合成氨轉化系統的節能改造

July 2006現代化工第26卷增刊262Modern Chemical Industry2006年7月工之與合成氨轉化系統的節能改造曾鳳春1,張開(kāi)仕2(1.四川理工學(xué)院化學(xué)系,四川自貢643033;2.宜賓學(xué)院化學(xué)化工系,四川宜賓64407摘要:針對目前國內天然氣合成氨裝置的轉化系統普遍存在燃料天然氣消耗過(guò)大、熱能浪費嚴重等問(wèn)題,對合成氨裝置轉化系統進(jìn)行了一系列節能技術(shù)改造。工業(yè)運行結果表明:改造后的轉化系統,生產(chǎn)每噸NH3其燃料天然氣消耗從350m3降至200m3,生產(chǎn)能力從6萬(wàn)va提高至9萬(wàn)a,基本克服了原裝置的弊端關(guān)鍵詞:轉化系統;合成氨;燃料天然氣;節能改造中圖分類(lèi)號:TQ13.2文獻標識碼:A文章編號:0253-4320(2006)1-0262-03Energy-saving modification of transforming system in synthetic ammonia settingZENG Feng-chun, ZHANG Kai-shi2(1. Department of Chemistry, Sichuan Institute of Science and Technology, Zigong 643033, China;2 Department of Chemistry and Chemical Engineering, Yibin University, Yibin 644007, China)Abstract: In view of the problems that the fuel natural gas consumption was too high and the heat energy severely wastedin the synthetic ammonia transforming system in China, a technological modification was adopted in a synthetic ammonia plantThe industrial results indicated that the new transforming system was able to decrease the fuel natural gas consumption from350 m'to 200 m in producing one ton of ammonia, and the producing capacity increased from 60 kt/ a to 90 kt/a. So thedisadvantages of the original process was converted on the whole. after the modificationKey words: transforming system; synthetic ammonia; fuel naturalergy-saving modification合成氨工業(yè)是投資大、能耗高的行業(yè)之一,其能其盡可能轉化完全。同時(shí),甲烷在氨合成過(guò)程中是耗約占全國總能耗的4%,占產(chǎn)品總成本的70%。惰性氣體,它會(huì )在合成回路中逐漸積累,對過(guò)程有以天然氣為原料,合成氨的能耗主要是天然氣的消害無(wú)利。因此,轉化氣中殘余甲烷含量要求控制足耗而最大的天然氣消耗在轉化系統,它包括原料天夠低,一般控制在0.5%(體積分數)以下。為了滿(mǎn)然氣和燃料天然氣2個(gè)方面。從原料天然氣的消耗足這種天然氣轉化率的嚴格要求,無(wú)論在國內還是而言,各企業(yè)情況基本相同,都已接近理論用量。因國外,在以往的設計中,轉化系統都采用天然氣加壓此,轉化系統的天然氣消耗主要在燃料天然氣上。蒸汽二段轉化流程,配有外熱式一段轉化爐和絕熱從最簡(jiǎn)單的計算結果來(lái)看,一套6萬(wàn)∽/a合成氨裝式二段轉化爐各1臺、廢熱式鍋爐2臺等設備,使一置轉化系統的噸氨燃料天然氣消耗量在350m3左段轉化氣中甲烷體積分數<10%,二段轉化氣中甲右,每年增加成本1547.7萬(wàn)元。此外,由于燃料天然氣的大量消耗,又大大提高了煙氣排放量,對環(huán)境體積分數<0.5%。舊轉化系統工藝流程示意圖如圖1所示。造成熱污染。所以,這種舊式轉化系統既不節能,不利于環(huán)保。筆者綜合多方面的因素,經(jīng)與中國石蒸汽、原料燃料天然氣|空氣蒸汽轉化氣去天然氣變換工序化揚子石化設計院及外方技術(shù)人員會(huì )審后,決定對高壓蒸汽高壓燕汽四川某化工集團6萬(wàn)ta合成氨裝置的轉化系統進(jìn)行節能技術(shù)改造,以期獲得理想的節能效果。1一外熱式一段轉化爐;2一二段轉化爐;3,4一廢熱鍋爐;1原轉化系統流程及不足5一汽包:6輔助鍋爐中國1.1原轉化系統工藝流程煤化工流程示意圖天然氣(主要成分為CH4)作為制氨原料,要求Nm壓力3.6MPa、溫度收稿日期:2006-03-16作者簡(jiǎn)介:曾鳳春(1964-),女,大學(xué),副教授,主要從事化學(xué)、化工方面的教學(xué)與科研工作;張開(kāi)仕(1959-),男,教授,主要從事應用化學(xué)的教學(xué)萬(wàn)方數韆,通訊聯(lián)系人13102m時(shí)e13,m2006年7月曾鳳春等:合成氨轉化系統的節能改造263380℃的條件下配入中壓蒸汽后達到一定的水碳比2.2新轉化系統工藝流程(約為3.5),進(jìn)入外熱式一段轉化爐的對流段預熱,根據上述原理分析,對原轉化系統作如下技術(shù)然后送到裝有鎳催化劑的各反應管進(jìn)行轉化反應。改造:在原外熱式一段爐外并聯(lián)1臺3萬(wàn)ta的列轉化反應所需的熱源由管外燃料天然氣的燃燒提管/浮頭型換熱式轉化爐,再與二段爐串聯(lián);將傳統供。一段轉化氣經(jīng)輸送總管進(jìn)入二段爐,此時(shí)甲烷的二段爐高溫出口氣體進(jìn)入廢熱鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽體積分數<10%。在二段轉化爐中,按照氨合成所的流程改成作為換熱式轉化爐轉化反應的熱源;設需氮氫比通入空氣,也配入少量蒸汽,進(jìn)入頂部與廢熱鍋爐回收余熱,更新二段爐爐頭和混合器;對段轉化氣匯合,在頂部燃燒一部分氫氣產(chǎn)生大量反后續系統和控制系統進(jìn)行配套改造。改造后轉化系應熱滿(mǎn)足殘余甲烷的繼續轉化。離開(kāi)二段爐的轉統工藝流程示意圖如圖2所示?；瘹鉁囟葹?000℃C、壓力3MPa、甲烷體積分數燃料天然氣空氣蒸汽<0.5%,接著(zhù)進(jìn)入廢熱鍋爐,在其溫度降至370℃后送往變換工序,鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽回系統循環(huán)原料天然氣、蒸汽低壓蒸氣高溫轉化汽利用。1.2原轉化系統存在的不足二段轉化氣去變換工序原轉化系統在設計上存在明顯的不足之處:①一段轉化爐負荷過(guò)高、水碳比過(guò)大,致使所需熱量1一外熱式一段轉化爐;2—換熱式一段轉化爐;3一二段轉化爐增多,燃料天然氣消耗增大;②一段轉化爐為外熱4一溫度控制器;5—廢熱鍋爐式,不但體積龐大、結構復雜、價(jià)格昂貴,而且轉化過(guò)圖2新轉化系統工藝流程示意圖程所需的熱量完全由管外天然氣燃燒提供,即直火加熱使大量天然氣作燃料消耗掉,造成了能源的極從脫硫工段來(lái)的原料天然氣與中壓蒸汽混合,大損失;③二段爐出口氣體溫度為1000℃,而后續使水碳比為2.7后分成2路進(jìn)入轉化系統:一路去變換工段要求的溫度僅為370℃,富余很大的熱量,外熱式一段爐的對流段預熱,再去裝有鎳催化劑的原轉化系統將它通入鍋爐產(chǎn)生蒸汽,是對熱能的嚴管內進(jìn)行轉化反應,所需熱源由管外燃料天然氣的重浪費;④流程長(cháng)、動(dòng)力消耗高、系統調節能力差。燃燒反應提供;另一路經(jīng)對流段預熱后進(jìn)入換熱式段爐的管內,在鎳催化劑的作用下,借助于管外來(lái)2新轉化系統流程及優(yōu)點(diǎn)自二段爐高溫轉化氣所提供的熱能,進(jìn)行轉化反應2.1舊轉化系統改造原理然后與外熱式一段爐轉化氣混合送至二段轉化爐。轉化爐的作用是將天然氣轉化為氨合成所需的混合轉化氣進(jìn)入二段爐頂部,與適量空氣混合,并發(fā)原料氣,并使最后殘余甲烷的體積分數<0.5%。對生空氣與氧的燃燒反應,以供殘余甲烷進(jìn)一步轉化于二段爐高溫出口氣體提供的熱能,在滿(mǎn)足自身所所需的熱量。二段爐出口高溫轉化氣經(jīng)與換熱式轉需之后還有較大富余,可以用來(lái)作為一段爐轉化所化爐管內的一段轉化氣換熱后,溫度降至620℃左需的熱源,從而避免燃料天然氣的消耗。目前,列右,再進(jìn)入廢熱鍋爐溫度降為370℃后送至變換工管/浮頭型換熱式轉化爐已研制成功,并在一些新建序。鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽回系統循環(huán)利用。小氮肥廠(chǎng)中得到應用。天然氣在此爐轉化所需熱源23新轉化系統的優(yōu)點(diǎn)由高溫氣體換熱供給,而不是燃燒天然氣的直火加與舊轉化系統和其他蒸汽換熱式轉化系統相熱。因此,將一段爐由外熱式改為換熱式,就能達到比,新轉化系統具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn):①充分利用了節約燃料天然氣的目的。但受甲烷深度轉化的熱量段爐出口高溫氣體的余熱作為換熱式轉化爐轉化消耗和氫氮比的限制,二段爐高溫出口氣體的富余反應的熱源,大量減少了燃料天然氣的消耗從而大熱量是有限的,不可能完全滿(mǎn)足一段爐的需要。所幅中國煤化節換熱式一段爐和外以,原外熱式一段爐不能淘汰,再與一臺換熱式轉化熱氏然氣轉移到換熱式CNMH爐并聯(lián)使用,實(shí)現系統的半自熱式平衡。這樣,就可少F八然氣的消耗;③并聯(lián)在保證二段爐甲烷深度轉化指標的前提下,通過(guò)合了一臺換熱式轉化爐,使轉化系統生產(chǎn)能力大大提理分配2個(gè)一段爐負荷達到燃燒天然氣消耗最少的高;④在二段爐出口高溫氣體管路上,設有溫度調節目的與控制裝置,可有效地避免換熱式轉化爐超溫,造成264現代化工第26卷增刊鎳催化劑燒毀和設備損壞;⑤換熱式一段爐由二段由表1數據可知,新轉化系統使天然氣轉化得爐高溫轉化氣提供熱源,實(shí)現了系統的半自熱式平更徹底,二段轉化爐的熱能得到了較充分的利用。衡,不需要制氧裝置和脫除過(guò)量氮氣的凈化分離裝表2數據可知,新轉化系統的燃料天然氣消耗大置,流程短、動(dòng)力消耗低、投資少。大降低,生產(chǎn)能力大大提高,電耗也有所減少,但新3新舊轉化系統統計數據比較及經(jīng)濟性分析增了蒸汽消耗。3.2經(jīng)濟性分析3.1統計數據新轉化系統使生產(chǎn)每噸氨的燃料天然氣消耗下改造后的新轉化系統于2004年3月5日投入降至200m3、電耗下降14kWh蒸氣消耗新增0.6t,使用,至今運行平穩、安全可靠。通過(guò)抽樣分析,對按天然氣市價(jià)0.737元/m3電價(jià)0.38元/kWh、蒸汽新舊2種轉化系統的工藝指標和能源消耗進(jìn)行了比價(jià)54元/計算,每年氨可減少成本857.28萬(wàn)元。較。工藝數據統計如表1所示,能源消耗與生產(chǎn)能另外,改造后使合成氨生產(chǎn)能力凈增3萬(wàn)ta,按液力數據統計如表2所示。氨市價(jià)1850元/計,新增銷(xiāo)售收人5550萬(wàn)元/a,表1新舊轉化系統工藝數據比較扣除綜合成本3750萬(wàn)元/a,新轉化系統每年又新段轉化氣甲烷二段轉化氣甲烷二段轉化氣進(jìn)廢增收益1750萬(wàn)元。舊轉化系統改造以及后續系統體積分數/%體積分數/%熱鍋爐溫度/℃配套改造的總費用33528萬(wàn)元,此改造方案投資回舊轉化系統9.801000收年限為1.3年。新轉化系統12.400.306204結語(yǔ)表2新舊轉化系統能源消耗與生產(chǎn)能力數據比較新轉化系統流程短、設備簡(jiǎn)單、操作方便、控制燃料天然氣用電單耗/蒸汽單耗/生產(chǎn)能力/靈活,不但大幅度降低了燃料天然氣的消耗,還提高單耗/m3了裝置50%的生產(chǎn)能力,具有顯著(zhù)的節能效果和經(jīng)舊轉化系統350濟效益。燃料天然氣消耗的下降,又減少了煙道氣新轉化系統200的排放,降低了對環(huán)境的熱污染,實(shí)現了節能與環(huán)保的雙重效益?！銎?chē)行業(yè)將大大受益于電池燃料技術(shù)進(jìn)步來(lái)自政府當局如交通運輸部( Department of Trans-固體氧化物、質(zhì)子交換膜( proton exchange membrane)和堿portation,DoT)和美國環(huán)境保護局( Environmental Protection性電池燃料能夠為各種汽車(chē)提供動(dòng)力,如卡車(chē)、汽車(chē)和摩Agency,EPA)日益增長(cháng)的管理壓力,美國正加速燃料電池托車(chē)技術(shù)的釆用,以確保減少排放和高效燃料轉換。加利福這種技術(shù)的競爭主要來(lái)自于內燃機和電池。許多汽尼亞州燃料電池聯(lián)盟( California Fuel Cell Partnership)等計車(chē)公司已經(jīng)開(kāi)始投資與之相關(guān)的研究活動(dòng),以使車(chē)輛配劃有望使電池燃料比預期更早地應用于商用車(chē)輛。備設計更好并由替代性燃料驅動(dòng)的內燃機,因此這些車(chē)Frost& Sullivan高級研究分析師Ⅴ ijay Shankar Murthy輛能夠實(shí)現清潔排放。表示:“電池燃料有望首先用于艦隊車(chē)輛。這些電池燃料同樣,行業(yè)參與者正開(kāi)發(fā)能夠在高溫條件下工作的在艦隊車(chē)輛上使用成功后,其他車(chē)輛如客車(chē)和卡車(chē)預計功能更加強大的電池,使它們能夠適用于汽車(chē)的應用。也會(huì )有使用電池燃料的趨勢”。然而,對于電池燃料生產(chǎn)者來(lái)說(shuō),利用電池燃料技術(shù)的優(yōu)電池燃料幫助我們減少對不斷衰竭的利用氫的石化勢是至關(guān)重要的,而不是專(zhuān)注于競爭燃料儲備的依賴(lài),這些能效設備能夠大大減少有害氣體排放。這些電池能量來(lái)自電氣化學(xué)轉化,其中化學(xué)能量決方轉化成電能,水是惟一的副產(chǎn)品,從而最大限度地減少了組裝EYH中國煤化工間題的可行的解司時(shí)可減少膜電極CNMHG對生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)溫室氣體排放。檢測甲醇和乙醇的使用也有很大幫助,因為它們擁有豐Murthy指出:“有望用于汽車(chē)行業(yè)的電池燃料技術(shù)如富的氫并可作為替代性燃料的來(lái)源”。(新華美通)