合成氨_合成氨合成

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节能型合成氨工艺与技术

10化工05班 吴林强 10011105261、合成氨工艺概述

合成氨生产与国民经济密切相关,其产品氨是制造化肥和其它许多化工产品的原料。合成氨生产过程因所采用的原料和净化、合成方法的不同形成了不同的工艺流程,能量消耗也有差别。就合成氨典型流程而言,一般分为以下三种:(1)以煤为原料的中小型合成氨流程,如碳化工艺流程、三催化剂净化流程。特点是生产能力较低,吨氨能耗较高。

(2)以天然气为原料的大型合成氨流程,采用蒸汽转化、热法净化生产方法。特点是生产能力大,设备效率和能量利用率高,吨氨能耗小。

(3)以重油(或煤)为原料的大型合成氨流程,采用部分氧化、冷法净化生产方法。特点是生产能力大,吨氨能耗较小。

选用什么方法合成氨,应根据原料、工艺要求和技术经济比较,力求经济合理和操作可靠。合成氨生产是耗能大户。吨氨生产成本中能源费用占70%以上,因而能耗是衡量合成氨技术水平和经济效益的重要标志之一。合成氨生产中所用原料和燃料有一次能源——煤、石油、天然气等;二次能源——电、蒸汽、热水等。吨氨能耗的降低体现合成氨技术的进步,如何合理、高效利用能源,作好节能降耗工作,对合成氨生产具有重要意义。

2、节能型合成氨工艺 2.1 凯洛格(Kellogg)工艺

美国凯洛格公司设计的第一套低能耗大型合成氨装置于1983年建成投产,吨氨能耗为29.31GJ。20世纪90年代后,该公司与英国石油公司(BP)合作开发的更先进的合成氨工艺——KAAP和KRES组合技术,将吨氨能耗降到25.96~27.21GJ,这是对合成氨工艺的重大突破。

KAAP技术采用低温低压下高活性的氨合成Fe系催化剂。KRES技术为自热式转化技术,设备由换热式一段转化炉和绝热式二段转化炉组成,从二段炉出来的热转化气通过换热向一段炉提供所需全部热量,使能耗大为降低。2.2 布朗(Braun)工艺

美国布朗公司的节能措施主要是减少燃料天然气用量,即减少一段转化炉负荷(出口CH4含量从原10%提高至30%左右),增大二段转化炉负荷并在此加入过量空气(产生大量反应热,提供残余CH4转化所需热量),从而使一段炉温降低,燃料天然气用量减少。同时,采用深冷净化脱除过量的氮,并用燃气透平驱动空气压缩机,吨氨能耗为28.4GJ。我国对引进的布朗装置的一段转化炉采用了低水碳比节能技术,氨合成采用了三塔三废热锅炉回路流程,利用余热产生高压蒸汽,进一步降低了能耗。2.3 ICI工艺

英国ICI公司的AM-V流程,除了采用布朗工艺的一些节能措施外,最主要的特点是开发、应用了在低温低压下活性好的氨合成Fe-Co催化剂。1988年, ICI公司又开发了流程简化、规模缩小的LCA工艺,建成2套日产450t氨的装置,吨氨能耗为29.31GJ,证明了中型合成氨装置也可达到与大型合成氨装置相当的节能水平。2.4 KPK工艺

KPK工艺是KRES /PURIFIER /KAAP的简称,该工艺包含了Kellogg、Braun先进技术,主要有用换热式转化器替代传统的一段转化炉,采用钌系催化剂和深冷净化技术等,是新型的合成氨节能工艺。

3、合成氨节能技术

20世纪70-90年代,我国陆续引进了31套大型合成氨装置。对于日产1000t合成氨厂而言,其转化工序能耗占第一位,蒸汽动力系统能耗占第二位,合成工序能耗占第三位。国外开发的各种节能新工艺中,许多节能技术成果用于我国现有合成氨厂的挖潜改造同样有效,现按工序分述如下: 3.1 转化工序

(1)调整一、二段转化炉负荷,使一段炉温降低,燃料天然气用量减少,降耗明显。(2)采用蓄热式或热管式换热器加热助燃空气,使烟道气排放温度从250e降至120e,可回收热量1.17GJ /t。

(3)采用低水碳比操作,使H2O /C(摩尔比)从315降至2.5,H2O /C每降低0.1可节能0.12GJ /t。

(4)设置天然气蒸汽饱和器,用水冷激预热后的天然气自产水蒸汽,减少了外供蒸汽。(5)采用新型转化器——管式换热转化炉进行一段转化,取消传统的外部加热式一段转化炉,热能消耗下降。

(6)提高转化压力至4.5MPa,每1t可以节能01191GJ。3.2 变换工序

(1)采用低温高活性、适应低汽气比反应的新型催化剂替代传统催化剂,变换炉温降低,从而降低蒸汽用量。

(2)采用水冷列管式变换炉,并通过饱和热水器回收变换反应热。(3)中小型合成氨厂,可采用饱和热水塔流程回收部分水蒸汽。3.3 脱碳工序

(1)采用先进的物理吸收法,如我国开发的NHD法(类似于Allied公司的聚乙二醇二甲醚法),脱碳能耗降低。

(2)采用改良的化学吸收法,如低能耗本-菲尔法,再生能耗可降低60%。

(3)采用活化MDEA法,能耗比低能耗本-菲尔法还低,仅为(3.2-4.25)x104kJ /kmolCO2。3.4 精炼工序

(1)采用深冷分离法,在低于-100e条件下除去惰气并调整氢氮比,使合成回路不需放空。此法与前述二段转化炉加入过量空气的节能措施相配套,亦可脱除过量的氮。

(2)采用分子筛变压吸附代替甲烷化,脱除微量CO、CO2、CH4、Ar,简化了净化流程。甲烷排放气可用作一段转化炉燃料,提高热利用率。3.5 压缩工序

(1)压缩机与循环机分开,避免压缩机内部从循环段向高压段因气体泄漏造成动力损失。

(2)提高蒸汽透平效率,在运行操作中维持蒸汽参数的最佳化。(3)采用分子筛干燥入塔氢氮气,以节约压缩机动力。

(4)采用燃气透平驱动空气压缩机,可使燃料天然气能耗降低2.093GJ /t。3.6 合成工序

(1)采用新型节能合成塔,如径向、轴径向、卧式或冷激式塔,氨净值高,热能利用充分,并且压降小,可有效降低压缩机的功耗。(2)采用低温低压高活性Fe-Co系催化剂,操作压力可降到8~10MPa,明显减少了压缩机功耗。

(3)采用中空纤维膜分离装置,回收合成尾气中的H2。(4)二级氨冷出口气氨送冰机回收冷量。

(5)利用氨合成反应热副产高压蒸汽(凯洛格、布朗、ICI工艺共同的特点)。3.7 联合节能

(1)合成氨与合成尿素装置的联合合成尿素的原料氨全部来自氨合成系统,冷冻 系统的负荷降低,动力消耗亦减少;同时将尿素与合成氨装置的蒸汽系统联合/捆绑0,实现节能降耗。

(2)合成氨与合成甲醇装置的联合用天然气制甲醇会出现过量的氢,将其输入合成氨系统,在二段转化炉中用过量空气补充氮。另外,氨-甲醇联合装置可将合成氨系统多余的CO2供给合成甲醇系统进行组分调节,从而减少甲醇装置的排放气量。我国合成氨工业展望

跨入21世纪,我国合成氨年产量已超过3000万吨，从生产能力到总产量都位居世界第一。其中,以天然气为原料的30多家大型合成氨装置,因其产量高、能耗低成为我国合成氨生产的主力军。通过对引进技术的消化吸收和知识创新,我国已掌握了具有世界先进水平的合成氨工艺与技术,同时也促进了中小型合成氨厂的技术进步。根据我国国情,目前还不能用大型厂取代所有的小型厂,在相当一段时期,仍然是大、中、小厂并存的状况。所以对中、小型厂还需很好地加以利用和进行技术改造,尤其对以煤为原料的中、小型厂,节煤节电是节能关键。在过去的近10年间,已有400多家中、小型厂采用蒸汽自给节能技术,吨氨能耗有降至44.25GJ的,平均下降了约12%,节能效果显著。

近年来,合成氨净化双甲工艺升级为醇烃化新工艺,已在国内近30家化肥企业推广应用。将双甲工艺中的甲烷化部分革新为烃化反应,即为醇烃化工艺,除联产甲醇外,还生产车用燃油。该新工艺可减少原料气中24%的H2耗量及80%的放空气量,还可省去甲醇化后的净醇工艺,为合成氨工业开创了节能降耗的新途径。

展望21世纪,合成氨节能技术将会得到更广泛、科学地开发和应用,我国合成氨工业将可持续、更快速地向前发展。