合成氨原料气双甲精制新工艺

1、合成氨原料气双甲精制新工艺一、双甲新工艺开发简况合成氨原料气双甲精制新工艺，即用甲醇化、甲烷化净制精炼合成原料气中CO、 CO2，使之小于10PPM，并副产甲基化合物。此工艺简称双甲新工艺，是湖南安淳高新技术有限公 司开发成功的一项新技术。该技术是 1990年提出， 1991年进行工业化设计， 1 992年9月第一套 工业化装置在湖南衡阳市氮肥厂投产成功， 国际上属于首先提出， 最先进行工业化生产。 1993 年4月获国家发明专利权，相继又申请了可调节氨醇比的双甲新工艺专利，美、英的权威化学 文摘做了报道。该装置至今已正常生产八年，取得了很好的效益。1994年元月通过化工部鉴定， 1994年6

2、月国家科委将该项目列入国家重大科技成果推广计划项目。此后又相继投产 了四家，效果很好。双甲新工艺净化精制原料气比传统铜洗法和深度低变一一甲烷化法比较有着明显优点，有广阔的使用前景。二 双甲新工艺技术方案1. 化学反应甲醇化反应原料气中CO C02 H2在催化剂作用下和一定温度下生成粗甲醇，经过冷却、分离送入中间贮糟。主要反应方程式如下：主反应 CO + 2HP CH3OHF 102.37KJC02+ 3HP CH30I+ H20 59.45KJ副反应 4C0 + 8HP C4H9OH- 3H2庆 49.62KJ2C0+ 4HP (CH3)2O+ H23 200.39KJ2CH3OHt (CH3

3、)2O+ H20- 4.35KJCO + 3H2t CH知 H2O 115.69KJ甲烷化反应经甲醇化工序后的醇后气，含CO- CO2为0.10.3%,经换热后温度达到280C，进入甲烷化工序，净化气中CO CO2&催化剂的作用下，和 H2生成甲烷。其反应方程如下：洀CO+ H2t CH4+ H23 115.69KJCO2+ 4H2t CH4+ 2H2庆 72.77KJ2.双甲工艺流程简图及说明粗脱硫变换脱碳精脱硫造气图一双甲工艺原则流程造气出来的半水煤气经气柜后，进行粗脱硫使H2治量0.07g/Nm3，加压至0.8MPa，进入中变。中变出来的气体中的 CO含量控制在1.55%经脱碳，

4、使CO下降到0.20.5%，用无硫氨水进行第二次脱硫，将 H2S兑除到100PPM以下，再进行精脱硫，使气体中之总硫量降到 0.1PPM,入高压机压缩到5.013MPa和醇后气进行换热，温度为 200C时，进入甲醇化反应。从甲醇化塔出来的气体，和新来的气体换热，再水冷至40C左右，进入醇分，经醇分后，使CO+ CO2i到0.10.3%，去高压机加压至和氨合成相等压力，进入甲烷化系统反应，反应后的 气体co+coa ioppm此气体经换热后和从氨合成塔来经换热后进入冷排之气体混合，进入冷排冷却，再去氨合成循环系统。从合成氨系统中排出的吹除气及液氨贮罐上排出的弛放气， 经脱氨后去氢回收装置，利用真

5、空纤维或变压吸附法对气体介质的选择吸附，而弛放气中的 H2被吸附。H2解吸后，回到系统中，未吸附的气体则排空。2.2 可控制醇氨比的双甲新工艺流程（图二）双甲新工艺目的以净化精制原料气为主，副产甲醇为辅。但随着市场变化，产品需求变 化，产品结构随时必须调整，即醇氨比要进行大幅度调节，在甲醇市场旺盛时，醇氨比要求 达到1:3左右。 此时产醇和精制原料气都是双甲工艺的重要任务， 其流程安排原则是设置两个 甲醇塔，第一个甲醇塔的作用是产醇，第二个塔是净化，经过第二个塔后，CO+COa2 0.3%。泝 IIII II II III半水煤气一IT中 变 低 变 脱 硫 脱 碳 II匸 I1|1|1|1|

6、H2III1II放空II 1 I I I II II I I I氨合成甲烷化I #2甲醇塔| #1甲醇塔| 精脱硫一氨 甲 醇 甲 醇图二 可控制氨醇比的双甲流程这种安排很灵活，当甲醇需求很大时，原料气通过两塔，在第一塔中CO和CO组分中80%转化为醇，以产醇为主，第二塔只把剩余20%C和CO2专化，使之小于或等于 0.3%。如果甲醇需求疲软，双甲工艺以净化精制为主，甲醇是副产品，并尽量减少，例如1:10到1:15 ，此时只用一个塔，第二塔备用，当第一塔触媒活性老化，再启用第二塔，同样控制入甲烷化炉的CO+CO 0.3%。2.3 节能流程（图三）第一级甲醇化采用5.0MPa或8.0MPa,第二

7、级甲醇化及甲烷化和氨合成采用 15MPa第一级 仍以产醇为主，即90%的codco旌此压力下转化为粗甲醇，剩余的 10%的codCO2含量在12 15MPa（或30MPa）压力下转化为甲醇，使 CO+CO 0.3%进入甲烷化，甲烷化后气体中 CO+CO 10PPM送入氨合成。此流程的优点之一是在于低压下合成甲醇，即有610%的气体（CO CO和生成甲醇需要的H2）,不需加压到更高压力，大大节约了电耗。优点之二是在5MP压力下甲醇化，可以利用甲醇化反应热副产中压蒸汽背压，做为动力，背压后蒸汽仍可做为工艺用汽。优点之三， 由于甲烷化和氨合成等压下反应，可以利用氨合成反应热，维持低成份下（CO+CO

8、W 0.3%）甲烷化反应温度，而不必开电炉来维持反应。对老厂采用双甲新工艺，高压机没有5MP这一段，而只有7.8MPa、12.5MPa和300MPa等压力段，则分别可以在7.8MPa和12.5MPa压力下进行甲醇化， 然后升压至15MPa或30MP进行甲烷化和氨合成。这种流程的节能效果也很显著。泝10.8 1.2MPa |1I1I1I1造气T中低变卜脱硫卜脱碳卜精脱硫卜IIIIIIIIII|5MPa(8MPa)|I II II 15.0MPa |氨合成卜-T甲烷化卜-T二级甲醇化卜一级甲醇化Y30MPa氨水甲醇甲醇图三 节能双甲工艺流程三 双甲新工艺的控制指标1. 原料气中的二氧化碳含量C02

9、要保证小于或等于0.2%。CO2i高,原料气精脱硫后，即进入甲醇化系统。原料气中CO达0.81%粗甲醇化过程中，生成水多，消耗氨多，增加副产醇的成本。某厂原料气中 甲醇中水含量达20%A上。实际生产中还发现 C02勺转化率比CO氐得多，原料气中CO过高会使 醇后气中CO高，进入甲烷化后，消耗氢更多，因为一个 CO分子，生成CH要耗2个氢，生成 H20要耗2个氢。2. 原料气中的一氧化碳含量和醇氨比原料气中一氧化碳由醇氨比决定。醇氨比大，原料气CO要求含量高，反之，则可低些。醇氨比依市场情况而定，当市场对醇需求量大，应适当提高醇氨比，然后在一定的流程 和系统配置下，醇氨比的提高受一定的限制。如表

10、一，泭不同醇氨比的气体成份要求表（表一）IIIIIII丨醇氨比丨半水煤气丨变换气中丨进甲醇化丨进碳化丨吨氨脱CO2 |I (n:n)1 1I (N2%)1I (CO%)1I (CO%)1I (CO2%)| (N)1 1rrI 1:15I 21.601I 1.32I 1.83rnI 0.14 I 1224.90I 1:9I 20.65I 2.02I 2.81I 0.17 I 1264.47I 1:6I 19.98I 2.82I 3.96I 0.20 I 1320.45I 1:4I 18.23I 3.92I 5.53I 0.24 I 1388.69I 1:3I 17.85I 4.90I 0.93I

11、 0.28 I 1462.59从表中看出，副产甲醇越多，要求半水煤气中N2瀝少，即在造气工段加氮空气减少；进碳化之前CO百分比越少。即对碳铵流程，还需采用其他方法脱除CO2变换气中C（百分比越高，变换负荷减轻，加入蒸汽量减少，节约蒸汽越多。在甲醇市场需求较大、价格较高情况下，多产甲醇是有利的，但必须加大造气能力、脱碳能力。最大醇氨比超过1:3，此时甲醇化必须采用双级反应，第一级以产醇为主，第二级以净化为主。半水煤气中N2含量降到17.85%以下，就要适当增加造气能力，碳铵流程还要增加脱碳装置，以维持氨平衡。生产实践证明醇氨比控制 1:9左右，控制难度不大，不必增加其它各工段能力，变换气中COf

12、分比不太低，消耗蒸汽不多，因而从经济上是比较合理的。3. 醇后气一氧化碳和二氧化碳双甲工艺中，醇后气尚有少量 COnCO2在甲烷化中，这些 CO CO2和氢反应生成甲烷，送入氨合成系统，用放空的方法，使甲烷保持进出平衡，不致积累。因为醇后气中CO2勺含量基本上稳定，相对 C蛮化波动较大，所以只讨论CO勺含量和氢消耗、放空量的关系。见表二泭敐憙醇后气成份和气体消耗的关系（表二）櫬I醇后气丨烷后气丨吨氨放空丨吨氨生成甲烷丨吨氨新鲜丨新鲜气增加量 III IIII11I （CO%） I （CH4%）| （NM3） I 耗氢（NM3） I 气耗（NM3）丨净节片. "油I % |0.591I

13、 1.65| 193.44|35.04| 2969.05| 110.18| 3.850.475| 1.55| 177.61|27.71| 2946.29|87.42| 3.050.357I 1.45| 162.20 |20.75| 2923.10|64.23| 2.20.239| 1.35| 149.59|13.75| 2901.88| 43.01| 1.50.120| 1.24| 137.39|6.83| 2880.21|21.34| 0.70.000| 1.11| 116.39|0.00| 2858.87| 0|0注：醇后气中CH4含量为1.099%洣从表中可以看出，醇后气中 CO越高，即

14、净化度越低，甲烷化耗氢越多，氨合成放空量越多，吨氨新鲜气消耗越多，以醇后气中CO 0（铜洗流程）为比较基准，醇后气 CC由 0增加至0.21%和0.591%,吨氨新鲜气消耗由 2858.87NM3曽加至2880.21NM3和2969.05NM3,分别多耗原 料气21.34NM3、110.18NM3。因此，醇后气中CO应越低越好。但CO越低，又引起两个问题，第一个问题是CO%g低，要求CC在甲醇化中转化率越高。如果要求醇后气 CO达到0.10.2%,而醇氨比要求1:25,则要求CO专化率达到96.798.5%, 如此高的转化率,用一般的方法 （如中压联醇或低压甲醇法 ）是难以达到的。我们采用了双

15、级 双压法,即第一级以产醇为主,在低压下进行,第二级以净化为主,在中压下进行。第二个 问题是CO越低，由于缺少反应热量，甲烷化反应难以自热平衡。4. 原料气中总硫和氨含量硫对甲醇化和甲烷化触媒都有永久性毒害，资料介绍，铜基催化剂硫含量达2%即失活，因此要求原料气中总硫控制在 0.1PPM以下。氨对甲醇化催化剂也和硫一样，有毒害作用，对碳铵流程，原料气中含氨较多，则要求安排脱氨装置，使原料气中氨降到0.1PPM以下。5. 甲烷化热平衡问题CO的甲烷化反应，是放热反应，在绝热情况下，每反应 0.1%CQ温度上升约7C,如果入 反应器CO高，反应温升很高，调节不当，可能烧坏催化剂。如前所述，co过高

16、，吨氨新鲜气消耗增加，所以 COF CO2-般不能超过0.7%。然而CO+ CO过低放热太少，除去了热损失之 后，温升很少，甚至不能维持反应温度。双甲工艺的原则是在维持双甲系统热平衡前提下， 尽量降低醇后气中CO CO2勺百分比含量，以保持反应正常进行。这里有两种方法：第一，禾U 用甲醇反应热。例如：CO0.25%, CO为0.05%时，用醇后气（约150 C ）予热进甲烷化的气体，就可经保证甲烷化反应温度，使反应正常进行。第二，借助氨合成的热量。予热进甲烷化的 气体至反应温度， 则醇后气中COF CO2可以降到0.1%。此时将甲烷化和氨合成在等压下进行。 这两种方法我们在设计中都已采用。四和

17、深度低变一一甲烷化的比较合成氨原料气的净化精制方法中，有一种比铜洗先进，使用也有很长历史的深度低变一 甲烷化法。其主要特点是要求低变气中 CO0.3%,进甲烷化CO和CO为0.7%。按此指标大多 数流程和操作存在一些问题。变换气中CO笔到0.3%，按变换反应平衡理论，要求大量的过量蒸汽进入变换炉，即汽气 比很大。如果以天然气、油为原料的转化法制取原料气，或以煤为原料的德士古水煤浆加压COS中变直接串气化法制取水煤气，由这些方法制取的原料气含有大量的饱和蒸汽，其中的 低变，即可降到 0.3%以下。如图四是鲁南第二化肥厂德士古水煤浆加压气化制取的煤气净化 精制方法，方法虽然简单，但德士古法基建投资

18、很大，国内许多化肥厂还没有采用。泝II 3.9MPa I i i i iiI德士古造气中变一低变INHD兑硫|11 汽 / 气 1.4/1111111IIIi 30MPa IiIiIiII氨合成卜甲烷化NHD兑碳I 干法脱硫I1I1 f1I1氮气图四 德士古加压气化、深度低变甲烷化流程如果以煤为原料，采用空气蒸汽间歇法制半水煤气，因进入变换系统的半水煤气水蒸汽含量很少，要将半水煤气中的 CC降至0.3%以下。为了使反应有利于平衡变换，必须反应到一定程度后，将生成的二氧化碳脱除，就要求两次变换，两次脱碳，反覆升温、降温。如 图五为鲁南第一化肥厂的中低变甲烷化流程方框图。2.1MPa半水煤气攱攳T

19、脱硫一-> 升温 中 变卜一 降温IIIIIO水冷In厂nInII 降温 一H低变卜升温一精脱硫卜-T 一次脱碳1IIiIiIiO水冷IInIn1T二次脱碳 升温 T甲烷化> 氨合成图五 两次脱碳深度低变一一甲烷化流程由图看出流程太复杂，设备台数很多，且反应热利用率太低（两次变换之后，都要用水 降温）。为了简化流程，山东某小氮肥厂采用了中、中耐硫低变一一甲烷化流程。如图六。沂IIIII低变炉II中变炉1I1IiI 一段 I IOI1I1 IJIII半水煤气11f 一热交J二热交 IT饱和热水塔OtOt1111JJIIO水冷I1L-nJII中变炉I111II二段脱碳系统II11111

20、1IO活性炭II1I1IIJ三热交I1IILJT1J 甲烷化热交甲烷化气，'|fIII1 I1 I'甲烷化卜一氧化锌卜一'图六 中变、耐硫深度低变一一甲烷化流程0.81.2MPa半水煤气经过饱和热水塔，第一热交，被中变二段来的热气加热，进入第二热交，被中变一段来的热气继续加热，进入中变一段反应，一段反应热气经第二热交冷却进 入中变二段反应，反应热气经第三热交和第一热气进入热水塔降温，水冷、脱碳、二次脱硫、 精脱硫，进入甲烷化热交，被甲烷化热交加热，再进入第三热交，被中变一段气加热至250280C，进入甲烷化炉反应，反应后甲烷化热气经甲烷化热交冷却，再水冷、分离、加压送至

21、 氨合成系统。此法中变后不经脱碳就进入低变，流程并不复杂，但采用该法物耗（原料气和蒸汽耗） 很高。表二是不经脱碳即深度低变一一甲烷化的物料平衡表，表三是中低变一一双甲工艺物 料平衡表，利用这两个表来分析说明消耗高的具体情况。1. 双甲工艺吨氨耗精炼气比深度低变甲烷化耗精炼气少，前者2901.91N； .'ii-r 'S3000.29N札着98.38N 呢川工和.曲卩忒靖炼'：93.38/2901.91=3.2%。表二 深度低变甲烷化物料表（吨氨）1组1分1H21| N21| CO1| CO21| CH41| Ar1合计1r r1变|r%r52.001| 16.841|

22、0.3r| 30.34r| 0.23| 0.3811001换卜rr11-1T1气|1 1N12278.641| 739.421| 13.171| 1332.121| 10.111| 16.85143901r r1原|r%r74.361| 24.131| 0.55r| 0.2r| 0.33| 0.4311001料卜rr11-1T| 气 |N I 2278.64| 739.42 | 13.17| 6.13| 10.11| 16.85| 3064.32| 甲 |%| 73.81| 24.64|-|-| 0.98| 0.57|100I 烷1111111129.41| 16.85| 3000.29| 气

23、 | N | 2214.61| 739.42 |-表二中低变双甲工艺物料表（吨氨）拲一1组1 十分11I H211 1I N211I CO11I CO211I CH411I Ar11I合计1r丨半水11r%irI 40.021 1rI 21.0611I 30.241rI 7.921rI 0.591I 0.1611I 10011丨煤气1rNrirI 1407.821rI 741.0011I 1063.791rI 278.781rI 20.881rI 5.50511I 3517.851r丨变r%rI 53.12rI 16.481I 1.84rI 28rI 0.46I 0.121I 100丨换1ir

24、rr111气NrI 2388.741I 741.001I 82.941I 1259.641I 20.881I 5.5051I 4496.471r丨原r%rI 73.55rI 22.951I 2.57rI 0.16rI 0.59I 0.171I 100丨料1irrr111气NrI 2317.431I 723.181I 81.031I 51.681I 18.641I 5.5051I 3150.941r丨甲醇1r%rI 74.08rI 24.761I 0.20rI 0.10rI 0.66I 0.191I 100III1111111| 化气 |N I 2162.78| 722.82 | 5.84| 2

25、9.19| 19.27| 5.506| 2919.43| 甲烷 |%| 73.83| 25.01|-|-| 0.97| 0.19|100|III1111111| 化气 |N| 2133.59| 722.82|-|-| 28.03| 5.505| 2889.94|双甲工艺利用原料气中的一氧化碳和二氧化碳副产10%甲醇（醇氨比1:10），即吨氨副产醇100公斤，深度低变一一甲烷没有副产品。3.深度低变一一甲烷化工艺要求变换气中一氧化碳小于或等于0.3%,如果中变气不经脱碳，即进入深度低变，查变换反应平衡数据，只有汽 /气R=0.6，温度t=180 C下，出口气中一氧化 碳才小于或等于0.3%。按此

26、计算，吨氨需入炉蒸汽 1632.10公斤。如采用中低变一一双甲新工艺，低变出口气中一氧化碳为1.84%,温度210C （考虑平衡温距20C ）汽/气R=0.35，则吨氨需要入炉蒸汽 989.29公斤。如果两者都设有饱和热水塔回收蒸汽，回收效率一样，则双甲工艺比深度低变一一甲烷化变换时吨氨少耗蒸汽 1632.10-989.29=642.81 公斤。综上所述，中低变一一双甲工艺和深度低变一一甲烷化比较，双甲工艺适应能力更强，使用范围更广泛，吨氨耗精炼气少3.2%，变换蒸汽少耗64.97%，且还能副产甲醇10%。五、和铜洗工艺的比较双甲新工艺和铜洗法比较，有四个明显优点，节能、节物、运行稳定、净化环

27、境。1. 节约蒸汽1.1采用双甲新工艺，变换气中 CO提高，变换需要补充蒸汽减少。如醇：氨=1:3时，变换气中CO4.9%,而一般工艺，变换气中 CO2.42.5%,则变换过程中，吨氨补加蒸汽最少可减少 300Kg/tNH3 。1.2 双甲新工艺废除铜洗,节约铜液再生供热 （蒸汽） ,生产实际数据约 300Kg/tNH3。2. 节约原料气2.1 铜洗流程,铜液在每次循环时铜洗成份都在变化,都要调节,波动较大,精制气体微量 经常超标,铜洗气带液、冒液。在小氮肥厂中因此影响总产量2%,折成含氢 74%原料气约62NM3/tNH3,废除了铜洗，此项即为节约量。22铜洗流程中，铜液中吸收了 CO并溶解

28、了 H2等有效气体，再生时，成为再生气。再生气因为回收不完全，损失 25NM3/tNH3,废除铜洗，此项即为节约量。2.3铜洗流程中，要不断补充液氨，除了回收为氨水外，生产一吨氨约有81OKg氨消耗，折成原料气为 29NM3/tNH3。2.4双甲工艺中，醇后气中尚有 C3 CO20.3%这些CO和CO生成甲烷，需要消耗氢气；生成 的甲烷在氨合成中要增加放空量，两者多耗含氢74%原料气 66.75NM3/tNH3。以上四项的代数和为49.25NM3,即双甲工艺节约原料气（折氢为74%）49.25NM3/tNH3。3. 节约电耗3.1 废除铜洗，节约铜泵耗电 20KWh/tNH3；3.2 废弃铜洗

29、，节约氨冷铜液冷冻电耗 10.97KWh/tNH3 ；3.3 废弃铜洗，节约铜洗再生气回收压缩机电耗17.3KWh/tNH3；3.4双甲工艺中的甲醇化采用双级双压法，其中第一级压力为5.07.0MPa,使压缩机最后两级气量减少，估算节电 60.98KWh/tNH3。以上共计节电 109.25KWh/tNH3。4. 节约铜、醋酸、液氨。吨氨节电解铜 0.1819 公斤，节冰醋酸 0.2423 公斤，减少自用氨 8.2 公斤。5. 铜洗的微量一般都在 20PPM以上，且经常带液喷液，生产运行不稳定。双甲工艺很稳定， 微量 5 10PPM。6. 铜洗过程中，跑、冒的铜液污染大气、河水及生产现场，双甲

30、工艺没有液体、气体的渗 漏，环境良好。铜洗流程一双甲工艺吨氨运行费用比较 （ 表四 ）I项 目丨单位丨铜洗流程消耗减丨单价丨 金 额I双甲工艺耗| （元）| （元/tNH3）Iri1电解铜1Kg|r-0.1819r| 24 |n4.36561冰醋酸Kg|0.2423| 6.5 |1.57501液氨Kg|8.2000| 0.95 |7.76001小计1 1Kg|18.6242|13.7000r11高压机耗电1KWh |r r60.98rr| 0.23 |n n14.0301铜泵、铜液冷冰耗电丨KWh |30.90| 0.23 |7.1071再生气回收耗电KWh |17.30| 0.23 |3.9801小计1 1KWh |1109.18| 0.23 |25.117r11变换气耗蒸汽1Kg|r r300rr| 0.5 |n n15.001铜液再生耗蒸汽Kg|300| 0.5 |15.001小计1 1Kg|