节能型合成氨生产工艺的开发与改进（四）□丁振亭    （上接第４期第１０页）
    （上接第４期第１０页）     五、ＬＣＡ工艺
     五、ＬＣＡ工艺    ＩＣＩ公司近期又推出一种合成氨导向概念设计（Ｌｅａｄｉｎｇ  Ｃｏｎｃｅ
    ＩＣＩ公司近期又推出一种合成氨导向概念设计（Ｌｅａｄｉｎｇ  Ｃｏｎｃｅｐｔ  Ａｍ－ｍｏｎｉａ），习惯称ＬＣＡ工艺（世界中氮新工艺）。该公司认为它的成功是合成氨工业技术近３０年来的一次重大突破，今后将有广阔的发展前景。    该工艺的典型工艺流程为天然气经压缩（０．４５ＭＰａ，３８℃）、加氢、脱
    该工艺的典型工艺流程为天然气经压缩（０．４５ＭＰａ，３８℃）、加氢、脱硫、饱和增湿、预热、一段转化（加蒸汽）、二段转化（加空气）、等温变换、变压吸附、甲烷化和氨合成。其主要特点是：（１）一段转化在管壳式连续换热变换反应器（ＧＨＲ）内完成，降低转化管应力，设备尺寸小，不用炉子，以对流传热为主，摒弃了以辐射传热为主的工业炉反应器，管内装催化剂，管外用从二段转化炉出口的高温气体加热，提高了热能利用率。吨氨新鲜气消耗为２６６０ｍ３，吨氨单耗原料天然气（甲烷）３４．４９ｋｍｏｌ（７７２．５ｍ３）；操作温度７００～７５０℃，压力３．７ＭＰａ，原料气水碳Ｈ２Ｏ／ＣＨ４＝２．５∶１。该反应器炉管少，压差小（＜０．２ＭＰａ），体积小，热效率高，采用低水碳比的催化剂，可以节省高镍铬合金钢，结构简单，易于制造安装。一段转化由来自二段转化的高温气体加热，而不用燃料。（２）二段转化采用传统的固定床绝热反应器，工艺空气过量１．５倍，加入量为吨氨１５４５．２ｍ３，出口温度９７５℃，加入过量加热后的空气，以保证转化反应进行的较为完全，并有足够的热量供给热交换式转化器。（３）将中低变合并在一个管壳式反应器内进行，采用ＩＣＩ新型７１－３／７１－４催化剂，管内装催化剂，管间为工艺冷凝液，能有效地控制炉温，操作温度为２６５℃，汽气比为０．４。（４）采用变压吸附（ＰＳＡ），既脱除ＣＯ２和过量Ｎ２，又脱弛放气的ＣＨ４和Ａｒ等，不再设置弛放气回收系统。变压吸附进口压力３．２８ＭＰａ，出口压力３．２４ＭＰａ，氢的利用率为８６．２％，出气组成体积分数（干）：氢７５％，氮２５％；废气中ＣＯ２（干）４２．８％，氢１９．４％，氮３３．７％。（５）脱碳后废气组成：氢３３．４％，氮５８．０％，ＣＯ５％，甲烷２．１％。（６）甲烷化除去微量的ＣＯ、ＣＯ２等有害气体，但在ＰＳＡ系统中氢的利用率８５％时，ＣＯ＋ＣＯ２不大于１０ｐｐｍ，故设置甲烷化进行最终净化，纯属保护性措施。（７）氨合成压力低，一般为７．８５～１２．５ＭＰａ，在此条件下完成氨的合成反应和氨的分离。采用ＩＣＩ低压高活性专用钴基催化剂ＩＣＩ７４－１，它含有助催化剂，可使低温低压工艺达到最佳操作值。氨净值在１０％以上，氨合成反应器用以副产６．０ＭＰａ的蒸汽。分离氨后的未反应气体与新鲜氮氢气汇合进入压缩机的循环段，加压预热后进入合成塔，甲烷和氩由弛放气回路排出并循环返回制气部分。（８）三大机组（天然气、工艺空气和合成气压缩机）采用电动机驱动的离心式压缩机，冰机采用电动机驱动螺杆式，其耗功分别为２０２４ｋＷ、５７３９ｋＷ、３９７３ｋＷ和１９４４ｋＷ，总功率为１３６８０ＫＷ。（９）采用高级的计算机控制系统。（１０）生产工艺流程简单，操作容易，开车迅速，从原料气导入到出氨仅用１９小时，正常操作时，从冷态开车到出氨为１２小时，热态开车仅为４小时，即减少开车消耗，又节约能源。（１１）该工艺装置的规模可为３００～６００吨／日，主要设备１２０台，其中化工设备８５台，转动设备３５台，催化剂７种，装填体积１３１．９ｍ３，全厂建筑物除一个高３６米的照明烟囱外，最高建筑物２５米，最重提升物约１２０吨，由于设备尺寸普遍减小，故某些部位可采用预组装的移位安装模式。ＬＣＡ摆脱了大型氨装置的束缚，革新了工艺，简化了流程，采用气体换热转化反应器（ＧＨＲ）替代传统的一段转化炉，简化了设备，摆脱了传统的废热制汽的牵制，制氨装置以制氨为主体，把公用工程作为配套工程，可以因地制宜。吨氨主要消耗为：总天然气量８３１ｍ３，２６．９６×１０６ｋＪ，其中原料天然气７５１ｍ３，燃料天然气８１ｍ３，电能４７９ｋＷｈ，脱盐水２．２４吨，冷却水２１５吨，输出蒸汽１．１２吨，总能耗小于２９．３１×１０６ｋＪ。该工艺适用于两套小装置（小于５００吨／日），平行运行，产量减少时可停一套，另一套仍按１００％负荷运行，效率高，总的开停车比率较大。虽然兴建两套小容量装置比建造一套容量为其两倍的单系列大型装置投资要大一些，但与一套容量相同、操作经济性差的单系列装置相比，两套装置的造价并不很高，这就为大型装置的双系列化打下了基础，提高了大型装置的经济性。ＩＣＩ公司塞文宽德两套老装置已废弃，新建两套新装置就采用了ＬＣＡ新工艺，４５０吨／日合成氨。第一套已于１９８６年５月破土，１９８８年２月竣工，１９８８年５月投入生产；第二套装置也于１９８８年１０月投入了运行，首次开车只用了１９小时，运行实践证明该工艺是成功的。据ＩＣＩ预测，到２０００年，全球将有３０～４０套ＬＣＡ装置，现在已收到一些可能的用户的咨询，其中有中国和印度，包括将在马德拉斯市建厂的ＥＩＤＰａｒｒｙ。据报道，我国云南天然气化工厂技术改造拟上一套１０万吨／年合成氨装置，拟采用ＩＣＩ的ＬＣＡ新工艺，为采取双系列各５００吨／日方案打下基础。    六、大型天然气制氨设想工艺
    六、大型天然气制氨设想工艺    合成氨生产技术不断发展，创造出许多低能耗的新工艺，为建立新的大中型制氨
    合成氨生产技术不断发展，创造出许多低能耗的新工艺，为建立新的大中型制氨装置提供了许多最新最先进的化工单元，可供合理的优化组合，设计一个先进的节气节能的制氨新装置。国内近期推出以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工艺，主要工艺流程是：两段换热富氧自热转化、等温变换、ＭＤＥＡ脱碳、甲烷化、压缩合成。其工艺的主要特点是：①采用两段换热富氧自热转化工艺，不用燃料天然气，即吨氨耗气可节省近１／３，仅用１１２ｍ３的Ｏ２来取代约３００ｍ３的ＣＨ４，同时增加ＣＯ２量满足氨加工成尿素的ＣＯ平衡。５．５ＭＰａ天然气经换热预热后送入Ｃｏ－Ｍｏ和ＺｎＯ脱硫，再入饱和塔用ＣＯ变换的反应热加热的循环热水和蒸汽进行饱和，使天然气含水汽量可以满足８０％～９０％，然后再配入水干气比为２．５的补充蒸汽，经换热加热到４２５～５００℃入换热式转化炉。换热式转化炉为耐火材料衬里的压力容器，炉管为刺刀式悬挂结构，炉管中心管作返气管，在低温区集气于顶部出气。炉管外围空间设置蓄热强化传热填充物，以提高加热热源的二段转化气给热系数几倍，炉子直径Φ３．６ｍ，高２０ｍ，炉管Φ２００×１２０００ｍｍ，内中心管Φ６０ｍｍ，炉管５０根，催化剂装填量１７ｍ３。从上部分进入炉内装有催化剂的炉管，由下部炉管外进入的二段转化气（９６０～１０００℃）对流供给一段转化反应所需要的热量，出炉管的一段转化气（７００～７５０℃）在炉上部引出进入二段转化炉。二段转化炉尺寸约为３．８ｍ×１８ｍ，催化剂３５ｍ３，烧嘴按５．５ＭＰａ富氧空气条件设计。从一段炉送来的转化气在二段炉上部混合烧嘴与富氧空气在混合室内混合，经燃烧室入二段催化剂床层进行部分氧化催化放热反应，使二段转化气残余ＣＨ４０３％～０．５％，在炉底离开即入换热转化炉作转化加热热源，下入上出的二段转化气（～６００℃）再经换热器使温度降至２３０～２５０℃，送入变换炉。②采用列管式等温变换炉，它为一列管式换热催化反应设备，管内装有铜系催化剂，管间为锅炉给水和汽化的蒸汽，由于设备的操作温度在２５０℃左右，设备材料可用锅炉钢制造，壳管间温差不大。出口变换气ＣＯ含量为０．４％～０．５％，经变换炉给水和脱ＣＯ２再生换热器后入热水冷却塔冷却到４０℃，送ＭＤＥＡ脱除ＣＯ２。ＣＯ变换反应热由列管等温变换炉的热水移走，使热水加热循环和汽化产生蒸汽供作饱和塔饱和原料天然气，以满足蒸汽转化用大部分直接工艺蒸汽。③ＭＤＥＡ（甲基二乙醇）溶液是具有物理吸收性能的化学吸收剂，能经济地除去合成气的酸性组分，且吸收过程中对非极性气体Ｈ２＋Ｎ２溶解度低，被净化的气体损失很少，溶液在分段闪蒸时还可回收。在吸收总压力大于３．０ＭＰａ时，ＣＯ２可脱除到小于５０ｐｐｍ。采用两段吸收工艺吸收ＣＯ２能力为１７ｍ３／ｍ３，使其热能耗和总能耗达到最低，比节能型的苯菲尔特法ＣＯ２还低得多。活性ＭＤＥＡ对碳素钢无腐蚀，因其是叔胺，碱性很弱，且无热降解及化学降解产物，再生解吸出来的湿ＣＯ２因其温度不高（７０℃）对碳素钢腐蚀也较轻。从变换来的气体进入ＣＯ２吸收塔，在塔中与自上而下的ＭＤＥＡ溶液接触，经过二段吸收，出塔变换气ＣＯ２０．０５％，送甲烷化。④甲烷化采用自热反应的常规工艺流程，开工用高压蒸汽加热。⑤新鲜合成气经分子筛干燥后进入合成气压缩机（离心式，进口压力５．０ＭＰａ，出口压力１５．０ＭＰａ），共加压到１４０ＭＰａ，用循环回塔的循环气混合再经循环段压缩至１５．０ＭＰａ进行氨合成。氨合成塔为径向两塔三床层两段废锅回收反应热副产蒸汽流程，最终出口合成气含氨２２％，废锅副产蒸汽量吨氨为６．０ＭＰａ饱和汽１吨，供转化补充工艺蒸汽和尿素用蒸汽。合成弛放气设置氨回收和弛放气回收氢、氧气装置。⑥所有机泵均采用电动机带动，总用电量２．５×１０４ｋＷ，由电网供给，１０００吨／日氨装置机泵功率为：空分空压机（出口压力６．０ＭＰａ）３０００ｋＷ，富氧压缩机（出口压力６．０ＭＰａ）６０００ｋＷ，天然气升压机（出口压力５．５ＭＰａ）４０００ｋＷ，合成气压缩机（出口压力１５ＭＰａ）７０００ｋＷ，冰机３０００ｋＷ，泵２０００ｋＷ，合计２５０００ｋＷ。⑦空分制氧装置选用全低压分子筛干燥流程，装置能力为９５％Ｏ２５０００ｍ３／ｈ，采用一台离心式空压机，功率约３０００ｋＷ，工艺富氧空气压缩机，离心式，出口压力６ＭＰａ，３０％富氧空气量约为４００００ｍ３／ｈ，功率约６０００ｋＷ。⑧采用５．５ＭＰａ大中型天然气两段换热富氧自热转化制氨工艺路线，具有节省天然气、能耗低、投资省、开停车简便等特点，是９０年代兴起的天然气制氨新技术，吨氨消耗天然气６７０ｍ３，２３．８３９ＧＪ，耗电６００ｋＷｈ，７．１０４ＧＪ，蒸汽８００ｋｇ，３．０１４ＧＪ，脱盐水３．５吨，０．０５０ＧＪ，冷却水２００吨，４．５０２ＧＪ，合计吨氨能耗２８．４８２ＧＪ。（全文完）