【正文】 氨技術(shù)發(fā)展的情況分析 , 未來合成氨的基本生產(chǎn)原理將不會出現(xiàn)原則性的改變 , 其技術(shù)發(fā)展將會繼續(xù)緊密圍繞“降低生產(chǎn)成本、提高運行周期 , 改善經(jīng)濟性”的基本目標 , 進一步集中在“大型化、低能耗、結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)、長周期運行”等方面進行技術(shù)的研究開發(fā) [1]。以 Uhde公司的“雙壓法氨合成工藝”和 Kellogg 公司的“基于釕基催化劑 KAAP 工藝” ,將會在氨合成工藝的大型化方面發(fā)揮重要的作用。 開發(fā)低壓、高活性合成催化劑 , 實現(xiàn)“等壓合成”。 實施與環(huán)境友好的清潔生產(chǎn)是未來合成氨裝置的必然和惟一的選擇。 武漢工程大學本科畢業(yè)設計 2 提高生產(chǎn)運轉(zhuǎn)的可靠性 ,延長運行周期是未來合成氨裝置“改善經(jīng)濟性、增強競爭力”的必要保證。 中國合成氨工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展概況 中國合成氨工業(yè)經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，產(chǎn)量已躍居世界第 1 位，已掌握了以焦炭、無煙煤、褐煤、焦爐氣、天然氣及油田伴生氣和液態(tài)烴等氣固液多種原料生產(chǎn)合成氨的技術(shù)，形成中國大陸特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的合成氨生產(chǎn)格局。目前 ，全國有合成氨生產(chǎn)企業(yè) 570 多家，其中 20xx 年產(chǎn)量達 30 104t 以上的有30 家，超過 50 104 t 的已有 4 家。 t／ a，實際生產(chǎn)能力為 1． 0 107 t／ a；約占中國合成氨總生產(chǎn)能力的22％。 中國合成氨年實際生產(chǎn)能力 20xx 年已達 4596 104t，但合成氨一直是化工產(chǎn)業(yè)的耗能大戶。 根據(jù)《合成氨能量優(yōu)化節(jié)能工程實施方案》規(guī)劃，這一重點節(jié)能工程的目標是：大型合成氨裝置采用先進節(jié)能工藝、新型催化劑和高效節(jié)能設備，提高轉(zhuǎn)化效率，加強余熱回收利用；以天然氣為原料的合成氨推廣一段爐煙氣余熱回收技術(shù)，并改造蒸汽系統(tǒng)；以石油為原料的合成氨加快以潔凈煤或天然氣替代原料油改造；中小型合成氨采用節(jié)能設備和變壓吸附回收技術(shù)，降低能源消耗。到 20xx 年，合成氨行業(yè)節(jié)能目標是：單位能耗由目前的 1 700kg 標煤／ t 下降到 1 570kg 標煤／ t；能源利用效率由目前的 42． 0％提高到 45． 5％；實現(xiàn)節(jié)能 (570585)武漢工程大學本科畢業(yè)設計 3 104t 標煤，減少排放二氧化碳 (13771413) 104t。但由于裝置原料路線、資源供應、運輸、資金與技術(shù)成熟度等諸多方面原因，合成氨節(jié)能技術(shù)改造的效果始終未能達到預期目標 。 市場供需情況分析及預測 中國作為農(nóng)業(yè)大國，也是化肥生產(chǎn)大國，合成氨生產(chǎn)大國。國內(nèi)氮肥消費量經(jīng)過了近 20 年的高速增長，目前已進入平穩(wěn)發(fā)展階段，根據(jù)國家“十五”化肥發(fā)展規(guī)劃，預計 20xx～ 20xx 年中國化肥需求增長率約為 1． 5 %，化肥用氨稍 有增長，而工業(yè)用氨變化不大。 氨的用途及貯運 氨主要用于制造氮肥和復合肥料，氨作為工業(yè)原料和氨化飼料，用量約占世界產(chǎn)量的 12％。液氨常用作制冷劑。此外，為保證制造廠內(nèi)合成氨和氨加工車間之間的供需平衡，防止因短期事故而停產(chǎn)，需設置液氨庫。液氨的運輸方式有海運、駁船運、管道運、槽車運、卡車運。 天然氣制氨。以石腦油為原料的合成氨生武漢工程大學本科畢業(yè)設計 4 產(chǎn)流程與此流程相似。重質(zhì)油包括各種深度加工 所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料氣，生產(chǎn)過程比天然氣蒸氣轉(zhuǎn)化法簡單，但需要有空氣分離裝置。 煤（焦炭）制氨。 工業(yè)生產(chǎn)合成氨方法 反應方程式 2 2 313N + H N H22 ?????? N2來源于空氣（空氣分離、空氣將氧氣耗掉所剩 N2） H2由煤、渣油、輕油、天然氣與蒸汽反應制得 造氣 造氣一般是以煤為原料，采用間歇式固定層常壓氣化法，在高溫和程控機油傳動控制下，交替與空氣和過熱蒸汽反應，反應方程式如下 吹風 C + 2O ? 2CO +Q 2CO +C? 2COQ 上，下吹 C+ 2HO(g) ? CO+ 2H Q A 吹風階段 空氣→鼓風機→造氣爐→旋風除塵器→吹風氣崗位 ↓ 過熱器→廢鍋→煙囪→放空 吹風階段的主要作用是產(chǎn) 生熱量，提高燃料溫度 B，上吹 (加氮 )階段 過熱蒸汽 ? 造氣 ? 旋風除塵器 ? 過熱器 ? 廢鍋 ? 洗氣塔 ? 氣柜空氣 ?武漢工程大學本科畢業(yè)設計 5 鼓風機 ? 造氣爐 上吹階段主要作用是置換爐底空氣，吸收熱量，制造半水煤氣，同時加入部分氮氣 . C，下吹階段 過熱蒸汽 ? 造氣爐 ? 廢鍋 ? 洗氣塔 ? 氣柜 下吹階段主要作用是制取半水煤氣，吸收熱量，使上吹后上移的氣化層下移 . D，二上吹階段 過熱蒸汽 ? 造氣 爐 ? 旋風除塵器 ? 過熱器 ? 廢鍋 ? 洗氣塔 ? 氣柜 二上吹的主要作用是將爐底及進風管道中煤氣吹凈并回收，確保生產(chǎn)安全 . E，吹凈階段 空氣 ? 鼓風機 ? 造氣爐 ? 旋風除塵器 ? 過熱器 ? 廢鍋 ? 洗氣塔 ? 氣柜 吹凈的主要作用是回收造氣爐上層空間的煤氣及補充適量的氮氣，以滿足合成氨生產(chǎn)對氮氫比的要求 . 變換 經(jīng)過壓縮有一定壓力的半水煤氣先經(jīng)過油水分離器，除去煤氣中的油物 .然后進入飽和塔的下部與熱水進行交換后升 至一定溫度，經(jīng)過汽水分離器分離煤氣中的水分 .去除水分的煤氣進入預熱交換器，與中變爐出口的高溫煤氣進行兩次熱交換，進入中變爐，在觸媒的催化作用下，煤氣中的一氧化碳發(fā)生反應，生成二氧化碳，中變爐的爐體內(nèi)有三層反應區(qū)，在正常的工藝狀況下，第一層的反映溫度控制在 450℃左右，第二層反應溫度控制在 400℃左右，第三層的反應溫度控制在 380℃左右 .反應后，出中變爐的變換氣進入與入口水煤氣進行熱交換的兩級熱交換器后，再進入低變爐使變換氣中的一氧化碳進一步變換，經(jīng)過兩次變換的水煤氣成為合格的變換氣之后，經(jīng)熱水塔冷卻塔之后送 入下一工段進行后續(xù)處理。氣體中 2CO 被逆流流下的碳酸丙稀脂武漢工程大學本科畢業(yè)設計 6 所吸收 .凈化 2CO 氣脫至所要求的濃度由塔頂排出，成為可供用戶使用的工藝氣 .吸收 2CO 的碳酸丙稀脂富液經(jīng)渦輪機回收能量之后，在高壓閃蒸槽中閃蒸 .減壓閃蒸液在氣提塔內(nèi)經(jīng)空氣氣提再生，再生后的碳酸丙稀脂貧液經(jīng)循環(huán)液泵送回吸收塔循環(huán)使用 .氣提空氣由通風機從氣提塔塔 底送入。 脫碳過程中，入脫碳塔貧液的流量，將直接影響二氧化碳在脫碳塔中的溶解度 .流量過小，原料氣中的 2CO 不能充分被吸收 。 脫碳后 .煤氣進入下一工段進行進一步處理。 將壓縮送來的合格精練氣在適當?shù)臏囟?，壓力和觸媒存在的條件下合成為氨，所得氣氨經(jīng)過冷卻水和液氨冷卻，冷凝為液氨 .并將液氨從氫氮氣中分離出來 .未合成的氫氮氣補充部分合格的新鮮氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)合成。在高壓下進行合成氨反應，有利于反應平衡向生成氨的方向移動，同時 反應速度也隨壓力升高而加速。這兩者都有利于氣體合成率的提高和使催化劑用量減少。 溫度升高反應速度加快，氨的平衡濃度下降，催化劑只在一定范圍內(nèi)能顯示催化作用，溫度大約在 360～ 550℃，低溫有利于延長催化劑壽命并減緩設備的“氫蝕”。 催化劑為α Fe，催化劑的永久性毒物 硫、磷、砷、氯的化合物 。 合成工段中主要工藝參數(shù)的優(yōu)化和控制非常重要 .直接影響合成氨的產(chǎn)量和消耗指標 .控制方案以降低噸氨消耗為目標，控制參數(shù)為催化劑溫度，惰性氣體含量，氨冷出口溫度，及氨冷器，冷交換器 .氨分離器的三大液位。從造氣到合成塔入口基本為純滯后階段，各點氫比測量曲線呈簡單相似現(xiàn)象 .并含有一定容量滯后，合成塔塔前塔后氫比信號呈微積分關(guān)系 .記錄各測量點氫比偏差記錄曲線，據(jù)此可發(fā)現(xiàn)演變規(guī)律，監(jiān)視分析調(diào)節(jié)效果，計算開表數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)二維查表控制閥門輸出能達到較好的控制效果。 合成塔各催化劑層熱點溫度的控制，是調(diào)節(jié)未反應的冷氣體加入量的方法來控制各段溫度，由于反應溫度比較容易穩(wěn)定，所以一般采用手動遙控。 新鮮氣氨冷器液氨液位控制 在新鮮氣氨冷器液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水位測量值與給定常數(shù)進行 PID 運算，運算結(jié)果調(diào)節(jié)氨冷液位調(diào)節(jié)閥開度，從而維持氨冷液位恒定。經(jīng)反應之氣體在 475℃進入上段熱交換器管內(nèi)，與管外冷氣換熱，熱氣被冷卻至 375℃，從一段出口引至塔外中置廢熱鍋爐副產(chǎn) 13 MPa 的蒸汽后，返回合成塔下段熱交換器管內(nèi)，經(jīng)進一步冷卻，在 90℃， 295 MPa 下出合成塔。 圖 1 氨合成系統(tǒng)流程 圖 Figure 1 The flow chart for ammonia synthesis system 新鮮氣 NH3 合成塔 廢熱鍋爐 換熱器 水冷器 氨分離器qi 液氨貯槽槽 冷交換器 循環(huán)機 油分離器 氨冷器 武漢工程大學本科畢業(yè)設計 9 第二章 物料衡算 計算依據(jù) 精煉氣成分計算 已知補充氣中惰性氣體總量 4CH +