ICI-AMV工艺与KBR工艺比较分析.doc

ICI-AMV工艺与KBR工艺比较分析 李勇 （中海石油化学股份有限公司化肥一部 海南东方 572600） 摘要 介绍了ICI-AMV工艺与KBR工艺各自的特点，对两种工艺采取的节能措施进行比较分析。 关键词 ICI-AMV工艺 KBR工艺 比较分析 中海石油化学股份有限公司一期年产30万吨合成氨装置采用日本千代田ICI-AMV工艺，其主要工艺特点是加过量空气，低合成压力，一段炉较小，转化条件温和，CO2脱除采用美国低热苯菲尔特工艺，氨合成塔采用瑞士卡萨利专利，驰放气回收采用德国LINDE AE 工艺，于1996年10月投产。中海石油化学股份有限公司二期年产45万吨合成氨装置是由美国KBR公司（Kellogg&Brown Root公司）总承包，采用KBR公司的深冷净化技术（以下简称KBR工艺）设计而成。同时也是首次采用低热值天然气合成氨生产工艺，KBR工艺技术代表了当今世界同类型技术的先进水平，该套装置于2003年投产，它具有节能、运行稳定、操作简单以及不需要漫长的开车时间等特点。一、工艺流程ICI-AMV与KBR工艺流程及其特点： 工艺工序Ici-amv 工艺KBR工艺一段转化H2O/C比2.852.7温度776750压力4.314.24炉型侧烧炉顶烧炉出口残余CH4出口残余CH417.52%中度转化，出口残余CH422.02% 燃气透平驱动工艺/废热回收乏气排往高压辅助锅炉作为燃烧空气乏气排往一段炉做为燃烧空气二段转化残余CH4%1.092.13加入过量空气20%57%净化苯菲尔工艺MDEA法过量氮最终净化合成回路后深冷分离合成回路前深冷分离辅助锅炉高压辅助锅炉中压快装锅炉氨合成合成气压缩机技改后段间设分子筛脱水常规氨合成塔瑞士卡萨利轴径向合成塔三段中间换热式卧式塔（带两换热器）氨冷器常规组合式氨冷器回收H2深冷净化器亦起回收H2的作用深冷净化器亦起回收H2的作用合成压力MPA10.7915.4H2/N2比2.53.0两种工艺均采用了较高的转化压力，低水碳比，燃气透平驱动的空气压缩机，二段炉加入过量空气，深冷净化装置，高温高压的过热蒸汽管网，双壁液氨储罐，一段炉烟气较低的排放温度，不同点是ICI-AMV工艺采用美国苯菲尔脱碳工艺，瑞士卡萨利三段换热轴径向合成塔，KBR采用低热MDEA脱碳工艺，三段换热式卧式合成塔，组合氨冷器。较早投产的一期装置采用低压蒸气汽提工艺冷凝液，而二期装置采用中压蒸气气提工艺冷凝液，气提后的蒸汽夹带工艺冷凝液的NH3，CH4OH等送入一段炉蒸汽入口管线进入工艺气系统，有利于环保。下面将分别进行比较介绍：二、ICI-AMV工艺与KBR工艺相同点1、较高的转化压力与低水碳比一段炉中烃类蒸汽转化反应是体积增大的反应，压缩功与气体的体积成正比，所以压缩原料烃的压缩功小于压缩转化气的压缩功，压缩原料气提高转化压力，有利于节能，同时采用较高的转化压力有利于过量蒸汽冷凝液的回收。转化后变换、脱碳、甲烷化等操作压力也提高，反应速度，传质速度与传热系数均有所改善，可缩小相应设备尺寸，节约设备用材，催化剂用量也减少，降低了投资成本。以3.6MPA（G）为基准，每提高0.5MPA，节能约0.21MJ/T，ICI-AMV转化压力为4.31MPA，KBR转化压力为4.24MPA 。烃类转化需要蒸汽，较高的水碳比不仅可以降低转化炉出口甲烷含量，更重要的是可以防止析碳反应的产生，但是过高的水碳比会带来一些不利的影响，增加转化系统的阻力，燃料气消耗增加，工艺中没有被消耗的水蒸气以余热形式回收，由于能量利用过程中的降级使用，以及回收利用效率低，造成能量的不可逆损失，提高水碳比不利于降低能耗，水碳比的降低受转化催化剂的制约，目前国内已开发多种低水碳比的催化剂，传统型水碳比3.5，ICI-AMV工艺设计水碳比为2.85，KBR设计水碳比为2.7。2、 燃气透平驱动的空气压缩机一期ICI-AMV工艺与二期KBR工艺均采用意大利新比隆公司生产的燃气透平驱动空气压缩机，一期燃气透平型号PGT10，输出功率10510KW，为了增加透平的输出功率，减少NOx产物的形成，设有蒸汽喷射系统，可增加功率10%,机组效率约37%，控制系统SUVIMAC，07年底大修更换为TS3000，排气温度达493，含氧量16%，送往辅助锅炉作为燃烧空气。二期燃气透平型号透平排气温度高达535，含氧量13%-16%,送往一段炉做燃烧空气，机组效率约31%，由于两套装置都有乏气余热利用，其总效率在90% 以上。一期装置由于燃气透平选型较小，空气量不能满足工艺的需要，一直困扰合成氨装置的稳产，高产，一直到压缩机入口空气冷却系统改造成功后局面才得到改善，二期装置却由于选型较大空气压缩机出口放空阀一直有少量开度。3、一段炉较低的烟气排放温度一段炉是合成氨厂耗能的主要设备，因此设计上要充分考虑回收余热，降低烟气温度，减少炉体散热损失，有关资料显示，一段炉排烟温度由250降至120时可回收1.17GJ/T的热量，ICI-AMV工艺与KBR工艺均通过利用烟气预热工艺空气、去一段炉原料天然气，去脱硫工序原料天然气、高压蒸汽，锅炉给水来降低烟气温度。传统型工艺烟气排放温度在250,一期ICI-AMV工艺设计烟气温度为162，二期KBR工艺设计烟气温度为170。4、双壁氨罐海南地处热带，常年气温较高，为保证氨罐冷损少，降低小冰机负荷，均采用双壁氨罐设计方案，即采用内外两层壁，两壁之间充装保温效果好的膨胀珍珠岩，二期装置采用充气体氨，一期装置采用充N2保证壁间微正压。三、ICI-AMV工艺与KBR工艺的不同 1、20%与57%的过量空气一期ICI-AMV工艺与二期KBR工艺均采用二段炉加入过量空气的设计，一是提供H2燃烧时所需的氧气，二是配入合成氨反应所需的N2，加入过量空气可以将一段炉负荷转移到二段炉，达到节能和节省设备投资的目的。ICI-AMV工艺加入20%的过量空气，它是根据设计工况下，甲烷化后的新鲜合成气H2/N2为2.5时的计算值，再加大空气量将增加空压机和合成气压缩机功耗，此过量空气量亦为最优回路条件，KBR工艺加入57%的过量空气，多余的N2均在后面的深冷净化装置中除去作为废气返回一段炉燃烧，不同的是ICI-AMV的深冷净化装置在合成回路后，KBR在合成回路前。 2、苯菲尔特低热脱碳工艺与MDEA工艺一期ICI-AMV脱碳工艺采用美国苯菲尔特低热专利技术，由两段吸收，两段再生，四级喷射抽吸闪蒸组成。吸收CO2的溶液为水和热钾碱液，简称HPC，溶液组分为碳酸钾（K2CO3）约30WT%，活化剂ACT-1约0.5%-0.8%（2005年前二乙醇胺/DEA约3%（WT），以及缓蚀剂五氧化二钒（V2O5）约0.7%（WT），其吸收及再生反应如下CO2+K2CO3+H2O2KHCO3+QKBR的脱碳工艺采用德国BASF公司专利的三段aMDEA(a表示加入的活化剂)吸收工艺，MDEA法属于物理-化学吸收法，是一个能与改良苯菲尔法相竞争的方法，在近几年新建的合成氨装置中使用较多，其吸收性质是：CO2的分压越高，溶液的吸收能力越大，同时物理吸收CO2部分比例增大，化学吸收部分比例减少，其在减压再生时热能耗就少，由于二期原料气中富含CO2，采用MDEA法是理想的。再生能耗在35.84-44.80MJ,/kmol,而ICI-AMV低热苯菲尔工艺再生能耗为75 MJ,/kmol 3、合成回路后与合成回路前的深冷净化装置ICI-AMV工艺与KBR工艺都有深冷净化装置，其原理是根据工艺气中H2、N2、Ar、CH4沸点的不同，采用部分冷凝的方法分离出CH4，部分Ar， 及部分N2而获得理想的H2/N2比，ICI-AMV工艺的深冷净化装置在合成回路后面，新鲜气含CH4、Ar、H2、N2。H2和N2形成氨并离开系统，由于其不参与反应，回路中的惰性气体会降低H2和N2的有效分压并降低氨产率，所以不幸通过驰放一部分合成回路循环气以除去惰性气体，设定的驰放气量应使惰气浓度达到设计值（8.4%合成塔入口）同时使H2 /N2 在2.2 。KBR工艺中将深冷净化装置设置在甲烷化后经过分子筛脱水后工艺气进入深冷净化装置，在此多余的CH4，60%的Ar 及部分的N2被液化，可以保持入合成塔的H2/N2比为3，还设有膨胀机以利用气体减压对外做功发电后并入电网。与ICI-AMV工艺相比较，从深冷净化装置出来的合成气不含CH4，纯度较高，提高了合成塔的反应效率，KBR的深冷净化装置还使驰放气回收相对简单，减少了驰放气设备的投资，同时使前后系统独立，前系统的任何问题经过冷箱补偿后合成回路不受影响，然而由于KBR工艺冷箱处于合成塔前，冷箱一旦出现问题合成氨装置就没有氨产量，大多数情况下若冷箱故障由于冷箱的废气送往一段炉作为燃料气中断都将引起一段炉炉膛负压低连锁停车。而ICI-AMV工艺由于冷箱在合成回路后面却可以保持80%的氨产量，减少开车时间。 4、卡萨利轴径向合成塔与KBR卧式合成塔ICI-AMV工艺采用瑞士卡萨利三段换热轴径向合成塔，它具有三床层的轴径混流型催化剂筐和两个中间换热器，每个床层都有轴径向流路，大部分气体沿催化剂床层的径向流动，床层压力降小，因此可用1.53mm粒度的催化剂，采用ICI74-1型催化剂，氨净值为15.54%。KBR工艺采用凯洛格公司推出的三段中间换热式卧式合成塔（内部有两个换热器），该塔实际上是一种直径方向流动的合成塔，具有径向合成塔的一些优点，采用A110-1-H，A110-1型催化剂，氨净值为15.72%。转化率为15.52%,由于合成率的提高，使合成的循环气量保持在较低的水平，降低了合成气压缩机循环段与冰机的功耗。5、常规氨冷器与组合式氨冷器ICI-AMV工艺采用常规氨冷器，换热器与分离器较多，而KBR用组合氨冷器代替了三个换热器与两个闪蒸槽，合成塔出口气体通过中心管环隙流动，而循环气通过中心管内管流动，冷却氨在不同温度与压力下壳层的两室蒸发、冷却。此设计减少了系统阻力降，减少了设备投资。6、 高压辅助锅炉与中压快装锅炉ICI-AMV采用高压辅助锅炉来供应开车时的高压蒸汽，满负荷运行可提供100T高压过热蒸汽，在合成氨装置正常生产时由系统三个废热锅炉产汽来提供高压蒸汽，不足部分由辅锅补充，中压系统由合成气压缩机透平与冰机透平做功后减压来提供。 合成压缩机透平负责稳定中压蒸汽管网压力；KBR工艺采用中压快装锅炉来供应开车时建立中、低压蒸汽管网，满负荷运行时可提供60T中压过热蒸汽。其高压蒸汽由系统三个高压废锅产汽供合成气压缩机透平与冰机透平使用，合成气压缩机透平负责稳定高压蒸汽管网压力，中压不足部分由快装锅炉补充，在合成氨满负荷正常运行时设计补充12.5T，然而自该装置实际运行以来该锅炉负荷一直在50T以上。7、 低压气提与中压气提工艺冷凝液一期装置由于建厂时间较早，采用了不太环保的低压蒸气气提工艺冷凝液，气提后的废气直接排放到大气中，既不利于节能，又不利于环保。二期装置则采用中压蒸汽气体工艺冷凝液，气体后的中压蒸汽直接进入一段炉入口蒸气管线，其气提出的NH3，CH4OH可以在工艺系统中消耗掉。四、节能分析一期年产30万吨合成氨装置建于1996年，工艺设计净能耗为29.5GJ/T，在最近一次性能考核中吨氨能耗达到30.6GJ/T，二期年产45