【文章內(nèi)容簡介】 20％，而天然氣卻只占 ％，遠(yuǎn)低于 ％的世界平均水平。加大天然氣在能源消費結(jié)構(gòu)中的比重，既有利于促進(jìn)節(jié)能減排，又能夠維持經(jīng)濟與社會可持續(xù)發(fā)展。 第三，以天然氣為原料合成氨工藝比重油和煤為原料的工藝成本低，而且能耗低。根 14 據(jù)計算，若大型氨廠分別用石腦油、渣油、天然氣和煤為原料制氨，其價格分別按 1800元 /t、 1400 元 /t、 元 /m3 和 260 元 /t 計，中壓蒸汽價格按 78 元 /t 計，對應(yīng)的合 成氨成本分別為 1721 元 /t、 1557 元 /t、 1493 元 /t 和 1021 元／ t?？梢?，在這 4 種原料中，以煤為原料制氨成本最低 ,然而，以煤為原料合成氨能耗遠(yuǎn)大于天然氣（見表 11）。天然氣工藝技術(shù)目前最可靠，天然氣合成氨工藝成熟、生產(chǎn)可靠、連續(xù)。煤頭技術(shù)中，固定層氣化流程，雖然工藝成熟，但氣化消耗高，環(huán)保污染嚴(yán)重、難以達(dá)標(biāo)、廠區(qū)環(huán)境惡劣；水煤漿氣化技術(shù)對煤種要求特別高，包括煤的活性，灰份含量、灰熔點、固定碳含量。 2． 工藝流程的選擇 本設(shè)計主要是轉(zhuǎn)化和變換工序的工藝設(shè)計，所選流程為： 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化和變換工序是合成氨生產(chǎn)中的第一步，也是較為關(guān)鍵的一步，因為能否正常生產(chǎn)出合格的變換氣，是后面的所有工序正常運轉(zhuǎn)的前提條件。在本設(shè)計中，甲烷和其他烴類轉(zhuǎn)化為 CO 和 H2 的轉(zhuǎn)化工序采用的是兩段爐催化轉(zhuǎn)化，經(jīng)過二段轉(zhuǎn)化后，甲烷含量約為 %左右。 CO 變換工序采用了高變串低變的工藝流程路線，經(jīng)過低溫變換后的氣體中 CO 含量為 %左右。 3． 工藝參數(shù)的確定 以天然氣為原料合成氨生產(chǎn)裝置轉(zhuǎn)化變換工序設(shè)計，其主要參數(shù)是一、二段轉(zhuǎn)化工藝和 CO 高 低變串聯(lián)流程的溫度和壓力。天然氣 經(jīng)加氫脫硫，出口總硫量小于 ，在壓力 、溫度 380℃ 左右的條件下配入中壓蒸汽達(dá)到水碳比為 （ R=），進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐的對流段加熱，氣體一邊加熱一邊反應(yīng)，出反應(yīng)管的溫度在 822℃ 左右，最后沿集氣管中間的上升管上升，繼續(xù)吸收一些熱量，使溫度升到 850℃ 左右，經(jīng)輸氣總管送往二段轉(zhuǎn)化爐。 工藝空氣經(jīng)壓縮機壓到 ～ MPa，也配入少量水蒸氣，然后進(jìn)入對流段的工藝空氣加熱盤預(yù)熱到 480℃ 左右，進(jìn)入二段爐頂部與一段轉(zhuǎn)化氣匯合，在頂部燃燒區(qū)燃燒、放熱，溫度升到 1200℃ 左右，在通過 催化劑床層時繼續(xù)反應(yīng)并吸收熱量，離開二段轉(zhuǎn)化爐的溫度約為 1000℃ 左右，壓力為 MPa，所得混合氣殘余甲烷含量約為 ％。 經(jīng)二段轉(zhuǎn)化后的合成氣送入第一換熱器（ 101C），接著又送入第二換熱器（ 102C），脫 硫 壓 縮 壓 縮 一段轉(zhuǎn)化 二段轉(zhuǎn)化 高溫變換 低溫變換 天然氣 空氣 水蒸氣 變換氣去甲烷化 15 使合成氣溫度由 1003℃ 降到 360℃ 左右，利用這些能量制取高壓蒸汽。從第二換熱器出來的氣體繼續(xù)送往變換工序處理。 含 CO 的原料合成氣經(jīng)換熱器降溫，在壓力 MPa、溫度 371℃ 下進(jìn)入高變爐（因原料氣中水蒸氣含量較高，一般不需要加蒸汽）。經(jīng)高變處理后，氣體中 CO 降到 ％左右，溫度為 425～ 440℃ 。氣體通過高變廢熱鍋爐，冷卻到 336℃ 左右，鍋爐產(chǎn)生 的飽和蒸汽。由于此時氣體溫度還不能進(jìn)行低溫變換，于是將變換氣用來加熱其它工藝氣體，而變換氣被冷卻到 241℃ 后進(jìn)入低變爐。經(jīng)低變處理后，氣體殘余 CO 降到 ％～ ％之間，再送入后續(xù)工段繼續(xù)凈化。 4． 工廠的選址 本設(shè)計合成氨廠選址為位于寧夏回族自治區(qū)靈武市境內(nèi)的寧東能源重化工基地。該化工基地有著得天獨厚的優(yōu)勢： （ 1）天然氣資源優(yōu)勢 該基地臨近陜甘寧天然氣田，此氣田是我國迄今探明的世界級特大型整裝氣田，探明控制儲量達(dá) 7000 多億 立方米，一期輸氣管線已建成，二期管線正在規(guī)劃建設(shè)中。 （ 2）水資源優(yōu)勢 基地位于黃河?xùn)|畔，中心區(qū)距黃河僅 35 公里左右， 20xx 年底開工建設(shè)的寧東供水工程，預(yù)計 20xx 年 5 月建成通水，總供水量為 15970 萬立方米，能為基地提供充足的水源保障。 （ 3）交通優(yōu)勢 三通八達(dá)的道路交通是基地的一大突出優(yōu)勢，銀川 青島高速公路及 307 國道橫貫基地；大古鐵路連接包蘭、寶中鐵路與京包、隴海線連通可輻射全國，即將開工建設(shè)的銀川太原鐵路又形成一條橫穿基地的外運大通道；銀川河?xùn)|機場距基地中心區(qū)僅 30 公里，每日航班達(dá) 50 余次，通 往北京、上海、廣州、西安、太原、濟南、青島、蘭州等重要城市。 （ 4）土地資源優(yōu)勢 基地處于荒山丘陵地帶，地形平緩，地勢開闊，有成片的發(fā)展用地，為工業(yè)建設(shè)提供了廣闊的土地資源。 （ 5）區(qū)位優(yōu)勢 16 基地位于陜、甘、寧、蒙毗鄰地區(qū)，西與自治區(qū)首府銀川市隔黃河相望，東與開發(fā)中的陜北能源重化工基地毗鄰，易形成產(chǎn)業(yè)互補，資源共享，其生產(chǎn)、生活條件俱佳。 （ 6）電力優(yōu)勢 寧夏目前無拉閘限電之虞， 20xx 年寧夏電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機容量達(dá)到 366 萬千瓦，而且基地規(guī)劃建設(shè)的八大電廠將形成千萬千瓦級的火電基地，這些都將為基地提供充足 的電力供應(yīng)。 （ 7）政策優(yōu)勢 隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，國家實施重點支持西部大開發(fā)的政策措施，以及自治區(qū)、銀川市全面改善投資環(huán)境的重大舉措，為基地建設(shè)提供了強有力的政策支持。 二、設(shè)計工藝計算 （一） 轉(zhuǎn)化段物料衡算 原料氣（入加氫轉(zhuǎn)化器天然氣）組成如下表： 組 分 mol（干）％ kmol/h kg/h CH4 89． 00 C2H6 5． 00 1680． 00 C3H8 C4H10 C5H12 N2 ∑干 1120． 00 循環(huán)氫氣組成如下表： 組 分 kmol/h kg/h N2 545 H2 117 Ar 9 CH4 13 合 計 78． 80 684 17 出加氫器氣體組成如下表： 組 分 mol（干）％ kmol/h CH4 C2H6 56 C3H8 C4H10 C5H12 N2 H2 Ar 合 計 1．一段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 計算數(shù)據(jù)依據(jù)： 水碳比 R= 一段爐出口甲烷含量設(shè)計為 10％ 一段轉(zhuǎn)化爐出口溫度： 822℃ 一段轉(zhuǎn)化爐出口壓力： （表壓） A. 物料衡算： 總碳流量： ∑C=+562+3+4+5 =水 碳比： R= 故加入水蒸汽量： nH2O= =設(shè)一段轉(zhuǎn)化爐出口 CO、 CO H2 的含量分別為 nCO、 nCO2 和 nH2，干轉(zhuǎn)化氣總量為 V kmol/h,轉(zhuǎn)化消耗水蒸汽量為 n′H2O kmol/h。 列元素平衡式 C 平衡 =nCO + nCO2 + （ 1） 18 H2 平衡 +2+563+4+5+6+= nH2 +2+(′H2O ) 化簡為 = nH2+ n′H2O （ 2） O2 平衡 21 =21 (′H2O )+21 nCO +nCO2 化簡為 2nCO2+nCO n′H2O =0 （ 3） 出口總干氣量： V=nCO2+nCO+nH2+nN2+nAr+nCH4 =nCO2+nCO+nH2 +++ 化簡為 V=nCO2+nCO+nH2 ++ （ 4） 一段轉(zhuǎn)化爐進(jìn)行的主要反應(yīng)為： CH4+H2O(g) CO+3H2 CO+H2O(g) CO2+H2 查 [2]知，在 t=822℃ 時， kpco= （ 4） （ 1）得 nH2= （ 6） （ 6） （ 2）得 n′H2O= （ 7） 故化簡 nH2O=（ ）得 nH2O= （ 8） （ 3） （ 1）得 nCO2= n′H2O+ 將（ 7）代入上式，可化簡為 nCO2= （ 9） 由（ 1） 2 （ 3）可得 nCO=′H2O （ 10） 將（ 7）代入（ 10）得 nCO=+3866 化簡為 nCO= （ 11） 出口轉(zhuǎn)化氣中水蒸氣量 nH2O= n′H2O=+ 可化簡為 nH2O= （ 12） 將 （ 6）（ 8）（ 9）（ 10）帶入 （ 5）得 19 ? ?? ?? ?? ?VV VV 5 3 5 3 3 3 5 1 9 ?? ?? = 解之得 V= kmol/h nH2= kmol/h nCO= kmol/h nCO2= kmol/h nCH4= kmol/h nH2O= kmol/h 故一段轉(zhuǎn)化爐出口總濕氣量為： ∑n 濕氣 = V1 + nH2O =+= kmol/h 出一段轉(zhuǎn)化爐的物料組成如下表： 組 分 kmol/h mol（干）％ kg/h CO CO2 H2 CH4 N2 Ar 干氣 H2O 合計 B. 一段 轉(zhuǎn)化爐平衡溫距的計算 根據(jù) [7],設(shè)計壓力為 740mmHg 柱 一段爐出口壓力為 （表壓） P=+／ = kpCH4=OHCHHco PP PP2423.. =22423.. ?????????nPnn nn OHCH HCO = 2319 63 88 1120 49 9634 ????????? = 查 [2]，對應(yīng)的平衡溫度 t=℃ 平衡溫距 △ t==℃ 20 C. 一段轉(zhuǎn)化爐理論氫空速的計算 以 1atm、 60℉ （ ℃ ）為計算基準(zhǔn) 設(shè)計轉(zhuǎn)化爐內(nèi)觸媒裝填量 V′為 SVH2= 7 3 8 84 42 ????? V nnn CHCOH 代值有 SVH2 = 7 3 8 2 0 3 3 543 4 7 4 04 9 7 9 9 6 ????? = 該流程設(shè)計理論氫空速參考值為 7800 h1 。 2．二段轉(zhuǎn)化爐的物料衡算 設(shè)計數(shù)據(jù)依據(jù)： 空氣組成： N2： 78%； O2： 21%； Ar： 1%； 補加蒸汽量為加入空氣量的 10%； 出口甲烷含量： %； 出口壓力： ； 出口溫度： 1003℃ 。 A. 列元素平衡關(guān)系 式（各未知數(shù)表示與一段轉(zhuǎn)化爐相同）得： C 平衡 ++=nCO+nCO2 + 化簡為 =nCO+nCO2 + （ 1） H2 平衡 +2+（ +） =nH2+2+（ +′H2O） 化簡為 =nH2+ n′H2O （ 2） O2 平衡 21 ++21 （ +）+=nCO2+21 nCO+21 (+′H2O) 化簡為 =nCO+′H2O （ 3） 進(jìn)出二段爐總物料守衡 V=nCO+nCO2+nH2+nN2+nAr+nCH4 代值化簡為 =nCO+nCO2+nH2++ （ 4） 21 設(shè)出口條件下 CO 變換反應(yīng)達(dá)到平衡則在 1003℃ 下 ?COkPOHcoHcoOHH nn nnPP co PP co222222 ????? ? （ 5） 設(shè)出口 22 NCOH ? （摩爾比）為 即 22 ??NHcon nn （ 6）（ 1） （ 4）得 V=++nH2 （ 7） 由（ 7）式得 nco+nH2= 則