节能型合成氨生产工艺的开发与改进（二）□丁振亭 （上接第２期第１１版）
（上接第２期第１１版） 三、ＵＨＤＥＩＣＩＡＭＶ节能型工艺英国帝国化学工业公司（ＩＣＩ）在
三、ＵＨＤＥＩＣＩＡＭＶ节能型工艺英国帝国化学工业公司（ＩＣＩ）在吸收其他公司节能设想的基础上，改进了传统工艺，开发成功了ＩＣＩ－ＡＭＶ（氨五）节能型制氨新工艺，其主要工艺流程与传统工艺相仿，只是在单元操作和某些设备上进行了改进。与传统工艺相比其主要特点是：①增设了原料气饱和塔（填充塔或筛板塔），原料天然气经配入由驰放气回收装置返回的氢气后，进入脱硫装置，随后进入饱和塔下部，与塔顶喷洒下来的热水逆流接触，使天然气饱和，由此可以提供转化后反应所需要的工艺蒸汽的５０％，热水水源为工艺冷凝液，加热热水的热源是高、低温变换之间的工艺气中的余热，改善了工艺热力学，提高了能级，消除了工艺冷凝液的处理设备。②采用燃气轮机带动工艺空气压缩机，废热气用作一段蒸汽转化炉助燃空气。③在一段转化中，将水碳比降到３∶１，转化出口温度由８２０℃降到７８３℃，出口压力升高到３．５ＭＰａ，出口甲烷含量由９．７％放宽到１６％，使转化条件变得温和，减少了燃料消耗和转化炉管数目，也减少了转化炉外形尺寸。④二段转化炉加入过量未预热空气，操作温度为９００～９５０℃，出口甲烷含量由０．３％放宽到１．０％。⑤采用低能耗改良型苯菲尔特法脱碳。⑥氨合成采用低压法合成回路，合成压力降到７～８ＭＰａ，使用ＩＣＩ新开发的高活性低压合成催化剂和低阻力的合成塔，用单段合成气压缩机代替多段压缩机，大大降低了压缩机功耗（只需６ＭＷ）。在合成回路中采用分子筛干燥新鲜合成气，用深冷法回收弛放气中的氢。氢的回收在合成回路压力下进行，大部分直接返回合成回路，部分用作原料加氢，将脱除的杂质返回一段转化炉作燃料。这样，还可以抵消因前部条件缓和造成合成气中杂质含量增高对氨合成反应带来的不利影响。⑦吨氨消耗定额为，原料天然气为２４．９７×１０６ｋＪ，燃料天然气１０．８×１０６ｋＪ，外供蒸汽－１．０吨，外供电－５１．５ｋＷｈ，冷却水１９３ｍ３，精制水２．１５ｍ３，吨氨能耗为２８．６９ＧＪ。 德国伍德公司（ＵＨＤＥ）早于１９８２年就与ＩＣＩ签订了采用ＩＣＩＡＭ
德国伍德公司（ＵＨＤＥ）早于１９８２年就与ＩＣＩ签订了采用ＩＣＩＡＭＶ（氨五）工艺制氨合同，并在加拿大ＣＩＬ公司的Ｌａｎｂｒｔｏ工厂建立了世界上第一套ＡＭＶ工艺工业化装置，试车情况良好。 为了进一步地节能、降低投资，伍德公司在结合自己多年生产实践经验的基础上，
为了进一步地节能、降低投资，伍德公司在结合自己多年生产实践经验的基础上，对ＩＣＩＡＭＶ工艺进行了较大的改进和修改，推出了自己的ＵＨＤＥＩＣＩＡＭＶ节能型新工艺，采用了ＩＣＩ的低压、低Ｈ２／Ｎ２、高活性催化剂，使合成系统压力大幅度地降低；采用了低水碳比转化的变换催化剂，使一段转化反应在低水碳比下进行；采用了最佳化设计获得高温、高压蒸汽，并且采用了燃气轮机驱动工艺空气压缩机，使能耗大幅度下降，又以节能型苯菲尔特脱ＣＯ２及完善的氢回收、氨回收和工艺冷凝液回收，使ＵＨＤＥＩＣＩＡＭＶ以崭新的面貌出现，吨氨能耗可降至２８．８ＧＪ。该工艺首先应用于加拿大ＴｏｒｏｎＴＯ的加拿大工业公司所属的生产能力为１２５０吨／日的氨厂，该厂已于１９８５年投产，吨氨能耗小于２７．１ＧＪ。１９９２年伍德公司于河南濮阳建设的中原化肥厂合成氨装置也是采用这种新工艺，年产３０万吨合成氨，吨氨能耗的设计值为２８．８ＧＪ，保证值为２９．６ＧＪ，比国内７０年代引进的同类合成氨装置可节能２８．３％。 采用该法的主要工艺是天然气脱硫、一段转化、二段转化、热能回收、ＣＯ变换、
采用该法的主要工艺是天然气脱硫、一段转化、二段转化、热能回收、ＣＯ变换、脱除ＣＯ２、甲烷化、压缩、氨合成、氨回收及氢回收。主要特点是：（１）采用了燃气轮机驱动工艺空气压缩机，燃气轮机排出气用于一段转化炉燃烧空气，４９５℃，氧含量１６％，取消了不必要的燃烧空气预热器，将更多的热量用于预热锅炉给水，使总效率可达８５％以上，燃气轮机与一段转化炉所需燃料的总和减少２０％以上，装置总能耗降低５．２％。采用燃气轮机不但不用蒸汽，而且对流段回收其废热还增产蒸汽，省去快装锅炉这套复杂的系统，该装置只有一台较小的高压辅助锅炉，即可满足正常开车及生产对蒸汽的需要。（２）提高了转化压力，一段转化炉入口压力４．７３ＭＰａ，出口压力４．５ＭＰａ，天然气和工艺空气压缩机的功耗增加，但合成气压缩和功耗降低，总的压缩机耗能可降低３０％左右。转化炉为预燃式，带有“冷的”出口集气管系统。（３）二段转化炉加入过量的空气（２５％～３０％），调整一、二段转化炉的负荷，使一段转化炉出口甲烷含量由通常的１０％放宽到１６．４％，二段转化炉出口甲烷含量由通常的０．３％放宽到０．９％。一段转化炉出口温度由通常的１００３℃降到９８３℃以下，延长了一、二段转化炉，特别是转化炉管的使用寿命。二段转化炉加入过量空气，过量空气中的氧和氢发生燃烧反应，生成更多的水蒸气，这样，对降低一段转化炉出口水碳比更为有利，可以减少工艺蒸汽用量，降低一段转化炉投资。二段炉的喷头采用空气冷却，用内部气体导管与一段转化炉连接，以避免所需要的输管线。二段炉出口工艺气中热量用于产生和过热高压蒸汽。废锅的下降管和上升管较短，容易操作和控制气体出口温度。（４）一段炉采用２．７５低水碳比，要求一般转化催化剂和高低变催化剂都具有较高的低水碳比活动性和抗析碳性。（５）采用了带有多级喷射泵和真空压缩机的节能型苯菲尔特低热法脱碳，大大降低了脱碳系统的能耗，节省下来的低位热用于预热锅炉给水。（６）采用了伍德公司新开发的具有高转化率和低压降的大直径间接换热的三床层径流式氨合成塔，并串联一台倒Ｕ形管的废热锅炉。该塔内件结构使反应温度分布十分接近最优的反应温度，合成回路设计循环量为５５．３万ｍ３／ｈ，压降０．８７ＭＰａ，吨氨副产１２．５ＭＰａ高压蒸汽１．１吨，操作压力１０．４４ＭＰａ合成气入塔温度２３９℃，出塔温度为４１４℃。采用ＩＣＩ的低压低温低氢氮比（２．１∶１），高活性小颗粒的ＩＣＩ７４Ｉ型铁钴基催化剂，粒度仅为１．４～２．８ｍｍ，比常规合成塔催化剂的填充体积可减少１５％，使氨合成系统压力较大幅度地下降，达到８．５ＭＰａ，在合成系统中采用超化学计量的氮氢比。（７）在氨合成回路后面，设置了与合成压力等同的氨回收和氢回收系统，氨回收除回收弛放气中的氨以外，还回收氨冷冻贮存系统闪蒸弛放气体中的氨。氨回收采用了等压水吸收，氨水提氨冷凝液化流程，液氨直接作为产品送出界区。氢回收采用一种等压低温深冷技术，回收的高压富氢气可直接返回到合成气压缩机循环段入口。弛放气中的９０％氢、９５％氨可以回收利用，日回收氨２６．５吨，氢回收７３．５吨，充分发挥了这种新工艺的潜在优势。（８）工艺装置中，大部分转动设备都采用了电动机驱动，只有少数几台大型离心式压缩机（如天然气压缩机、工艺空气压缩机、合成氨压缩机和水机等）采用了蒸汽轮机或燃气轮机的驱动。（９）采用了最佳化设计，充分利用化工余热，用低温热源预热锅炉给水，用高温热源生产高压蒸汽并使之过热，利用工艺废热所产生的蒸汽量为装置总汽量的８５％。蒸汽系统的参数比传统工艺有大幅度提高，蒸汽品质好，能量利用率高，有利于节能降耗。所产生的１１．２ＭＰａ、５３０℃的过热高压蒸汽，可以逐级降压使用，既可将高参数的蒸汽用来驱动氨压机和发电机，又可使用背压后的中压蒸汽（５．５ＭＰａ、４２２℃）来驱动天然气压缩机和合成气压缩机，并且还可以满足一段转化炉和尿素装置对蒸汽的需要，使能量利用得更加合理。该厂将高参数的蒸汽用于发电，在国内还是首创，不设置小汽轮机，２０００ｋＷ以下的动力设备采用电动机驱动，集中回收工艺废热用于发电，不仅可以提高能量的利用率，还可以稳定蒸汽管网，便于操作调节。此外，该工艺系统还设置了一台８５吨／小时的辅助锅炉，用以满足蒸汽需求量的波动。（１０）自动化控制水平较高，生产的主要过程采用了集散型控制系统（ＤＣＳ）和逻辑程序控制系统（ＰＬＣ），压缩机系统和整个工艺系统均设有复杂的自动保护联锁系统，大大增加了设备运行的安全保险系数。（１１）操作调整方便，工艺指标控制不苛刻，由于采用了低压低温高活性的ＩＣＩ９４１型催化剂，使之对其前后工序的工艺指标比传统工艺放宽了，例如一段转化炉、二段转化炉出口甲烷以及相应的高变、低变和脱碳等。这些指标的放宽，对合成回路的经济运行影响不大。该工艺所以有这一优势，主要是有一个氢回收单元，该单元具有良好的惰性气体排放功能，这对工艺操作人员的操作调节具有很大的灵活性，而且对能耗的影响也不太大。在生产过程中，有时指标稍有失调，只要不停车，也能得到较低的吨氨能耗值。（１２）吨氨综合能耗值较低，一般为２８．８ＧＪ。由于天然气供应不足，装置性能考核之前一直在８０％负荷下稳定运行，直到性能考核前几天才供应满负荷所需要的天然气。因满负荷运行时间短，装置性能考核不是在完全优化的工艺条件下进行的。装置的性能考核持续运行９６小时，考核结果表明，设备运行良好，除合成废锅、贫液水冷却器Ａ、工艺冷凝换热器等三台设备因设计和制造方面的问题需要更换之外，其他所有设备性能均达到设计要求，自控仪表投用率达９８％，平均日产合成氨１０１２．５吨，ＣＯ２１４２５．１２吨，分别达到设计能力的１０１．２５％和１０８．２９％，最高日产合成氨１０２７吨，ＣＯ２１４４２．６２吨。液氨纯度平均为９９．９７％，油含量５．６ｐｐｍ，吨氨能耗３０．２２ＧＪ，吨氨装置设计期待能耗２８．８ＧＪ，保证值２９．１ＧＪ，实际能耗偏高０．９１～１．２ＧＪ／吨ＮＨ３，查其原因主要是：（ａ）天然气压缩机和合成气压缩机防湍振阀关死，每小时多耗７吨蒸汽，合成废锅因设计制造问题少产１３吨／小时高压蒸汽。（ｂ）脱碳系统水力透平因轴瓦损坏没有投入运行，每小时多耗电６００ｋＷ。（ｃ）天然气总碳指数比设计值高，且波动频繁，故转化系统水碳比维持在３．～３．２操作，而不是设计值２．７５。（ｄ）因向尿素送冷氨使水机蒸汽消耗量偏高，发电机发电量每小时４２００ｋＷ，比设计值４９００ｋＷ少发电７００ｋＷ。如果更换伍德赔偿的新合成锅炉和冷凝换热器，并将设备全开，进一步优化操作，设计期待能耗是可以达到的。（未完待续）