較大；中國目前已有 5 臺氣化爐剛剛投入運(yùn)行，但開車不穩(wěn)定 ,缺乏成功的操 作管理和運(yùn)行經(jīng)歷。(2) 德國GSP，該技術(shù)據(jù)介紹較為先進(jìn)，目前中國有幾套簽約引進(jìn)，但尚無 燃煤氣化工業(yè)化裝置。其投資略低于荷蘭 SHELL。該技術(shù)于1976年由原民主德國VEB黑水泵公司研發(fā)，1979年原民主德國燃 料研究所在弗來堡建成熱負(fù)荷 3MW勺中試裝置，1984年在黑水泵市建成熱負(fù)荷 130MW氣化示范裝置，日投煤量 720噸/日褐煤，產(chǎn)氣量50000mVH，氣化壓力 2.8MPA 操作溫度1400 C 。優(yōu)點(diǎn)：下噴

10、水激冷降低設(shè)備造價(jià)，變換不需補(bǔ)水蒸汽 缺點(diǎn)：目前僅有二套示范裝置在運(yùn)行，操作經(jīng)歷較少（單爐 720t/d 褐煤，操作溫度1400 C,沒有氣化高灰分高灰融點(diǎn)煤經(jīng)歷），氣化爐高徑比小和單嘴設(shè)計(jì)使 規(guī)模放大受限制。（3）GTI 循環(huán)流化床 氣化技術(shù)來自于在循環(huán)流化床氣化技術(shù)方面首屈一指勺美國氣體技術(shù)研究所GTI，是以其“用國內(nèi)固體燃料替代進(jìn)口石油勺重要技術(shù)研究工程為根底開發(fā)勺。 該 技術(shù)于70年代獲得成功，至90年代在大型工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。SES公司擁有GTI 汽化技術(shù)在亞洲勺獨(dú)家授權(quán)許可。 該技術(shù)勺優(yōu)勢是： 能夠使用低本錢勺廢煤和其 他“低價(jià)值勺碳?xì)浠衔镒鳛槿剂希?而該燃料在其他爐型勺氣化爐中較

11、難適應(yīng)。流化床氣化爐勺氣化工藝是一個(gè)非催化反響、 連續(xù)給料、 局部氧化勺循環(huán)流 化床灰團(tuán)聚模式勺工藝過程。 局部氧化是原料煤勺氣化過程， 把氧化劑 即純氧富氧 和溫度調(diào)節(jié)劑蒸汽， 通過氣化爐給料專用噴頭送入氣化爐爐 膛內(nèi)，在高溫高壓及氧氣缺乏完全燃燒勺情況下， 燃料中勺碳主要轉(zhuǎn)換成一氧化 碳，其中一小局部完全氧化成二氧化碳。 燃料中勺氫主要轉(zhuǎn)換成氫氣。 燃料中勺 硫份主要轉(zhuǎn)化成硫化氫H2S一小局部轉(zhuǎn)換成羰基硫化物COS由于氣化 爐在高度復(fù)原勺高溫環(huán)境下運(yùn)行，氮或硫均不能氧化成氮氧化物或硫氧化物。循環(huán)流化床技術(shù)就是一項(xiàng)越來越受到人們關(guān)注勺技術(shù)，這是因?yàn)椋? 灰分限制小。無論是水煤漿氣化工藝還是干

12、煤粉氣化工藝，都要求灰分 低于 12%。實(shí)踐證明灰分過高，在高溫高壓條件下，氧氣及煤勺消耗增長很快， 非常不經(jīng)濟(jì)；而循環(huán)流化床那么呈線性增加，增長幅度不是很大。2）流程簡單，投資少。3）建立周期短。由于氣化過程在常壓或低壓條件下進(jìn)展， 設(shè)備制造相對容易， 投資省，周期短，建立期一般只需一年左右。 4魯奇氣化技術(shù)該技術(shù)成熟， 在中國有三家使用， 主要用于城市煤氣， 在中國僅有云南解放 軍化肥廠使用該氣化技術(shù)。由于該技術(shù)操作復(fù)雜，氣化溫度低，焦油含量高，焦 油回收困難，環(huán)保壓力較大，該技術(shù)規(guī)模偏小，需要引進(jìn)，投資高，中國多年未 再引進(jìn)，故本次比擬未考慮該技術(shù)。綜合以上分析比擬， 基于原料及氣化技術(shù)

13、的成熟、 可靠性和工業(yè)化業(yè)績及投 資，認(rèn)為現(xiàn)階段選擇 GTI 循環(huán)流化床氣化技術(shù)較適宜。凈化技術(shù)變換氨合成氣的有效成分是氫氣和氮?dú)猓?其中氫氮比約為三。 以煤為原料制得的 粗煤氣中，都含有CO、CO2、CH4、和硫化物等雜質(zhì)成分，且其中的一氧化碳含 量較高，變換的目的主要是將半水煤氣中的一氧化碳與水蒸汽作用變換成二氧化 碳和氫，然后再通過脫碳工段脫除多余的二氧化碳， 使煤氣成分能夠滿足合成氨 的要求。變換工藝的選擇與氣化工藝和后續(xù)凈化工藝密切相關(guān)。 由于變換反響為放熱 反響，反響溫度越低越有利于反響的進(jìn)展， 其反響所需的蒸汽是生產(chǎn)本錢的重要 組成局部，因此選擇工藝應(yīng)有利于節(jié)省蒸汽、降低能耗、提

14、高設(shè)備生產(chǎn)能力。為到達(dá)變換的目的， 有采用鐵系觸媒的非耐硫中溫變換和采用鈷鉬系催化劑 的耐硫低溫變換兩種工藝可供選擇。目前國內(nèi)中小型合成氨企業(yè)多采用的變換工藝流程有傳統(tǒng)的中變串低變流 程，全低變流程及中低低流程。全低變即全低溫變換，是相對中溫變換而言，在 中溫串低溫工藝上開展成的一種新的變換工藝。 它采用低溫活性優(yōu)良的鈷鉬系耐 硫變換催化劑，反響一段熱點(diǎn)溫度較中變下降 100200C。使變換反響所需汽氣 比明顯下降， 節(jié)約大量的蒸汽消耗。 同時(shí)， 由于反響溫度和變換反響轉(zhuǎn)化率的的 下降，使氣體體積相對縮小，降低系統(tǒng)阻力，減少了壓縮功的消耗。該工藝放寬 了一次脫硫指標(biāo)， 從而減少了脫硫費(fèi)用。 另

15、外，操作溫度的下降也降低了對變換 爐的材質(zhì)要求， 改善了設(shè)備維修條件。 總之，在一樣操作條件和工況下其設(shè)備能 力和節(jié)能效果都比中串低、中低低工藝要好。目前國內(nèi)采用加壓氣化工藝的合成氨廠均采用耐硫低變工藝。 該工藝可以充 分利用氣化出口工藝氣的溫度和其中所含的大量的水蒸汽，從而無需外加蒸汽， 另一方面也降低了全廠蒸汽管網(wǎng)的壓力。耐硫催化劑有較強(qiáng)的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化功能，同時(shí)該催化劑活性高，可降低催化劑裝填量。44122酸性氣脫除工藝方案1脫硫根據(jù)煤質(zhì)分析，原料氣中含H2S約7.5g/Nm3,另外氣化工段水洗塔出口煤 氣粉塵含量約5060mg/Nm3。硫?qū)罄m(xù)工序的設(shè)備、管道具有腐蝕并會(huì)造成后 工序反響催

16、化劑中毒，煤氣中粉塵含量過高，將造成氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)的嚴(yán)重磨損， 降低設(shè)備的使用壽命，因此，必須對煤氣進(jìn)展脫硫、除塵等凈化處理。酸性氣脫除主要指脫除氣體中的 H2S和C02。目前，采用低壓氣化工藝往 往要對煤氣進(jìn)展脫硫。一般采用濕式氧化法。濕法脫硫方法很多。按吸收過程特 點(diǎn)可分為化學(xué)吸收法和物理吸收法。采用碳酸鈉、氨水和醇胺溶液等吸收硫化氫 的為化學(xué)吸收法。用冷甲醇吸收硫化氫的為物理吸收法。按再生方法可分為循環(huán) 法和氧化法。循環(huán)法是將吸收硫化氫的富液在降壓加熱或氣提條件下逐出硫化 氫。氧化法是將吸收后的富液用空氣氧化，使溶解態(tài)的硫化氫氧化為元素硫，其 反響為H2S+0.5O2H20+S上述氧化反響

17、需借助催化劑才能進(jìn)展，工業(yè)上使用的催化劑有對苯二酚、 蒽醌二磺酸鈉簡稱ADA法、拷膠和螯合鐵等。氧化法脫硫既能脫除硫化氫又能回收副產(chǎn)硫磺，為各合成氨廠所廣泛采 用。目前國內(nèi)常用的脫硫方法有氨水液相催化法、ADA法、栲膠法、PDS法。氨水液相催化法脫硫，脫硫效率高，可回收硫磺，適用于H2S含量高的煤氣脫硫；但是當(dāng)煤氣中C02含量較高時(shí)，氨水吸收C02量較多，會(huì)使溶液PH值 降低，從而影響脫硫效率。ADA法脫硫，溶液無毒，凈化度咼、脫硫效率也咼，但原料缺乏，在處 理含高硫氣體時(shí)，硫磺堵塔問題比擬嚴(yán)重。栲膠法或PDS法脫硫除具有ADA法的優(yōu)點(diǎn)外，還能較好的解決堵塔現(xiàn)象、 阻力小、操作穩(wěn)定，加之采用噴

18、射再生的新技術(shù)，可以進(jìn)一步提高脫硫效率，降 低投資，同時(shí)栲膠資源豐富，價(jià)格廉價(jià)，運(yùn)行費(fèi)用低。綜上所述，故本工程采用栲膠脫硫?qū)⒚簹庵械?H2S脫至w 100mg/Nm3。2脫碳脫碳裝置是將變換氣中多余的 CO2 加以脫除，有利于氨的合成；同時(shí)減少 CO2 壓縮所帶來的動(dòng)力消耗。變換氣中 CO2 的脫除方法很多，目前常壓氣化工藝大體上有三種方法可供 選擇，即化學(xué)吸收法熱法 、物理吸收法冷法 、干法變壓吸附法 。化學(xué)吸收法主要適用于氣體中二氧化碳分壓較低，凈化度要求較高的情況， 應(yīng)用較多的有改進(jìn)熱鉀堿法、改進(jìn) MDEA 法、空間位阻胺法等。但這些方法溶 劑的再生均需要加熱，因而熱量消耗多，操作運(yùn)行費(fèi)

19、用高。物理吸收法適用于二氧化碳分壓較高的情況，如水洗法、碳酸丙烯酯法、 NHD 法等。物理吸收法的吸收溶劑或干法的吸附劑不與二氧化碳反響，再生時(shí) 不需要加熱， 只要降壓解吸即可， 總能耗比化學(xué)吸收法為低， 但其凈化度也比化 學(xué)吸收法為低。目前中國合成氨裝置采用常壓氣化工藝的脫碳主要有碳酸丙烯酯 法、 NHD 法和變壓吸附法三種脫碳工藝來說，前兩種為濕法脫碳工藝，具有一 氧化碳和氫氣損耗低， 一次性投資較省的優(yōu)點(diǎn)。 但它們都需要用吸收劑， 采用減 壓再生，運(yùn)行電耗較高，還要消耗溶劑，其中 NHD 還要消耗冷量?？偟膩碇v， 它們的工藝流程長、運(yùn)行本錢高、操作復(fù)雜。而變壓吸附為干法，其吸收劑為分 子

20、篩、活性炭及硅膠等。吸附劑采用一次性裝填，使用壽命一般在10 年左右，且無需再生，不需要復(fù)雜的預(yù)處理系統(tǒng)， 自動(dòng)化程度高， 操作方便，運(yùn)行本錢低， 不腐蝕設(shè)備，對環(huán)境沒有污染。其缺點(diǎn)是其中有用氣體損失較多。對于加壓氣化工藝， 氣化出口的煤氣直接進(jìn)展耐硫變換后， 然后進(jìn)入后續(xù)凈 化工藝，一般采用低溫甲醇洗脫硫脫碳或 NHD 脫硫脫碳。低溫甲醇洗法屬于物 理吸收，在低溫-50C -60C下，溶劑吸收能力大，溶液循環(huán)量小，氣體凈化 度高，再生熱耗少，操作費(fèi)用低，能綜合脫除氣體中的H2S、COS、CO2,溶液不起泡、不腐蝕，H2S濃縮簡單，在原料煤硫含量波動(dòng)較大的情況下，H2S的濃度也可滿足硫回收的要

21、求。上述工藝存在局部設(shè)備和工藝管道需要采用低溫鋼 材，需要引進(jìn)歐洲或日本的材料， 所以基建投資較高， 但其最大優(yōu)點(diǎn)是溶劑價(jià)格 廉價(jià)，消耗指標(biāo)和能耗均低于其它凈化工藝， 在大型合成氨廠和甲醇生產(chǎn)廠中普 遍采用。NHD 脫硫脫碳工藝在常溫條件下操作，溶劑無毒，飽和蒸汽壓低，溶劑損工程改進(jìn)熱 鉀減法碳酸丙 烯酯法NHD法改進(jìn)MDEA 法PSA變壓吸附操作指標(biāo)吸收壓力Mpa2.72.72.72.72.7吸收溫度c7038P 0-5553540原料氣中CO2V%26282628343626282628凈化氣中CC O2V%0.10.10.2r o.io.20.10.20.10.2溶液吸收能力NM3/Nm

22、3CO220249122118消耗定額蒸汽 t/tNH31.80.11.2失小，再生熱耗低，設(shè)備材質(zhì)大局部為碳鋼，取材范圍廣，價(jià)格也廉價(jià)，相對低 溫甲醇洗而言，溶液循環(huán)量大，消耗高，另外，NHD溶劑對有機(jī)硫的吸收能力差，對高硫煤要增加有機(jī)硫水解設(shè)備。 該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是投資少，能耗低于除 低溫甲醇洗以外的其它凈化方法。為了克制“冷熱病，一般情況下，低溫甲醇 洗配液氮洗精制，NHD脫硫脫碳配甲烷化精制。現(xiàn)將國內(nèi)有代表性的幾種脫碳工藝技術(shù)指標(biāo)進(jìn)展比擬如下電Kwh/NH 3501061257068水t/tNH319660r 15748氮?dú)鋼p失NM3/1000Nm3C021210102214冷凍量*1

23、06kJ0.352化學(xué)原料kg/ tNH30.40.50.250.200.2投資比照1.4811.321.131.4綜合能耗KJ/tNH3*1065.841.3751.484.891.0選擇脫碳方法時(shí)，首先必須考慮與合成氨凈化流程相適應(yīng)，保證到達(dá)合成氨 用氣的要求，同時(shí)又要選擇技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠、生產(chǎn)穩(wěn)定、消耗低、本錢低、 投資省、無毒無腐蝕的工藝路線。從凈化度方面考慮，NHD、碳酸丙烯酯法與PSA均能到達(dá)要求。從能耗的角度考慮本設(shè)計(jì)采用3.0MPa PSA脫碳。變壓吸附根本原理是利用吸附劑對吸附質(zhì)在不同分壓下有不同的吸附容量、 吸附速度和吸附力，并且在一定壓力下對被別離的氣體混合物的各組分有

24、選擇吸 附的特性，加壓吸附除去原料氣中雜質(zhì)組份，減壓脫附這些雜質(zhì)而使吸附劑獲得 再生。因此，采用多個(gè)吸附床，循環(huán)地變動(dòng)所組合的各吸附床壓力，就可以到達(dá) 連續(xù)別離氣體混合物的目的。由于該氣化煤氣中的二氧化碳含量太高，這局部二氧化碳造成變換系統(tǒng)蒸汽 消耗太高及后系統(tǒng)壓縮功耗增加，因此考慮在變換之前增加一級預(yù)脫碳，脫除局 部二氧化碳，為了節(jié)省壓縮功，選擇在 1.0MPa壓力下脫碳，考慮到變壓吸附脫 碳對有機(jī)硫和無機(jī)硫的吸附作用，如果全氣量通過脫碳將造成變換工段入口氣硫 含量缺乏，引起變換催化劑返硫化。因此選擇局部氣體通過預(yù)脫碳工段， 實(shí)現(xiàn)二 氧化碳和硫含量均滿足變換的要求。44123合成氣精制經(jīng)變換

25、工段和脫硫脫碳后的原料氣中還含有少量的 CO和CO2等雜質(zhì)。為了 防止它們對合成催化劑的損害，原料氣送往合成工段之前還需要一個(gè)最終的凈化 過程，稱之為精制。精制后兩碳含量小于 10ppm。合成氨新鮮氣中的微量CO及CO2的凈化，目前中國大多數(shù)中小氮肥企業(yè)仍 采用傳統(tǒng)的“銅洗凈化工藝，由于銅洗工藝存在著運(yùn)行費(fèi)用高，運(yùn)行不穩(wěn)定，易造 成環(huán)境污染等缺點(diǎn)，因此，新建合成氨系統(tǒng)已根本不采用。另一種凈化方法是CO深度變換 -甲烷化工藝，該工藝能保證合成新鮮氣的凈化度 ,運(yùn)行也比擬平穩(wěn)，但 是其缺點(diǎn)也比擬明顯，變換工段蒸汽消耗量大 （低變出口 CO含量在0.3%左右）, 脫碳系統(tǒng)凈化度要求高（脫碳出口 CO

26、2含量在0.2%左右）；合成新鮮氣中的CH4 含量高，合成氨工段放空氣量大 ,新鮮氣消耗增加。目前中國有代表性的合成氨 原料氣的精制工藝有醇烷化工藝及醇烴化精制工藝。 醇烴化精制工藝是雙甲精制 工藝的升級技術(shù)， 烴催化劑為一種鐵系催化劑， 一氧化碳、 二氧化碳與氫反響生 成烴類化合物， 在常溫下冷凝為液體， 生成甲烷極少， 進(jìn)入氨合成系統(tǒng)的甲烷大 大減少。醇烷化工藝是聯(lián)醇工藝和甲烷化凈化工藝有機(jī)結(jié)合在一起， 使變換和脫 碳系統(tǒng)出口的CO和CO2等氨合成原料氣中有害成分與氫反響生成附價(jià)值較高的 甲醇，進(jìn)烷化催化劑氣體中的 CO和CO2為50200 PPm,合成氨原料氣中的 CH4根本沒有增加。醇

27、烴化精制凈化工藝，是利用甲醇化反響將原料氣中的 CO、 CO2在催化劑的作用下分別與 H2反響生成甲醇。使甲醇化出口 CO+CO2控制在 0.30.5%左右，再將醇后氣進(jìn)入烴化反響器，氣體中少量的CO+CO2在催化劑的作用下，分別與 H2 反響生成醇類和烴類物及少量的甲烷。烴化出口氣體中 CO+CO210ppm送合成工序。國際上及國內(nèi)大型合成氨裝置多采用低溫液氮洗工藝， 該工藝是一個(gè)典型的 物理低溫吸收過程，是脫除CO的最好的方法。同時(shí)該工藝可以將氣體中的甲烷 等雜質(zhì)全部去除干凈， 液氮洗后的凈化氣幾乎是純潔的氫氮?dú)猓?合成工段無需排 出放空氣，其缺點(diǎn)是投資高。從工藝角度看， 對于本工程醇烴化

28、工藝與低溫液氮洗工藝均可選擇， 但是本 裝置設(shè)計(jì)的產(chǎn)品方案為18萬t/a合成氨、3.0萬t/a甲醇，綜合投資及規(guī)模等因素 合成氣精制選擇醇烴化工藝。合成技術(shù)氨合成是將合格的氫氮?dú)庠诖呋瘎┑淖饔孟?，生成氨。整個(gè)合成回路包括： 新鮮氣補(bǔ)充、 合成反響、 反響熱回收、 氨別離、 惰性氣放空、 未反響氣增壓循環(huán)。 從反響動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)看， 提高合成壓力是有利的， 但是提高壓力將增加壓縮機(jī)功耗， 因此合成壓力的選擇是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題， 同時(shí)與壓縮機(jī)及配套設(shè)備的選擇有重要關(guān) 系。目前國際上氨合成向低壓方向開展，由七十年代的 14.5Mpa，降低到10.0Mpa,使動(dòng)力更省，設(shè)備制造容易。各國氨合成研究的另一個(gè)問題

29、是如何 改進(jìn)氨合成效率、提高氨凈值，降低合成回路阻力降，開發(fā)有軸徑向塔、徑向塔, 分子篩枯燥凈化合成氣等節(jié)能技術(shù)，如Topse公司的Topse-200、Topse-250卡薩利氨合成以及凱洛格公司、英國化學(xué)公司等開發(fā)的技術(shù)等。國內(nèi)氨合成技術(shù)近年來也有了很大開展， 南化集團(tuán)研究院、南京國昌化工科 技開發(fā)的GC型高壓、低壓氨合成工藝、NC型合成塔，湖南安淳科技公司開發(fā) 的山J冷激型、山J軸徑向合成塔技術(shù)等。氨合成塔是氨合成系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響著氨合成系統(tǒng)的循環(huán)機(jī)功耗、 冷量消耗、冷卻水消耗及新鮮氣的消耗。本工程選用GC-R301Y型 1800三軸一徑催化劑自卸構(gòu)造。44125壓縮機(jī)的選擇原料氣

30、/合成氣壓縮機(jī)是合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備，該機(jī)組的效率和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定 性直接影響了合成氨的產(chǎn)量和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。壓縮機(jī)的選型與裝置的規(guī)模、合成回路壓力密切相關(guān)。中國中小型合成氨企 業(yè)一般采用常壓氣化，低壓凈化，中壓精制，高壓合成，回路多，壓縮比大，且 凈化前氣體雜質(zhì)多，因此多采用往復(fù)式壓縮機(jī)。大型合成氨裝置采用的是加壓氣 化，中壓合成，合成回路少，壓縮比小，通常采用離心式壓縮機(jī)。相對于往復(fù)式 壓縮機(jī)來講，離心式壓縮機(jī)具有處理氣量大，運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)小，易損件少，正 常連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長，可采用蒸汽透平直接驅(qū)動(dòng)，熱效率高，運(yùn)行費(fèi)用低，氣缸內(nèi) 無需潤滑油，氣體不會(huì)污染等諸多優(yōu)勢，因此，國外大型合成氨生產(chǎn)裝置均采

31、用 單軸或多軸式離心機(jī)。本工程為中型裝置，原料氣凈化前氣體中的粉塵及焦油含量高， 且段間需要 引出，因此原料氣壓縮機(jī)宜采用電動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)。 經(jīng)過凈化后凈化氣干凈，因此 合成氣壓縮機(jī)及循環(huán)機(jī)采用離心式壓縮機(jī)， 可采用蒸汽透平直接驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié) 汽輪機(jī)的蒸汽量來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，能夠方便調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的流量。44126氫回收技術(shù)回收合成放空氣中的氫再返回合成氨系統(tǒng)，用以提高產(chǎn)量或降低消耗。氫 回收的方法目前常用的有變壓吸附法、 膜別離法和深冷別離法。變壓吸附法的特 點(diǎn)是產(chǎn)品純度高，回收率亦較高，操作費(fèi)用低，缺點(diǎn)是閥門切換頻繁，因而對閥 門的性能、自控水平及可靠性要求較高。膜別離法及中空纖維別離技術(shù)的特點(diǎn)是投資

32、省、操作費(fèi)用低，產(chǎn)品回收率 與變壓吸附法相當(dāng)，但產(chǎn)品純度不如變壓吸附高。深冷別離法是根據(jù)混合氣體中各組分冷凝液化溫度的差異而將混合氣體冷卻到一定的溫度，使冷凝溫度高于此溫度的氣體液化而到達(dá)別離的目的，該法特點(diǎn)是回收率高，但投資大。三種方法中國均有實(shí)例，西南化工研究院研制的變壓吸附及中科院大連物化所開發(fā)的膜別離技術(shù)，均已在中國廣泛使用，深冷別離裝置在中國也能生產(chǎn)，但只有用于小型廠的例子，三種比擬見下表:7-一、方法工程變壓吸附深冷別離膜別離產(chǎn)品純度%9899.9990998095產(chǎn)品氫回收率%708590966585操作壓力MPa0.82.82.51.0P 入/P 出=2.510P入-進(jìn)口壓力P

33、出-滲透壓力投資年回收率1.42.81占地較小較小最小操作費(fèi)用較低較高較低消耗少量蒸汽操作可靠性可靠可靠可靠從上面分析可以看出，變壓吸附及膜別離均可作為選擇的方案，從節(jié)約投資、 操作運(yùn)行可靠及節(jié)省用地考慮，本工程選擇膜別離方案，因回收氫返回合成氨系 統(tǒng)，氫純度沒有苛刻要求。44127空分技術(shù)空分技術(shù)目前中國已工業(yè)化的制氧技術(shù)有深冷法和變壓吸附法。深冷法是利用深度冷凍原理液化空氣，使空氣中氧、氮等不同沸點(diǎn)的組分， 通過精餾塔進(jìn)展精餾，別離制取氧氣、氮?dú)?。該技術(shù)經(jīng)過近100年的開展、完善, 以到達(dá)很高的技術(shù)水平。中國深冷制氧裝置能力最大可到達(dá)40000m3/h，其制氧電耗也已降到0.5kwh/m3

34、以下，技術(shù)成熟。變壓吸附法是利用分子篩吸附劑吸附空氣中的氮，通過改變操作壓力，實(shí)現(xiàn)空氣別離。該方法主要應(yīng)用于小型空分裝置。對于本工程如此大的氧、氮耗量，只能采用深冷法空分裝置甲醇精餾目前國內(nèi)外的甲醇工業(yè)裝置， 粗甲醇精制均采用精餾的方法。 普遍采用的工 藝主要是兩塔流程 （單效 ）和三塔流程 （雙效） ，二者精餾過程的機(jī)理是一致的，主 要區(qū)別在于主精餾塔的設(shè)置和能量綜合利用。1兩塔流程雙塔流程是目前最為普遍采用的粗甲醇精制方式， 第一塔為預(yù)精餾塔， 第二 塔為主精餾塔，兩塔再沸器均用低壓蒸汽作為熱源。預(yù)精餾塔用于別離輕組分和溶解性氣體 （H2、CO 和 CO2 等），主精餾塔用于 除去重組分，

35、同時(shí)得到精甲醇產(chǎn)品。含水和高沸點(diǎn)組分的粗甲醇從塔中部進(jìn)入， 高級醇從加料板以下側(cè)線引出， 含微量甲醇的水從塔底排出， 產(chǎn)品精甲醇從近塔 頂處取出。2三塔流程三塔流程目前也被廣泛采用， 尤其是在大型裝置中具有較強(qiáng)的競爭力。 與雙 塔流程的區(qū)別在于采用了兩個(gè)主精餾塔， 第一主精餾塔加壓操作， 第二主精餾塔 常壓操作， 利用加壓塔的塔頂氣體的冷凝熱作為常壓塔的塔底再沸器的熱源， 不 僅節(jié)省了加熱蒸汽，而且也節(jié)省了冷卻用水，有效地利用了能量。預(yù)精餾塔的操作與兩塔流程類似， 來自預(yù)塔塔底的甲醇水混合液， 經(jīng)過加 壓泵送入第一加壓主精餾塔， 其再沸器用低壓蒸汽加熱， 塔頂氣體引入第二常壓 主精餾塔再沸器，

36、 氣體冷凝熱作為第二塔之熱源。 第一主精餾塔底排出的甲醇 水混合液利用壓差進(jìn)入第二主精餾塔， 脫除水和重組分雜質(zhì)。 高級醇由塔側(cè)線引 出，塔底廢水含 0.5%左右的甲醇，產(chǎn)品精甲醇局部采自第一主精餾塔的塔頂冷 凝液，局部采自第二主精餾塔的塔頂冷凝液。根據(jù)分析的結(jié)果可以看出， 甲醇精餾工序的兩種根本流程中， 其工藝指標(biāo)根 本相當(dāng)，三塔流程由于采用雙效精餾， 而降低了冷卻水和蒸汽的消耗， 設(shè)備投資 較高且操作控制復(fù)雜； 兩塔流程采用單效精餾， 冷卻水和蒸汽的消耗較高， 設(shè)備 投資低且操作控制簡單。本可研推薦三塔精餾流程。氨回收由于合成放空氣及氨貯槽馳放氣中均含有氨，不能外排，提氫也需先經(jīng)洗氨后才能

37、進(jìn)入變壓吸附裝置，為了使膜別離系統(tǒng)的操作壓力有較寬的選擇余地， 本工程將放空氣及貯槽馳放氣分別進(jìn)展回收。 合成放空氣由脫鹽水洗氨得到稀氨 水，貯槽馳放氣主要是含氨及較少量的氫， 設(shè)等壓回收塔回收氨， 即由提氫洗氨 得到稀氨水由泵加壓后送往等壓回收塔， 繼續(xù)吸收馳放氣中所含的氨， 使氨水濃 度到達(dá) 1418%左右，送尿素解吸系統(tǒng)。氨貯存液氨貯存有常壓和低壓0.4MPa；中壓2.02.5MPa三種型式。 常壓貯存液氨溫度較低為-33C，貯罐需用耐低溫鋼材，適于大型氨貯存。 需要設(shè)置冷凍保安系統(tǒng)。低壓液氨貯存， 為考慮到環(huán)境及平安因素， 也需要設(shè)置冷凍保安系統(tǒng)。 同時(shí)，需設(shè)置氨輸送泵，將液氨回壓到

38、2.2MPa,才能到達(dá)本工程尿素裝置的需求。 中壓液氨貯存，不需冷凍保溫系統(tǒng)及氨輸送泵， 但壓力貯罐造價(jià)相對高一些。 因此本設(shè)計(jì)，推薦中壓液氨貯存。為考慮尿素裝置檢修， 確保合成氨裝置的正常生產(chǎn)， 確定存貯量約為合成氨 裝置 2 天的生產(chǎn)量。選用1000m3中壓貯存罐2臺。甲醇貯存設(shè)四臺儲存量為400m3的甲醇儲罐，其中一臺用來儲存粗甲醇，可儲存四天;三臺用來儲存精甲醇，可儲存十二天。火炬考慮到裝置的正常生產(chǎn)與非正常情況如開停車、 事故排放等情況， 本工程設(shè)用于將正常生產(chǎn)用于開停車、事火炬設(shè)有點(diǎn)火裝置兩臺高塔式火炬系統(tǒng)。 正常生產(chǎn)排放使用的火炬稱為總火炬， 排放的可燃?xì)怏w， 另一臺非正常情況使用的火炬稱為事故火炬， 故排放等非正常的工況的放空。火炬氣經(jīng)收集后經(jīng)水封罐、 汽液別離器后送至火炬頭燃燒， 置、長明燈、分子封及自控系統(tǒng)，保證火炬平安燃燒。綜上所述，本工程合成氨裝置推薦的工藝技術(shù)方案為：SES氣化，2.0萬Nm3/h 空分裝置外壓縮；濕式氧化法脫硫；變壓吸附預(yù)脫碳；耐硫全低溫變換；濕式氧化法變換氣脫硫；變壓吸附脫碳；精脫硫；醇烴化精制；22.0MPa氨合成合成氨裝置工藝技術(shù)綜合評價(jià)序號工程評價(jià)1技術(shù)先進(jìn)性國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)2技術(shù)適用性在國內(nèi)應(yīng)用廣泛并不斷創(chuàng)新3技術(shù)可靠性技術(shù)成熟，操作數(shù)據(jù)齊備4技術(shù)平安性涉及危險(xiǎn)因素較少，易實(shí)施平安