合成氨装置简介和重点部位及设备.pdf

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： GV 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)页第 1本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。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28CJt.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，得到含页第 2本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。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。页第 3本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。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(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 03。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 04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，与热页第 4本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。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 lOmgm3 以下，送往压缩机入口。(6)压缩甲烷化来的工艺气体，压力为 25MPa(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 320350，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，送到页第 5本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。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72。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。设备内为易页第 6本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。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 900950，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、页第 7本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。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 1618MPa(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 2025MPa(表)，采用 10MPa(表)高压蒸汽透平驱动， 转速可达 11000rmin， 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， 工作压力 2025MPa(表)， 反应温度 500左右。由承受高压的外壳及承受高温的内件组成。 内件由热交换器及页第 8本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。触煤筐组成，触煤筐内充填合成触煤，内件结构比较复杂。合成塔运行中，如发生触煤中毒、触煤超温、入塔H2N2 比失调等，可造成装置运行不正常或停车。塔内件如压差过大，可引起内件变形，而造成重大设备事故。氮气、氢气在高温、高压下会对金属材料发生渗氮、氢脆脱碳腐蚀。外壳发生超温，是十分危险的，可使设备材料遭受破坏，造成灾难性的后果。页第 9本文部分内容来自互联网，不为其真实性及所产生的后果负责，如有异议请联系我们及时删除。