年产12万吨合成氨转化净化工段工艺设计(化工专业毕业论文)(4)

第一章 文献综述

合成氨，除原料为天然气、石油、煤炭等一次能源外。整个生产过程还需消耗较多的蒸汽、电力等二次能源，而用量又很大。现在合成氨能耗占世界能源消费总量的3%，中国合成氨生产能耗约占全国能耗的4%。由于吨氨生产成本中能源费用占70%以上，因此能耗是衡量合成氨技术和经济效益的重要标志。

目前以天然气为原料的日产1000t合成氨装置吨氨能耗已从20世纪70年代的40.19GJ下降到39.31GJ左右，而且以天然气为原料的大型氨厂的所需动力约有85%可由余热供给[3]。

⑷ 生产自动化

合成氨生产特点之一是工序多、连续性强。20世纪60年代以前的过程控制多采取分散方式，在独立的几个车间控制室中进行。自从出现单系列装置的大型氨厂，除泵类有备用外，其它设备和机器都是一台。因此，某一环节的失调就会影响生产，为了保证长周期的安全生产，对过程控制提出更高的要求，从而发展到把全流程的温度、流量、料位、压力和成分五大参数的模拟仪表、报警、连锁系统全部集中在中央控制室显示和监视控制。

自从20世纪70年代计算机技术应用到合成氨生产以后，操作控制上产生了飞跃。1975年美国霍尼威尔公司开发成功TCP-2000总体分散控制系统（TotolDistributed Control System），简称为集散控制系统（DCS）。

1.2.2 国外合成氨技术概况

目前合成氨生产技术已发展到相当高的水平，生产操作高度自动化，生产工艺日趋成熟，装置的不断大型化，能源利用越加合理。

M.W凯洛格公司：20世纪70年代以后，凯洛格公司开始研究并推出了凯洛格节能流程。其具体特点如下：

在对流段出口与引风机入口之间，增加一台再生式空气预热器，回收一段炉排烟的热量，加热燃烧空气。这样，排烟温度由原260℃降至130℃，提高了转化炉的热效率。与之配套进行的是：炉顶烧嘴及辅锅烧嘴由原自吸式改成强制鼓风式，节省了大量燃料，炉顶烧嘴由原200个，减少至为160个。

一段炉增设蒸汽过热烧嘴：在对流段过热蒸汽盘管高温段上方，增加20个过热

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第一章 文献综述

烧嘴（强制鼓风式），使过热蒸汽温度，由原440℃提至460℃，使过热蒸汽作功能力增大。

脱除CO2采用的是改良的本菲尔溶液进行吸收，再生采用多级闪蒸，闪蒸出的蒸汽经喷射泵加压后去再生塔，用作再生蒸汽。又增设一低压冷凝液锅炉和锅炉给水换热器，进一步回收低变气的余热。为保证合成塔出口气与锅炉给水的换热面积，维持原有工况，又增设一台换热器与原有换热器串联。

合成气压缩机入口增设氨冷器，同时又增设一台低压锅炉给水预热器。增设普利森氢回收装置，用来回收驰放气中的H2。

氨合成塔内件改造：仅改变催化剂筐结构，使气流由原轴向流改为轴径向流。 由于凯洛格流程具有低能耗、流程简单的特点而被广泛利用。

英国ICI公司：LCA合成氨工艺于1988年在英国建成两套日产450吨的合成氨装置，经一年试运转，证明是成功的。LCA工艺的主要特点是简化了工艺流程以及改进了催化剂的化学反应工程。它利用二段转化后的反应热作为一段炉的热源，转化管仅受很小的压力差，省去庞大和昂贵的一段转化炉，节省燃料天然气，采用新型的转化和变换催化剂，降低原料气中的水碳比，进而节省了工艺蒸汽；采用变压吸附净化工艺，省去复杂的溶剂脱CO2装置；采用压力为80.1bar的低压氨合成系统，节省压缩机功耗，减少压缩机段数，使离心压缩机可在中型氨厂采用。该工艺取消了复杂的高压蒸汽系统，改用压力为60.0bar的中压蒸汽，降低锅炉给水的要求。这些改进使LCA工艺可在简单和温和的条件下操作。

Brown公司：布朗工艺，降低一段炉负荷，一段炉出口温度由Kellogg的950℃降低到696℃，一段炉出口甲烷含量为30.1%，热量的减少使一段炉负荷降低，操作更稳定；为满足合成氨生产热量需求，加重二段炉负荷，空气加入量50%左右，后端采用冷箱脱除过量的氮气，使能量利用更合理。

瑞士卡萨利公司：对氨合成塔进行改造，其特点是合成塔内件中采用轴径向结合的气体流向和专门的气体分布器。这样既降低合成塔的阻力降，又能防止气体短路或分布不均，可在塔内采用1.5~3.1mm的颗粒催化剂，可提高氨净值增加生产能力。

以天然气为原料合成氨厂的净化工序大多采用Benfiled热钾碱脱碳，采用蒸汽喷射器可以节省部分能量。

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第一章 文献综述

1.2.3 中国合成氨技术的发展

中国合成氨生产是从20世纪30年代开始的，但当时仅在南京、大连两地建有氨厂，一个是由著名爱国实业家范旭东先生创办的南京永利化学工业公司铔厂—— 永利宁厂，现南京化学工业公司的前身；另一个则是日本占领东北后在大连开办的满洲化学工业株式会社，最高年产量不超过50Kt（1941年）。此外在上海还有一个电解水制氢生产硝酸、合成氨的小型车间。

中华人民共和国成立以来，化工部门贯彻为农业服务的方针，把发展化肥生产放在首位。经过50多年的努力，中国已拥有多种原料、不同流程的大、分布广，中、小型合成氨厂1000多个，1999年总产量为34.5Mt氨，已跃居世界第1位，已掌握了以褐煤、焦炉气、焦炭、无烟煤、天然气及油田气和液态烃等气固液多种原料生产合成氨的技术，形成中国大陆特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的合成氨生产格局。

中国合成氨工业的发展经历了以下几个阶段： ① 恢复老厂和新建中型氨厂

20世纪50年代初，在恢复和扩建老厂的同时，从原苏联引进以煤为原料、年产50kt的三套合成氨装置，并创建了兰州、吉化、太原三大化工基地，后又自行设计、制造了7.5万吨合成氨系统，以川化的创建为标志。到60年代中期中氮已投产了15家。20世纪60年代随着天然气、石油资源的开采，又从英国引进一套以天然气为原料的加压蒸汽转化法年产100kt合成氨装置(即泸天化)；从意大利引进一套以重油为原料的部分氧化法年产50kt合成氨装置，从而形成了煤油气原料并举的中型氨厂生产系统。迄今为止，国内已建成50多座中型氨厂。

② 小型氨厂的发展

从20世纪60年代开始在全国各地建设了一大批小型氨厂，1979年最多时曾发展到1539座氨厂。

③ 大型氨厂的崛起

20世纪70年代是世界合成氨工业大发展时期。由于大型合成氨装置的优越性，

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第一章 文献综述

1972年2月中国作出了成套引进化学肥料技术和设备的决定。1973年开始，首批引进13套年产300kt合成氨的成套装置(其中10套为天然气为原料，建在云南、贵州、川化等地)。为了扩大原料范围，1978年又开始第二批引进4套年产300kt合成氨装置。

中国是世界上人口最多的农业大国，为了在2000年氮肥产量达到基本自给自足，最近十年先后陆续引进14套具有20世纪90年代先进水平的年产300kt合成氨成套设备，同时从20世纪70年代起，我国开始了大型合成氨成套装置的自行设计、自行制造工作。第一套年产30万吨的合成氨装置于80年在上海建成投产。特别是90年代初在川化建成投产的年产20万吨合成氨生产装置达到了当时的国际先进水平。从而掌握了世界上几乎所有先进的工艺和先进技术，如低能耗的凯洛格工艺、布朗工艺等。通过对引进技术的消化吸收和改造创新，不但使合成氨的技术水平跟上了世界前进的步伐，而且促进了国内中小型氨厂的技术发展。

至今，在32套引进装置中，原料为天然气、油田气的17套，渣油7套，石脑油5套，煤2套和尤里卡沥青1套，加上上海吴泾，成都的两套国产化装置，合成氨总能力为10.22Mt。中国潜在的天然气资源十分丰富，除新勘探的新疆塔里木盆地有大量的天然气可以通过长距离的管线东输外，对海南莺歌海域蕴藏的天然气已决定在新世纪初新建一套引进的年产450kt合成氨装置，这也将是中国规模最大的一套合成氨装置。

1.2.4 合成氨技术未来发展趋势

根据合成氨技术发展的情况分析,估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变, 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性” 的基本目标, 进一步集中在“大型化、结构调整、清洁生产、低能耗、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。

1.大型化、集成化、自动化, 形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。单系列合成氨装置生产能力2000t/d提高至4000到5000t/d;以天然气为原料制氨吨氨能耗已经接近了理论水平, 今后难以有较大幅度的降低, 但以油、煤为原料制氨, 降低能耗还可以有所作为。

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第一章 文献综述

在合成氨装置大型化的技术开发过程中,其焦点主要集中在关键性的工序和设备, 即合成气制备、合成气净化、氨合成技术、合成气压缩机。在低能耗合成氨装置的技术开发过程中, 其主要工艺技术将会进一步发展。

2.以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整,是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。全球原油供应处于递减模式,正处于总递减曲线的中点,预计到2015年原油将出现自然短缺,需用其他能源补充。

3.实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和唯一的选择。生产过程中不生成或少生成副产物、废物、废渣，实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和完善。

4.提高生产运转的可靠性，延长运行周期是未来装置“改善经济性、增强竞争”的必要保证。有利于“提高装置生产运转效率，延长运转周期”的工艺技术，包括工艺优化技术、先进控制技术将越来越受到重视。

1.3 成氨的工艺流程

1.3.1 合成氨的典型工艺流程介绍

合成氨的生产过程包括三个主要步骤：原料气的制备，净化、压缩及合成。 ⑴ 原料气制备

以煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气为主。对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；对于气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法来制取合成气。

⑵ 净化

对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

① 一氧化碳变换过程

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