节能型合成氨生产工艺的开发与改进（一）□丁振亭 摘要 世界节能型合成氨生产工艺从开发至今已有几十年发展历史，其运转设备
摘要 世界节能型合成氨生产工艺从开发至今已有几十年发展历史，其运转设备和工艺条件还在不断完善和探索中，而国内近期推出的高压两段换热、富氧自热转化工艺为基础的天然气制氨设想新工艺，则为这一领域又增添一新技术。 关键词 合成氨，节能，工艺，生产
关键词 合成氨，节能，工艺，生产 自８０年代以来，随着世界能源价格的不断上涨和合成氨经销价格的相对下降，
自８０年代以来，随着世界能源价格的不断上涨和合成氨经销价格的相对下降，世界各国都在极力开发节能型新工艺并不断地加以改进，以便大幅度地降低能耗，提高经济效益。当前，世界上以天然气为原料的先进的节能型合成氨生产工艺有以下几种。 一、凯洛格节能型工艺
一、凯洛格节能型工艺 当前国际上的合成氨工业，以美国凯洛格（Ｋｅｌｌｏｇｇ）工艺为主导。早在
当前国际上的合成氨工业，以美国凯洛格（Ｋｅｌｌｏｇｇ）工艺为主导。早在３０多年前，凯洛格公司首先在合成氨工业中采用了蒸汽轮机驱动的离心式压缩机，实现了合成氨装置的单系列、大型化和低能耗，这是合成氨工业的一大突破，工业界一般都以它作为传统型工艺模式。目前全世界已有１６０多套凯洛格工艺装置，其总生产能力约占全世界合成氨总生产能力的５０％以上，我国早期引进的以天然气为原料的大型合成氨装置，也采用了这一模式。但是这些传统型的凯洛格工艺装置的原材料和动力消耗大，受供气条件的影响也很大，开停车频繁，吨氨能耗高达３７．７～４１．８ＧＪ。为了提高这种工艺的竞争力，凯洛格公司在多年实践经验的基础上，推出了节能型合成氨生产新工艺（ＭＥＡＰ工艺），并首先在加拿大阿拉伯塔州的斯密特哥顿矿物有限公司的１０００ｔ／ｄ氨厂使用，这一工艺与传统型相比，燃料消耗大约降低５０％。随后，凯洛格公司又在荷兰等地建厂投产，其工艺流程与传统工艺相近，但其操作条件和单元操作及某些工艺设备则进行了改变。其主要工艺流程是：天然气（或石脑油）至一段转化，再至二段转化、高低温变换、脱炭、甲醇化、合成气压缩及分子筛干燥、氨合成和致冷，最后出产品。工艺的操作条件和主要特点为：（１）将转化压力从３１ａｔｍ（１ａｔｍ＝１０１．３３ｋＰａ）提高到３６ａｔｍ；（２）减轻一段蒸汽转化炉的负荷，加大二段转化炉的负荷，一段蒸汽转化炉空气采用烟道气预热，适当降低转化出口气温度，使炉管的操作条件趋于缓和；（３）二段转化用空气由汽轮机驱动的空气压缩机供应；（４）采用了新型的浮头式换热器，设备简单并节约管材；（５）采用物理溶剂吸收脱炭Ｓｅｌｅｘｏ法工艺，可节约蒸汽消耗，但ＣＯ２回收率低，不能满足下游产品尿素生产的需要；（６）甲烷化后的合成气采用分子筛干燥净化，可直接送入氨合成塔；（７）采用卧式氨合成塔系统，并且允许采用小颗粒催化剂和提高出口氨浓度，减少了合成回路的循环比及压缩机的动力消耗；（８）采用新型组合式换热器；（９）采用四级氨冷器；（１０）完善了蒸汽系统，冷凝液的处理采用了汽提法；（１１）燃料消耗可降低５０％，动力消耗降低２３％，冷却水的循环量降低３７％，吨氨能耗可降至２９．２７～３１．４ＧＪ。 我国第一套大型合成氨装置国产化样板工程———四川化工总厂年产２０万吨合
我国第一套大型合成氨装置国产化样板工程———四川化工总厂年产２０万吨合成氨装置（老厂改造），就是引进了凯洛格节能型合成氨新工艺（ＭＥＡＰ，中等节能工艺），并进行了进一步的改进。该装置已于１９９０年底一次试车成功，经过一年多的试生产，于１９９２年通过国家验收，节能指标投产后，吨氨能耗达到２９．３１ＧＪ；其三废排放、工业卫生和环保基本符合国家标准。该装置的吨氨能耗设计保证值低于目前国内引进的前１８套大型合成氨装置的设计指标，达到了当今国际先进水平。其采取的主要改进措施是：（１）一段转化炉采用大口径薄壁型转化管和新型保温材料，强化了对流段的热回收，使一段转化炉热效率由８８％提高到９２％；（２）采用燃气轮机与一段转化炉联用，燃气轮机驱动工艺空气压缩机，其高温含氧乏气可用作一段转化炉燃烧空气；（３）二段转化炉采用炉顶颈部喷射混合器，使转化气残余甲烷含量由０．３３％降低到０．２５％；（４）采用废热锅炉串联蒸汽过热器，副产高压蒸汽由１０．５ＭＰａ和４８０℃提高到１２３ＭＰａ和５１０℃；（５）采用中压蒸汽汽提工艺冷凝液，气相作转化炉工艺蒸汽，冷凝液回收作精制水使用，使生产现场无放空废气，从而避免了环境污染；（６）采用四段减压闪蒸的苯菲尔脱碳节能工艺，再生热耗降低；（７）合成补充气采用分子筛除去水分和残余ＣＯ２，改进冷冻流程以降低能耗，并使入塔气氨含量由２．５％降至１．５％；（８）合成塔采用卧式床间换热的两层型，具有床层薄、通气面积大、阻力小、检修方便和单程合成率高（氨净值由９．５％提高到１２．５％）等特点，并配置废热锅炉回收余热，副产高压蒸汽用于综合利用；（９）合成气压缩机高低压缸叶轮全部采用三元理论设计，比普通压缩机节能５％；（１０）采用“九合一”组合式氨冷器，既减少系统阻力，提高冷冻效率，又节约投资，减少占地面积；（１１）装置内小型泵及部分大型泵的备用泵改用电动机驱动，装置内尽量不采用能效较低的小型汽轮机，以便提高装置能效和开车速度；（１２）增设一台高压汽轮机发电机组（３０００ｋＷ），利用高压蒸汽减压发电，供给装置内用电源及界区外输，不仅满足本装置动力的匹配，还可输出电量，降低吨氨能耗；（１３）控制系统采用智能型自动化仪表，并且为国内开发软件、添置上位机、实现计算机在线分级及调优操作创造条件；（１４）液氨纯度达９９．９６％，安全设施及三废排放等主要技术经济指标均达到设计值。 美国凯洛格公司又与英国石油化学公司（ＢＰ）联合推出ＫＡＡＰ（Ｋｅｌｌｏ
美国凯洛格公司又与英国石油化学公司（ＢＰ）联合推出ＫＡＡＰ（Ｋｅｌｌｏｇｇ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ａｍｍｏｎｉａ Ｐｒｏｃｅｓｓ）合成氨新工艺，由凯洛格公司负责工艺设计，由ＢＰ公司研制新型催化剂，已于１９９０年开发成功，并用于大型工业化装置。该工艺的特征主要是集中在氨合成回路上，它采用了ＢＰ公司研制成功并获得专利权的高活性稀有金属钌作为催化剂，该催化剂对于载体和促进剂非常敏感，当添加碱金属和氧化物时，其活性比传统的催化剂要高出１０～２５倍，而催化剂的装填量只有原来的１／８～１／７，大大缩小了合成塔的体积。该催化剂对氮原子的吸附作用弱，不会由于生成氨而导致催化剂中毒，而氢易使催化剂中毒，故钌催化剂在低Ｈ２／Ｎ２比条件下是有利的，在高产氨的条件下，其活性也高。另外，在氨浓度较高时，活性仍很好，使用温度较以往用的催化剂低得多，预计使用寿命为１５年。现已在澳大利亚氮肥上建成这种新型催化剂的示范装置，规模为３ｔ／ｄ；工艺条件为：压力大于７．０ＭＰａ，氮氢比为１∶１～１∶３，温度为３００～４７０℃，氨浓度为１４％，现已完成测试工作，并获得专利权。该合成氨新工艺，整个合成回路的氨转化率高，循环气量少，阻力低，有最佳的氨合成压力，产品可为液氨或气氨，有最佳的调节控制系统，基建投资可降低１５％～２０％，单程转化率高，合成回路节能５２％，每吨氨可节约成本２～６美元，产量可提高４０％。采用ＫＡＡＰ的第一套工业化装置已于１９９２年１１月在加拿大投入运行，这是一座以天然气为原料的合成氨尿素装置，催化剂由恩格哈尔德公司制造并供应，每吨合成氨的生产成本可降低２美元。第二套新装置建在英国Ｏｃｅｌｏｔ氨公司。 凯洛格公司之后又开发成功一项新的转化交换器技术，即换热式转化炉Ｋｒｅｓ
凯洛格公司之后又开发成功一项新的转化交换器技术，即换热式转化炉Ｋｒｅｓ工艺。这项新技术对于前期推出的ＫＡＡＰ合成氨新工艺是一个补充和深化，Ｋｒｅｓ工艺可增加合成气产量，而ＫＡＡＰ工艺可增加合成氨产量。Ｋｒｅｓ工艺采用了开口管式换热器并使用绝热式二段转化炉，从而省去了庞大、昂贵、维修费用高的一段转化炉，转化变换器的能量完全通过从二段转化炉排出的热气体的热交换供给。二段转化炉使用富集空气，以达到热动力物料平衡的要求。另外，此工艺还有设备上的改进等。如采用上述工艺，估计投资费用和能源费用可减少５％～８％，每吨产品的能耗可降低５０万～１００万Ｂｔｕ（１Ｂｔｕ＝１．０６ｋＪ）。该公司已在加拿大的一套合成氨装置上安装了第一套Ｋｒｅｓ设备，并在１９９４年末投入生产。该加拿大公司已在１９９２年采用了ＫＡＡＰ工艺，采用了这两项新技术后，使其合成氨生产能力提高４０％，日产量已从６００吨增加到８５０吨。凯洛格公司将进一步研究如何把Ｋｒｅｓ和ＫＡＡＰ两项新技术结合在一起，形成新一代有利于环境保护的合成氨生产新装置。 二、托普索节能型工艺
二、托普索节能型工艺 托普索公司是世界上著名的制氨公司之一，８０年代初开发推出了节能型制氨新
托普索公司是世界上著名的制氨公司之一，８０年代初开发推出了节能型制氨新工艺，其主要特点：（１）转化。将一段转化的水碳比降到２．５（或由３．７５降至２．０）。这种催化剂的型号为Ｒ－６７，以具有高比表面积的镁铝尖晶石为载体。一段炉为侧烧式，当使用预热的燃烧空气时，能较好地调节管壁温度，将燃烧空气预热到３５０℃，排烟温度降到１００℃，从而降低了燃料的消耗。（２）变换。为适应转化采用低水碳比的条件，在高低温变部分更换了新开发的不含铁、主要以铜为活性组分的催化剂。在较低的温度下，其中低变催化剂的活性要比传统低变催化剂的活性高３倍。（３）脱碳。采用物理方法脱碳，再生不需要热量，省下的低位余热用于预热脱盐水、锅炉水和汽提工艺冷凝液。（４）氨合成。采用托普索Ｓ－２００型氨合成回路，间接换热，并得到高单程氨转化率，使出口氨浓度提高到１７％左右。因为这种合成塔的阻力小，可以多装催化剂，结果提高了氨的转化率，减少了循环气量，并且减少了冷换设备，由此每吨氨可节能０．８４ＧＪ。由于采用高效两段致冷系统，每吨氨可节能０．４２ＧＪ；采用深冷法回收驰放气中的氢，吨氨可节能０．４２ＧＪ；通过增大换热面积，拉大换热器中的温差，吨氨可节能０．４２ＧＪ。采用Ｓ－２００型合成回路可使吨氨能耗降低２．０９ＧＪ左右。（５）热能回收。在余热回收系统，可将蒸汽压力由１００ａｔｍ提高到１６０ａｔｍ，此外，烟道气排出温度可降到１４０℃。全厂吨氨总能耗可降至２８．０５～３０．６ＧＪ。 印度尼西亚一工厂则是采用托普索节能型新工艺并建成投产，之后又在驰放气回
印度尼西亚一工厂则是采用托普索节能型新工艺并建成投产，之后又在驰放气回收装置上回收全部氢气，使产量高达１１８０ｔ／ｄ，运行初期的开工率高达９６．８％，正常运行后能耗大大降低。（未完待续）