合成氨装置简介和重点部位及设备

合成氨装置简介和重点部位及设备合成氨装置简介和重点部位及设备 一 装置简介 一 装置发展及其类型 世界上第一座合成氨生产装置始于 1913 年 我国首套合成 氨生产装置建于 20 世纪 30 年代 到 70 年代初 我国运行的合 成氨生产装置绝大多数仍为以煤 焦 为原料 采用固定床制气技 术的中 小型装置 世界上 60 年代起 大型合成氨生产装置 由于具有工艺流程短 热利用率高 自动化水平高 单系列 运行时间长等优点 得到快速发展 我国从 1973 年开始 从美 国 日本 法国引进了 13 套日产合成氨 1000t 的大型合成氨生 产装置 这些装置均采用烃类蒸汽转化制气工艺技术 其中以 天然气为原料的有 10 套 其中两套后来改用轻油 以轻油为原 料的有 3 套 1978 年以后 又引进了以渣油 煤为原料 采用 部分氧化制气工艺技术的大型合成氨生产装置 合成氨装置生产工艺技术因原料制气 气体净化 氨合成 工艺不同而有多种工艺技术 原料气化有 煤 焦 固定床气化工 艺 煤 焦 气流床气化工艺 渣油 水煤浆部分氧化制气工艺 烃类 轻油 天然气 蒸汽转化制气工艺 气体净化工艺种类繁多 硫化物脱除分为固定床吸附 如氧化锌吸附 和溶液吸收 如 乙 醇胺法 甲醇法 nhd 法 一氧化碳变换工艺可分耐硫变换工 艺和非耐硫变换工艺 二氧化碳脱除可分为化学吸收法 如 g v 法 苯菲尔法 和物理吸收法 如 低温甲醇法 nhd 法 气体精制工艺可分为 热法精制 甲烷化工艺 和 冷法精制 低温 液氮洗或深冷净化工艺 氨合成工艺按压力等级 可分为高压 法 中压法 低压法 按合成塔的气体流向 可分为轴向塔和 径向塔 按床层换热方式 可 分为内部换热式 中间换热式和中间冷激式 世界上 由于合成氨原料成本价格不断上升 合成氨工艺 技术目前向低能耗发展 出现了多种低能耗合成氨工艺技术 其中 以天然气为原料的蒸汽转化低能耗制合成氨装置 其能 耗已降到 28cj t nh3的水平 二 装置的单元组成与工艺流程 1 组成单元 合成氨装置因工艺技术不同 组成的单元也不同 现介绍 以烃类蒸汽转化制气工艺技术生产合成氨装置的情况 装置由 硫化物脱除 简称脱硫 烃类蒸汽转化制气 简称转化 一氧化 碳变换 简称变换 二氧化碳脱除 简称脱碳 气体精制 简称甲 烷化 氢 氮气压缩 简称压缩 氨的合成 简称合成 七个单 元组成 各单元介绍如下 1 脱硫 烃类原料 天然气 炼厂气 轻油等 与氢气混合进行加氢反 应 将原料中的不饱和烃 有机硫化物转化为饱和烃 硫化氢 再由氧化锌脱硫剂吸附 除去原料中的硫化物 如原料中硫含 量过高 则在脱硫单元中增加予脱硫装置 2 转化 原料中的碳氢化合物先与蒸汽 后加空气发生转化反应 得到含 h2 co c02 ch4 n2等的气体 并回收热量 产生高 压蒸汽 一段转化反应需要的热量由燃料气 油 燃烧提供 3 变换 转化气中 co 与水蒸气反应生成 h2和 c02 4 脱碳 采用碳酸钾溶液循环吸收 再生的方法 除去工艺气中 c02 并将再生出来的高浓度 c02送到尿素装置作为原料 5 甲烷化 将工艺气中微量的 co c02与 h2反应生成甲烷 从而得到 合成氨生产所需要的纯净的 n2 h2气 6 压缩 通过合成气压缩机将工艺气压力提高 补充入氨合成循环 回路 并提供氨合成回路气体循环需要的动力 7 合成 氢 氮气在高温 高压下反应生成 nh3 反应后的气体经 冷却 冷凝分离出液氨 未反应的氢 氮气与补充的新鲜气循 环回合成塔 基本循环流程 合成一热回收一冷却一冷凝一氨 分离一换热一循环升压一合成 合成循环回路中需要的冷量由氨冷冻系统提供 2 工艺流程 工艺流程说明 工艺原则流程见图 7 1 工艺流程从原料到氨的合成 共分七个工序 1 脱硫 含少量硫化物的原料 天然气 轻油等 经原料压缩机 泵 升 压到 4mpa 表 与少量从合成气压缩机来的合成气混合 经加 热 进入加氢反应器 将有机硫化物转化为 h2s 然后进入氧化 锌脱硫槽吸附 h2s 使原料气中的硫含量降到 0 2mg m3以下 脱硫后的气体送去转化 2 转化 脱硫后的气体与水蒸气混合进入一段转化炉炉管内 在镍 催化剂作用下 进行烃类蒸汽转化反应 出口温度达 800 左右 出口气体中 ch4含量达 8 左右 工艺气再进入二段转化炉 与 适量空气混合燃烧 在镍催化剂作用下 继续进行甲烷转化反 应 使出口气体中甲烷含量降为 0 3 高温转化气再进入废 热锅炉 回收热量 产生高压蒸汽 一段转化炉炉膛内设有顶 或侧 壁烧嘴 由燃料气 油 燃烧 提供转化反应需要的热量 3 变换 从转化来的气体温度约 360 先进入高温变换炉 反应后 出口气体中 co 达 3 左右 气体经换热后 温度降到 220 再进入低温变换炉 出口气体中 co 降到 0 4 左右 然后去 脱碳系统 4 脱碳 变换来的气体含 c02约 20 进入二氧化碳吸收塔底部 与热碳酸钾溶液进行逆流接触吸收 吸收塔出口工艺气中 c02 下降到 0 1 经分离后进人甲烷化系统 碳酸钾溶液在再生塔内通过减压 加热再生 再生后的溶 液回到吸收塔 循环使用 再生出来的 c02气 降温后 送往 尿素装置 为提高吸收 再生效率 一般采用两段吸收 两段再生 5 甲烷化 脱碳后的气体经换热后进入甲烷化炉 在镍触煤作用下 co 和 c02与 h2反应生成 ch4和 h20 出口气体中 co 加 c02含量 达 lomg m3以下 送往压缩机入口 6 压缩 甲烷化来的工艺气体 压力为 2 5mpa 表 工艺气经合 成气压缩机加压后送到氨合成系统 一般合成气压缩机采用二 段或三段压缩 用蒸汽透平驱动 其出口压力视氨合成系统而 定 一般为 20 25mpa 表 合成气压缩机高压缸还设有一个循环段 新鲜气与循环气 混合后 经循环段升压后回到氨合成系统 7 合成 合成气压缩机循环段出口气体 经换热后进入氨合成塔 在高温 高压及催化剂的作用下生成氨 合成塔出口气体中含 nh318 左右 温度 320 350 经给水加热器 热交换器 水冷却器 氨冷器 降温到 o 左右 进入氨分离器 分离出 液氨 分离后的气体经冷交换器 热交换器提高温度后 去合 成气压缩机循环段 升压后继续进行循环 分离出来的液氨经 减压 解吸出溶于液氨中的气体后 送到氨罐 为控制循环气中的惰性气体浓度 循环气体中排出一部分 气体 吹出气经氨回收 氢回收后 用作燃料 循环系统中 氨冷器的冷量 由一套氨压缩机组成的冷冻系统提供 三 化学反应过程 2 工艺技术特点 采用烃类蒸汽转化制气技术 采用两段变换 碳酸钾溶液 脱碳 甲烷化气体净化技术以及中压合成氨技术 工艺流程短 设备采用单机组 单系列 设备性能可靠 可实现长周期连续 运行 装置的能量利用较合理 生产过程余热利用充分 能耗 较低 采用集中自动控制 自动联锁系统 装置自动化水平高 操作安全可靠性高 五 催化剂 合成氨装置工艺过程中采用了加氢催化剂 硫吸收剂 一 段转化催化剂 二段转化催化剂 高温变换催化剂 低温变换 催化剂 甲烷化催化剂 氨合成催化剂共八种催化剂 催化剂 由于型号不同 生产配方不同 其性能 特性也不同 各种催 化剂的一般组成见表 7 2 二 重点部位及设备 一 重点部位 1 转化系统 转化系统由一段转化炉 二段转化炉 废热锅炉以及燃料 燃烧 烟气废热回收设备组成 高温设备集中 一段炉炉膛高 达 1300 二段炉出口 950 废热锅炉产生 1ompa 表 高压 蒸汽 设备内为易燃 易爆气体 压力达 4mpa 表 转化系统是装置中的高温区 其特点是高温 高压 易燃 易爆 有毒 若发生超温 易造成设备损坏 工艺气体泄漏 而引发重大火灾 爆炸事故 2 合成系统 合成系统由合成塔 水加热器 热交换器 冷交换器 水 冷器 氨冷器 氨分离器等高压设备组成 是装置中高压设备 集中的区域 设备压力等级一般为 20 25mpa 表 设备内工艺 介质为 h2 n2 nh3等 由于压力高 设备发生泄漏 易造成火灾 中毒 爆炸事 故 如设备存在缺陷或产生氢脆 产生裂纹 在发生物理爆炸 的同时 还可发生化学爆炸 往往造成灾难性的后果 二 重点设备 1 一段转化炉 一段转化炉承担着将原料烃类与蒸汽发生反应制取原料气 的任务 其操作 运行是否正常影响到整个装置的安全运行 是装置中结构复杂 操作条件苛刻的关键设备 一段转化炉由 辐射段 对流段及燃料系统组成 辐射段一般有几百根转化炉 管 炉管内装填催化剂 烃类与水蒸气在炉管内反应 炉管外 用燃料气 油 燃烧形成的火焰直接加热 炉管外壁温度高达 900 950 炉管内压力为 4mpa 表 运行条件比较苛刻 对 流段为有效回收热能 采用多种工艺物料与烟气换热 换热方 式较复杂 一段转化炉在生产中 如发生催化剂中毒 结碳 水碳比失调 燃料系统故障 炉管超温等都可造成事故 如发 生设备损坏 泄漏还可引发重大火灾 爆炸事故 2 压缩透平机组 合成氨装置有合成气压缩机 氨气压缩机 工艺空气压缩 机 原料气压缩机四大机组 采用离心式多级压缩机组 用蒸 汽透平驱动 原料气压缩机压缩气体为天然气或干气 出口 压力 4mpa 表 氨气压缩机压缩气氨 出口压力 1 6 1 8mpa 表 工艺空气压缩机压缩空气 出口压力 4mpa 表 最重要的是合成气压缩机 压缩气体为 h2 n2气体 出口压力 一般为 20 25mpa 表 采用 10mpa 表 高压蒸汽透平驱动 转 速可达 11000r min 被称为合成氨装置的 心脏 大机组一般在高温 高压 高转速下运行 密封 润滑条 件要求高 调节控制系统复杂 运行中如发生喘振 气体带液 轴瓦磨损 密封损坏 轴位移高等都可造成机组故障 由于结 构复杂 维护保养 检修安装要求高 如维护不当 检修安装 未达到精度标准 也容易发生设备故障 而四大机组均为单系 列运行 无备用机组 任何一台机组的停机 都可造成全装置 停车 而且泄漏出来的 nh3 h2 n2 原料气还可造成重大的 火灾 爆炸 中毒事故 3 合成塔 合成塔是装置的主要设备 氢气与氮气在合成塔内反应生 成氨 合成塔是高温 高压设备