一、裝置簡介
(一)裝置發(fā)展及其類型
世界上第一座合成氨生產(chǎn)裝置始于1913年。我國首套合成氨生產(chǎn)裝置建于20世紀(jì)30年代。到70年代初,我國運(yùn)行的合成氨生產(chǎn)裝置絕大多數(shù)仍為以煤(焦)為原料,采用固定床制氣技術(shù)的中、小型裝置。世界上,60年代起,大型合成氨生產(chǎn)裝置由于具有工藝流程短、熱利用率高、自動(dòng)化水平高、單系列、運(yùn)行時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn),得到快速發(fā)展。我國從1973年開始,從美國、日本、法國引進(jìn)了13套日產(chǎn)合成氨1000t的大型合成氨生產(chǎn)裝置。這些裝置均采用烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氣工藝技術(shù),其中以天然氣為原料的有10套(其中兩套后來改用輕油);以輕油為原料的有3套。1978年以后,又引進(jìn)了以渣油、煤為原料,采用部分氧化制氣工藝技術(shù)的大型合成氨生產(chǎn)裝置。
合成氨裝置生產(chǎn)工藝技術(shù)因原料制氣、氣體凈化、氨合成工藝不同而有多種工藝技術(shù)。原料氣化有:煤(焦)固定床氣化工藝;煤(焦)氣流床氣化工藝;渣油、水煤漿部分氧化制氣工藝;烴類(輕油、天然氣)蒸汽轉(zhuǎn)化制氣工藝。氣體凈化工藝種類繁多。硫化物脫除分為固定床吸附(如氧化鋅吸附)和溶液吸收(如:乙醇胺法、甲醇法、NHD法)。一氧化碳變換工藝可分耐硫變換工藝和非耐硫變換工藝。二氧化碳脫除可分為化學(xué)吸收法(如:G?V法,苯菲爾法)和物理吸收法(如:低溫甲醇法、NHD法)。氣體精制工藝可分為“熱法精制”(甲烷化工藝)和“冷法精制”(低溫液氮洗或深冷凈化工藝)。氨合成工藝按壓力等級(jí),可分為高壓法、中壓法、低壓法;按合成塔的氣體流向,可分為軸向塔和徑向塔;按床層換熱方式,可
分為內(nèi)部換熱式、中間換熱式和中間冷激式。
世界上,由于合成氨原料成本價(jià)格不斷上升,合成氨工藝技術(shù)目前向低能耗發(fā)展。出現(xiàn)了多種低能耗合成氨工藝技術(shù)。其中,以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化低能耗制合成氨裝置,其能耗已降到28CJ/t.NH3的水平。
(二)裝置的單元組成與工藝流程
1,組成單元
合成氨裝置因工藝技術(shù)不同,組成的單元也不同?,F(xiàn)介紹以烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氣工藝技術(shù)生產(chǎn)合成氨裝置的情況。裝置由硫化物脫除(簡稱脫硫)、烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制氣(簡稱轉(zhuǎn)化)、一氧化碳變換(簡稱變換)、二氧化碳脫除(簡稱脫碳)、氣體精制(簡稱甲烷化)、氫、氮?dú)鈮嚎s(簡稱壓縮)、氨的合成(簡稱合成)七個(gè)單元組成。各單元介紹如下:
(1)脫硫
烴類原料(天然氣、煉廠氣、輕油等)與氫氣混合進(jìn)行加氫反應(yīng),將原料中的不飽和烴、有機(jī)硫化物轉(zhuǎn)化為飽和烴、硫化氫。再由氧化鋅脫硫劑吸附,除去原料中的硫化物。如原料中硫含量過高,則在脫硫單元中增加予脫硫裝置。
(2)轉(zhuǎn)化
原料中的碳?xì)浠衔锵扰c蒸汽,后加空氣發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng),得到含H2、CO、C02、CH4、N2等的氣體。并回收熱量,產(chǎn)生高壓蒸汽。
一段轉(zhuǎn)化反應(yīng)需要的熱量由燃料氣(油)燃燒提供。
(3)變換
轉(zhuǎn)化氣中CO與水蒸氣反應(yīng)生成H2和C02。
(4)脫碳
采用碳酸鉀溶液循環(huán)吸收、再生的方法,除去工藝氣中C02,并將再生出來的高濃度C02送到尿素裝置作為原料。
(5)甲烷化
將工藝氣中微量的CO、C02與H2反應(yīng)生成甲烷,從而得到合成氨生產(chǎn)所需要的純凈的N2、H2氣。
(6)壓縮
通過合成氣壓縮機(jī)將工藝氣壓力提高,補(bǔ)充入氨合成循環(huán)回路。并提供氨合成回路氣體循環(huán)需要的動(dòng)力。
(7)合成
氫、氮?dú)庠诟邷?、高壓下反?yīng)生成NH3。反應(yīng)后的氣體經(jīng)冷卻、冷凝分離出液氨,未反應(yīng)的氫、氮?dú)馀c補(bǔ)充的新鮮氣循環(huán)回合成塔?;狙h(huán)流程:合成一熱回收一冷卻一冷凝一氨分離一換熱一循環(huán)升壓一合成。
合成循環(huán)回路中需要的冷量由氨冷凍系統(tǒng)提供。
2.工藝流程
工藝流程說明:工藝原則流程見圖7-1。
工藝流程從原料到氨的合成,共分七個(gè)工序。
(1)脫硫
含少量硫化物的原料(天然氣、輕油等)經(jīng)原料壓縮機(jī)(泵)升壓到4MPa(表),與少量從合成氣壓縮機(jī)來的合成氣混合,經(jīng)加熱,進(jìn)入加氫反應(yīng)器,將有機(jī)硫化物轉(zhuǎn)化為H2S。然后進(jìn)入氧化鋅脫硫槽吸附H2S,使原料氣中的硫含量降到<0.2mg/m3以下。脫硫后的氣體送去轉(zhuǎn)化。
(2)轉(zhuǎn)化
脫硫后的氣體與水蒸氣混合進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐爐管內(nèi),在鎳催化劑作用下,進(jìn)行烴類蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng),出口溫度達(dá)800℃左右,出口氣體中CH4含量達(dá)8%左右。工藝氣再進(jìn)入二段轉(zhuǎn)化爐,與適量空氣混合燃燒,在鎳催化劑作用下,繼續(xù)進(jìn)行甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng),使出口氣體中甲烷含量降為0.3%。高溫轉(zhuǎn)化氣再進(jìn)入廢熱鍋爐,回收熱量,產(chǎn)生高壓蒸汽。
一段轉(zhuǎn)化爐爐膛內(nèi)設(shè)有頂(或側(cè))壁燒嘴,由燃料氣(油)燃燒,提供轉(zhuǎn)化反應(yīng)需要的熱量。