合成氨工艺国产化技术调研材料汇编

合成氨工艺国产化技术调研材料汇编内容摘要：

， 膨胀后的气体 经热交换器被冷却到一 175 ℃ 进人净化气精馏塔。 膨胀机中所取出的功率按需要变化来控制精馏塔底的液位。 精馏塔底 出来的液体 经过节流阀减压后送到 精馏塔顶冷 却 器的壳程 作为 冷源 ，这就冷却了精馏塔塔顶物和为精馏塔提供回流液。 精馏塔塔底物主要是来自二段转化炉的过剩氮，气体中的甲烷，大约 60 ％的氢和大约 50 ％的剩余一氧化碳。 离开冷凝器的部分汽化液体与净化器进料换热后被重新加热和汽化，然后作为废气离开。 部分废气作为干燥器的再生气，然后和剩余的废气一起去转化炉做燃料。 净化合成气通过换热后被加热到 2 ℃ 去氨合成．净化气的氢氮比由在线氢分析仪精确地控制在 3： 1。 深冷净化装置作为前部装置（造气、脱碳）和后部合成装置的弹性连接结， 在装置前部由于二段炉空气过量加大引起氮含量增加，或者因为脱碳出口 CO2 增加 导致甲烷含量增加等的波动，都可以在深冷净化装置 通过调节膨胀机运行工况加大制冷量就可以 得以吸收，这样可以保证净化装置出口气体组成稳定而不影响合成装置的正常运行。 膨胀机的等熵膨胀制冷是整个 深冷净化 装置的主要制冷手段，调节制冷量的途径如下： 1. 通过膨胀机入口导向叶片来调节冷量，精馏塔塔釜 中液位的高低是装置冷量多少的标志，通过入口导向叶片的调节可以来控制装制冷量的平衡。 当精馏塔塔釜液位高时，打 开旁路阀，使得一部分原料气不经过膨胀机而减少膨胀机的制冷量，从而降低塔釜液位。 核心设备及专利技术 布朗工艺的冷箱内设备 主要有膨胀机、 原料气进出口换热器、精馏塔和 精馏塔内冷凝器组成，设备的 布置如 右 图 所示。 主要 的 设备 如下： 膨胀机 透平 膨胀机是一种结构相对简单，运行稳定的机械设备， 高压气体通过膨胀机把气体的位能转化为机械能。 气体由进气管进入蜗壳， 在蜗壳内把气体平均分配到每个喷嘴，气体在喷嘴中等熵膨胀 ， 经喷嘴叶片通道进入工作轮并做机械功，然后经扩压室排出。 膨胀机流量的调节是依靠一安装在 冷箱顶上的执行机构带动喷嘴叶片转动而改变通道截面积来实现的。 膨胀机 由一个单级径向流的透平和一个同轴的发电机组成， 膨胀机 输出机械功 给发电机，当发电机的转速升高到一定值后带负荷向外送电。 整个机组是竖直安装的， 膨胀机蜗壳直接固定在底架上并支承膨胀机主机及增压机。 蜗壳内容纳了膨胀机叶轮和喷嘴环。 在排气侧有一压圈借助一弹性压紧机构而压在喷嘴叶片上，使喷嘴叶片的端面没有间隙。 膨胀机的叶片 在顶部，发电机的叶轮在底部。 膨胀机的轴安装在两个轴承中， 径向轴承 和轴向的止推轴 承 是按水力学油膜润滑理论设计的，只要安装正确并提供清洁而 充足的润滑油 ，就能 保证转子的良好运转而不致磨损 ； 在膨胀机排气侧，为防止喷嘴与工作轮间的气体不经工作轮而直接泄入扩压室，在工作轮端设置了密封 ； 同时在工作轮背面，为防止低温带压气体向外泄漏，设置了石墨衬料内轴封，能保证很小的间隙值。 通过轴封的泄漏量是轴封上流和下流压力、间隙值和轴封长度的函数，而轴封上流压力取决于间隙压力。 因此，为了控制气体的泄漏，必须向轴封中通入密封气体（干燥空气或氮气），其压力要根据间隙压力的大小来控制。 膨胀机的主要结构示意图如下： 板 翅 式换热器 冷箱内的 板翅 式换热器是 由在两块平行的薄金属板间 ，加入 波纹状的铝 质翅片，两边以侧条密封 组成的单元体进行 叠放 和排列 ，这些铝制的层板通过真空钎焊工艺连接在一起形成一个有 一系列流体流道的 刚性结构。 然后将带有流体进、出口的集流箱焊接到板束上组成 完整的板式换热器。 下图为板式换热器的结构示意图： 板翅式换热器 的传热效果好，总传热系数高 ；由于采用了铝的材质，重量轻，单位面积的传热面积远大于普通的列管式换热器，占地面积小。 由于铝合金的导热系数高，在低温和超低温条件下 材料 延展性和抗拉强度都没有大的 变化 ；由于板式换热器内的流道较多，因此可以适用于不同介质在同一设备中的换热。 以下数据为乌石化布朗工艺装置的冷箱中板式换热器数据表 设备名称 材料 /重量 温度 （℃） 压力 （ MPa） 冷箱进出口换热器Ⅰ （ E32） SB20930030 吨 热侧 冷侧 热侧 冷侧 冷侧 195/65 195/65 热负荷： GJ/h 冷箱进出口换热器Ⅱ（ E33） SB20930030 SB24150830/H112 吨 195/65 195/65 热负荷： GJ/h 精馏塔 经过净化、干燥后的工艺气在精馏塔中经过液氮的洗涤， 由于 气体中的杂质 CHAr、 CO 的冷凝温度低于氮的冷凝温度，但远高于氢的冷凝温度。 所以粗合成气中的杂质组分溶解在液氮中 ，并放出冷凝热，部分液氮气化为气体氮 ，从而实现在精馏塔中完成净化洗涤和配氮的任务。 乌石化布朗工艺装置中采用的是有降液管的筛板塔， 该塔的基本参数如下：￠内＝ 1700mm,H=18885mm,P设＝ ， T设＝ 195/65℃，设备总重量为 25 吨，设备材质为 ASMESB20950830。 该 筛板塔 内装有 20 块筛板 ，筛板分为筛孔、溢流堰、降液管 及无孔区等部分，气体通过板上的筛孔上升，上一层板的液体通过 溢流管下降， 液体在降液管中有一定的停留时间，以保证 在 塔 板上气液两种介质密切接触进行传热和传质， 经过多层塔板 的气液传质，实现了气体中杂质的分离。 氨合成 工艺技术及专利技术 经过深冷 净化 后的 合成气首先进人合成气压缩机进行压缩，循环气 在 压缩机 的 最后一个叶轮 之前加入 ，混合气的出口压力为 153bar ( G ) ，经换热加热到 380 ℃ 后进入 Ⅰ 合成塔 ， 进第一合成塔的循环气中 含有约 ％的氨， 出口气含大约 11 . 7 ％的氨，温度约 513 ℃ ，经副产 的 高压蒸汽和预热合成塔 I 的进料气后温度降到 380 ℃ 进人 Ⅱ 合成塔． Ⅱ 合成塔出口气中氨含量约 17 % ，温度 456 ℃ ，经副产高压蒸汽后温度降至 380 ℃ 进人 Ⅲ 合成塔。 Ⅲ 合成塔出口气中氨含量约21 % ，温度 434 ℃ ，副产高压蒸汽后去加热合成气压缩机出口的混合气，温度降到 81 ℃ ，再经水冷器、冷交换器、两级氨冷器， Ⅲ 合成塔出口气被冷 却到 4 . 4 ℃ 进人一段分离器。 在一段分离器里液氨被分离出来去降压罐，循环气回收冷量后去合成气压缩机的循环人口。 液氨在降压罐里压力降到 36bar ( G ) ，在氨收集槽里进一步降到 14bar ( G ）。 新鲜合成气的惰性气体基本上 全是氩气 ， 氩气总含量仅 ％（ v）。 进入合成回路的 惰性气 大约 95％ 通过弛放气带出合成回路的 ，其含量相当于 合成新鲜气的 4％。 其余的惰性气体溶解在氨分离器的液氨中 ，大约 60％的溶解惰性气体在减压罐中闪蒸出来。 回路弛放气和减压罐的闪蒸汽相汇合 ，进入到氨吸收冷却塔，将气氨吸收制 成氨水，再送到氨汽提塔中，在汽提塔中用 的蒸汽再沸 ，所回收的气氨含有约 ％的水分。 此气氨 与冰机气氨汇合后进入氨冷器。 部分洗涤过的弛放气送到装置的前端 进行回收。 通过用氨冷冻剂进行两级（ 17 ℃ 和 1 . 6 ℃ ）冷却，将 Ⅲ 合成塔出口气中的氨冷凝下来，来自低位冷却器的氨蒸汽进人冰机的吸人口，来自高位冷却器的氨蒸汽进人冰机的中间点。 冰机同时处理甲烷化出口气氨冷器的氨蒸汽、氨贮罐的氨蒸汽。 氨气最终被压缩到 14bar（ G ) ，进人氨冷凝器冷却到 34 ℃ 后去氨收集槽。 液氨产品从氨收集槽抽出，经液氨 泵送尿素装置。 尿素装置停车时，冷冻系统用来生产（按设计能力） 70 ％的－ 33 ℃ 液态冷氨和 30 ％的液态热氨产品。 此时，氨装置宜以约 70 %的设计负荷操作。 核心设备及专利技术 布朗合成氨装置的合成塔为绝热式合成塔，三个塔的结构相同，尺寸不同。 ，每个塔中只有一个催化剂床，内件的结构简单，制造方便且不易损坏； 以下为布朗 工艺三个 氨合 塔 成 的 结 构 示 意 图 及 工艺 参数 表 ： 布朗 工艺技术 的 特点及流程组合的匹配性分析 布朗节能型工艺深冷净化是布朗合成氨节能工艺技术的核心环节，是布 朗工艺流程匹配组合的基础。 正是由于采用了深冷净化技术，才使得其工艺技术组合能很好满足合成氨工艺要求，工艺流程切实可行，能耗低，工艺流程匹配性完好，其具体表现为： 1。 深冷净化为低度温和转化工艺的采用创造了条件虽然温和转化有低度温和转化与中度温和转化之分，但不可否认的是，温和转化从根本上改变了转化工序燃料天然气消耗和工艺蒸汽消耗过大的传统面貌，所以，温和转化是目前世界上公认的行之有效的主要节能技术之一。 为了大幅度降低燃料天然气和工艺蒸汽消耗量，布朗采用了低度温和转化工艺，而与此相匹配的深冷净化则为低度温和 转化工艺技术的采用创造了很好的条件。 这是由于深冷净化的设置，使得对甲烷化工序出口气中的氢氮比和对二段转化炉出口气中的甲烷含量均没有严格要求，这就大大降低了对二段炉的要求，使得二段炉可以采用 50 ％过量空气，从而大幅度地降低了一段转化炉的负荷，再加上采用燃气轮机驱动工艺空气压缩机，燃气轮机乏气作为一段炉助燃空气，使转化在低度温和条件下操作，从而大大降低了燃料消耗量和工艺蒸汽消耗量。 2 采用燃气轮机与低度温和转化相匹配 布朗节能型工艺采用了低度温和转化，在二段炉加人过量空气 50 % ，降低一段转化炉负 荷，将较多的甲烷移到二段转化炉。 为了保证新鲜合成气氢氮比为 3 : 1 ，多余的氮在分子筛干燥后用布朗深冷净化器除去。 向二段炉加人过量空气，可以减少一段炉的负荷，有利于一段炉操作，也减少了一段炉外界供给的热能需要量，达到节能的目的。 一段炉出口甲烷含量由通常的 10 ％放宽到 29 . 45 % , 二段炉甲烷含量由通常的 0 . 3 ％放宽到 1 .7 % ，一段炉、二段炉的工艺条件宽松了，一段炉出口温度降到 695 ℃ ，延长了炉管和催化剂的使用寿命。 二段炉加人过量空气，过量空气中的氧将甲烷和部分氢燃烧成 CO2。 通过调整二段炉的空气加人量可以调节“氨碳平衡”，从而使合成氨一尿素联合工厂取得最佳经济效益，对于那些天然气总碳指数小于 108 的合成氨一尿素联合工厂来说尤为重要。 为了实现二段炉加人过量空气，必需增加工艺空气压缩机的功率。 如果选用蒸汽透平带动，蒸汽用量相应增加，也即燃料天然气增加；如果选择燃汽轮机带动且与一段炉结合，其能量利用率必定大大高于蒸汽透平。 燃汽轮机与一段转化炉的紧密结合，总热效率可以达到 85 ％以上。 向一段转化炉辐射段供应足够和适量的乏气，燃汽轮机需要有足够的和过量的功率，这是提高能量利用率的关键。 某些工艺虽然采用了燃汽轮机，但乏气不够，需要另设空气鼓风机补气或者过多需要排出，这都影响热能利用率的提高。 为了实现上述恰到好处的匹配，燃汽轮机功率要恰到好处的大，这就要相当功率的从动机与之匹配，同时也只有与装置中功率相当的从动机相配合才能节约更多的能量。 布朗节能型工艺实现了这个目标，燃汽轮机乏气全部为一段转化炉辐射段所吸收。 深冷净化增加了全装置生产操作的灵活性和可靠性。 深冷净化将整个合成氨装置分成了两个部分，前一部分按照蒸汽的需要量进行优化，后一部分按照合成系统进行优化。 这就使蒸汽产量的变化不与氨 产量发生矛盾，同时，上游工序操作的波动均可以有深冷净化装置予以调节和补偿，送往合成回路系统的合成新鲜气总是高纯度的、干燥的气体。 另外，还可以根据尿素装置增加产量的需要，加大二段转化炉的工艺空气过剩量，给尿素装置多送 CO2 气。 由此可见，深冷净化的设置，大大增加了整个合成氨装置生产操作的灵活性和可靠性。 下面的几个实例更进一步说明了深冷净化使布朗节能型工艺所达到的操作弹性是其它任何制氨工艺所不能比拟的。 a ）当一、二段转化炉的甲烷转化率下降，出口甲烷含量增高时，在深冷净化装置即可将其转人燃料系统，既不会对合成 回路构成威胁，也不会造成太大的能量消耗。 b ）当二段炉加人工艺空气量发生波动时，过剩的 N Ar 会在深冷净化装置中除去，不影响合成新鲜气的氢氮比，也不会影响合成回路的运行。