节能型合成氨生产工艺的开发与改进（三）□丁振亭（上接第５期第１０页） 四、布朗节能型工艺
四、布朗节能型工艺 被称为第二代大型合成氨装置工艺的Ｃ．Ｆ．布朗深冷净化法流程，首先公布于
被称为第二代大型合成氨装置工艺的Ｃ．Ｆ．布朗深冷净化法流程，首先公布于１９６７年。同其它流程相比，这种流程独特地采用了深冷净化流程脱除合成气中过量的氮和甲烷以及氩，深冷装置采用一台简单的气体膨胀机，此外，在二段转化炉使用过量空气，使一段转化炉燃料节省１／３以上。这种流程的投资比常用的蒸汽转化法流程并未增加多少，但原料、燃料和动力消耗等都比较节省，由于合成气净化度高，只含有０２％的氩和微量的甲烷，因此，可以大大简化合成系统设备，弛放气量大为降低，从而减少了氢损失。另外，合成压力可以适当地降低，一般６７５吨／日氨厂合成压力为１４０ｋｇ／ｃｍ２；１３５０吨／日氨厂为１９６ｋｇ／ｃｍ２。自６０年代开始采用布朗工艺的氨厂有三种规格，例如６７５吨／日、９００吨／日和１３５０吨／日，主要生产厂家有美国ＵｎｉｏｎＣｈｅｍｉｃａｌ厂，６８０吨／日，１９６６年投产；荷兰ＥＳＳＯＣｈｅｍｉｅ厂，１３６０吨／日，１９６８年投产；美国Ａｒｃｏ厂，９００吨／日，１９６８年投产；日本Ａｓｓｈｉ厂，９００吨／日，１９７１年投产；荷兰ＮＳＭＣ厂，９００吨／日，１９７１年投产；美国ＣＮＣ厂，１３６０吨／日，１９８２年投产；荷兰ＮＳＮＤ厂，１５００吨／日，１９８４年投产。随着经验的不断积累、流程和设备的不断改进和完善以及转动设备效率的提高，合成氨能耗也在不断地下降，逐步形成了节能型流程。荷兰ＮＳＮＤ厂是采用节能型布朗深冷净化新工艺的典型厂，该厂１９８１年１２月签订合同，１９８４年１月建成，同年２月底向氨罐送液氨，从签订合同建厂到投料开车总共不到２７个月。１９８４年４月工厂负荷达到１００％，考核时合成氨日产量１６９５吨，为设计能力的１１３％。该装置总能耗的期待值和考核值分别为６．９５×１０６和６．９８×１０６ｋｃａｌ是目前世界上能耗最低的合成氨厂，它的正常运转证明布朗公司节能型深冷净化流程的设计是成功的。 节能型布朗深冷净化工艺流程包括原料天然气的脱硫、一段转化、二段转化、中
节能型布朗深冷净化工艺流程包括原料天然气的脱硫、一段转化、二段转化、中低变、ＣＯ２脱除、甲烷化、分子筛干燥、深冷净化和压缩合成等。 该工艺的主要特点是：（１）原料天然气加压到４０ｋｇ／ｃｍ２，脱硫后含Ｓ
该工艺的主要特点是：（１）原料天然气加压到４０ｋｇ／ｃｍ２，脱硫后含ＳＯ２为１ｐｐｍ，与压力３４．５ｋｇ／ｃｍ２、温度３２９℃中压蒸汽混合，水碳比为２．５～３．０，再经过中变气换热器和一段转化炉对流段预热到６２０℃进入一段转化炉管，转化后气体出口温度７２０℃，压力３０８ｋｇ／ｃｍ２，含ＣＨ４约２３％。一段转化炉操作条件可以在较大范围内变化，转化条件比较温和。布朗工艺采用福斯特惠勒公司的梯台炉，其结构型式为上烟道、双抽气、双排管，二段炉不设水夹套，外壳设计温度为２０４℃。二段转化炉采用５０％～７５％过剩空气，过剩量的多少取决于所需要的ＣＯ２产量，同时也可在一定程度上调整二段转化炉后废热锅炉的高压蒸汽量，从而减少一段转化炉辐射段的热负荷，提高热效率。一段转化炉热效率为８２％～９２％，二段转化炉几乎为１００％。（２）二段转化炉出口气体经废热锅炉产生１０４ｋｇ／ｃｍ２的高压蒸汽，再经高压蒸汽过热器，将温度降低到３９０℃，然后进入中变炉，中变后出口气体４４０℃，经原料空气预热器和锅炉给水预热器温度降低到２１３℃，再进入低变炉，出低变炉气体温度２３３℃，压力２９．１ｋｇ／ｃｍ２，ＣＯ含量０．５％，充分地利用了转化反应热，提高了热效率。（３）脱除ＣＯ２可以采用改良的苯菲尔特法、Ｓｅｌｅｘｏｌ法或ＭＤＥＡ法。ＭＤＥＡ法是德国ＢＡＳＦ专利，该法能耗为每１ｍ３ＣＯ２４８０ｋｃａｌ，净化气中ＣＯ小于１００ｐｐｍ，ＣＯ２纯度大于９９．９％，ＣＯ２回收率９６％～１００％，布朗公司为荷兰ＮＳＭＤ厂日产１５００吨合成氨装置就采用了这种方法脱除ＣＯ２。（４）出ＣＯ２吸收塔的净化气预热到３１６℃后进入甲烷化炉，使甲烷化气残余ＣＯ＋ＣＯ２小于１０ｐｐｍ。（５）甲烷化气与来自合成的弛放气混合，经风（水）冷、氨冷，分离水分后进入分子筛干燥装置脱除氨、残余ＣＯ２和水分。（６）在中低变及甲烷化后增设了深冷净化装置，深冷前用分子筛干燥原料气中过量的氮气以脱除甲烷等惰性气体，并调整氢氮比为３∶１。（７）深冷后的合成气压力为２３．５ｋｇ／ｃｍ２，经三级压缩到１６４ｋｇ／ｃｍ２，循环气在最后一个叶轮加入，与新鲜气混合并升压到１７９．５ｋｇ／ｃｍ２。气体经预热后送入氨合成塔。由于新鲜气与循环气直接混合进入合成塔，降低了入口气的氨含量，提高了氨净值，同时也减少了水机的功率。（８）采用２～３个串联式绝热氨合成塔，内装单层催化剂，没有放冷，两塔之间设有塔外换热器，在塔外换热并副产蒸汽，合成塔结构简单，塔内有固定催化剂筐，装卸催化剂方便，合成率高，合成塔外壳材质为２５５Ｃｒ１．０Ｍｏ钢，内件为３０４ＳＳ。（９）弛放气量少，大约吨氨为１２０ｍ３，可经氨回收后部分返回冷箱，其余与原料天然气混合，故不需专门设置氢回收装置。（１０）采用燃气轮机驱动空气压缩机，燃气轮机废气送入一段蒸汽转化炉回收显热并作助燃空气，使总热效率最高可达９２％～９４％，高于蒸汽轮机。该法已为其他公司所采用。布朗公司早在１９６６年为美国Ｕｎｉｏｎ公司的Ｂｒｅａ合成氨厂第一次采用了燃气轮机驱动工艺空气压缩机，该厂至今还在正常生产。 我国９０年代又从国外引进三套以天然气为原料的大型合成氨装置。其中辽宁锦
我国９０年代又从国外引进三套以天然气为原料的大型合成氨装置。其中辽宁锦西和四川涪陵两套装置为法国政府贷款，由法国德克尼布公司总承包。四川合江一套由意大利政府贷款，由意大利特克尼蒙特公司总承包。这三套装置都采用了节能型的美国布朗深冷净化工艺流程。它们的特点是：（１）在转化、变换、脱碳和甲烷化组成的生产氢氮气的装置和氨合成装置之间，设置了深冷净化装置，采用透平膨胀机制冷，用深冷法除去氢氮气中的甲烷和氩，从而得到高质量、氢氮比适当的合成气送往合成，这种工艺在国内仍属首次采用。（２）工艺空气压缩机采用燃气轮机驱动，其尾气供一段转化炉的燃烧空气用，吨氨能耗可以减少约２０９ＧＪ。（３）转化条件比较温和，在二段转化炉引入过量空气，产生大量的热量，这就相应地减少了一段转化炉的热负荷，一段转化炉出口温度可降到７００℃以下，比传统设计的８１５～９００℃要低很多，转化炉管和转化催化剂的使用寿命长，转化催化剂的使用寿命可延长到４～６年（传统工艺一般为２年），一段转化炉的设计制造要求可降低，减少了投资。（４）合成原料气中可带有比传统工艺含量高的甲烷，二段转化炉出口甲烷含量为１．６５％（传统的仅为０．３４％），从而使二段转化炉的出口温度比传统的降低了１００℃之多。（５）脱碳采用了苯菲尔特法。（６）深冷净化是通过深度冷冻将混合气中部分组分液化分离，将合成混合气中的全部甲烷、大部分氩和过量的氮液化分离掉，达到深冷净化的目的，可获得比传统法合成气更为纯净、干燥的氢氮气，其比值为３∶１。深冷净化分离出来的废气，可送一段转化炉用作燃料，减少原料气的使用量，也可送回干燥器用作分子筛再生气。（７）氨合成采用布朗流程，合成圈压力为１５．０ＭＰａ，氨合成塔采用三个热壁（外壳设计温度为４２０℃）矮胖型，每个氨塔内件为单层轴向催化剂层床，三个氨塔共同带一个过热蒸汽、二个产生饱和蒸汽１３．０ＭＰａ高压的前置式废热锅炉，三塔外筒内径分别为２４６０、２８２０、２８２０ｍｍ，外筒厚度分别为１５２、１６２、１６２ｍｍ，三塔催化剂筐切线高度分别为３０００、４１５０、７０４０ｍｍ，三个催化剂筐各厚１３ｍｍ。氨塔内件及催化剂筐采用ＳＡ２４０ＴＰ３２１不锈钢。三台氨塔总净重２６８吨，比其它类型单台大型氨塔净重要轻些，但由于采用热壁及前置式废热锅炉，故对氨塔外筒和废热锅炉的材料技术要求更加严格。合成转化率高，入塔氨气量３．５％，三个氨塔后的氨净值分别为１１．６％、１６８４％和２１．０１％，减少了合成回路的循环量，一般为３７．８×１０４ｍ３／ｈ，降低了合成回路的压力，为１４．６ＭＰａ。合成气压缩机功耗降低约１０．７％，水机功耗降低约７１％，为２２３０ｋＷ，合成催化剂使用寿命可延长至１０年以上。（８）减少了合成回路的弛放气量，比传统工艺少４２％，合成气中惰性气含量少，仅为３．４１％，氢回收效果好，使合成回路中氢的利用率达到９９％，弛放和回收系统的主要参数为（１吨ＮＨ３）：７７３．２ｍ３，新鲜气中氢含量比７４．８１％，新鲜气中氢含量２０７４．０３ｍ３，弛放气量１６７．０４ｍ３，弛放气中氢含量比值７０．３１％，弛放气中氢含量１１７．４４３ｍ３，返回富氢气量８２．３２ｍ３，富氢气中氢含量比值７０．８６％，返回富氢气中氢含量５８．３３ｍ３，最终氢气排放量（也可以回收）为５９．１１ｍ３。（９）工艺操作灵活、方便、稳定，如果需要增加蒸汽产量，可在二段转化炉加大空气流量，而不影响合成部分的氨产量，因为所有过量的氮气都将在冷箱中被分离掉，并且合成补充气的氢氮比仍然保持３∶１不变。即使操作时二段转化炉出口甲烷含量过高，也不影响合成回路的弛放气量，因为所有甲烷都将在深冷净化系统被除掉，并且合成回路中惰性气体的含量保持不变。这对于传统工艺或深冷净化装置设计在回路里的其他低能耗工艺是很难办到的。深冷净化系统可以作为氢回收装置，在燃烧充足且价格较低的情况下，可将合成回路的全部吹出气和弛放气送回干燥器入口，与合成气混合，在冷箱内得到回收后作为新鲜气返回合成回路。（１０）由于采用了深冷净化系统使布朗型制氨厂的能耗大大降低，吨氨能耗降低到２９．３ＧＪ以下，同时减少了设备投资，真正达到了投资省、能耗低、效益高的目的，使布朗合成氨工艺成为当今世界先进水平节能型工艺。（未完待续）