合成氨技术
专家园地
1992年国内外第1家合成氨原料气“双甲”精制联产甲醇工艺在湖南衡阳市氮肥厂投产成功。该装置1994年通过原化工部鉴定，列为国家科技部(九五、十五)重点推广项目，2000年评为湖南省“科技进步一等奖”。经过10年的运行，“双甲”工艺取得了很大的进展：从4万吨合成氨“双甲”精制能力发展到15万吨合成氨“双甲”精制能力；联产或副产甲醇从5 000 t／a发展到 30 000t／a。技术上通过几次升级，实现跨越式的进步。甲醇化反应器从￠800三段轴向升级为￠ 1 400多段轴径向；反应压力范围从13MPa扩展到5.0～32MPa；副产品既可产甲醇，又可产醚含量很高的醇醚混合物。工艺指标更加先进，能耗不断降低，经济效益、环境效果更加显著，为今后推广工作创造了条件。
“双甲”精制工艺与氨合成在流程衔接、工艺指标确定、设备布置等方面紧密关联，把“双甲”精制与氨合成组成一个高压圈进行系统设计，更能突出“双甲”精制工艺的优越性。山西丰喜集团临猗分公司的15万吨精制氨合成高压圈(以下简称高压圈)工艺，是近年“双甲”工艺氨合成发展的一个实例。以下介绍该装置的设计与运行。
1 工艺流程
高压圈“双甲”工艺流程见图1。两个甲醇化反应器可并可串，在此以并联说明流程：
含有H2、N2、CO、CO2、CH4、Ar的原料气，其中CO、CO2占1％～8％，总硫1×10—6以下，分别经阀A1、B1，换热器(3)、(4)预热至210～220℃，并联进入甲醇化反应器(1)和(2)，在210～260℃进行甲醇化反应，生成粗甲醇；气体中CO+CO2降至0.1％～0.3％，反应后热气体分别经换热器(3)、(4)冷却至70～90℃，再经水冷器(5)、(6)粗甲醇被冷凝；之后通过分离器(7)、(8)分离出粗甲醇，排至中间储槽；气体分别经阀A2、B2汇集于M，经阀C1和换热器 (10)预热至180～210℃，进入甲烷化反应器(9)，在210～280℃进行甲烷化反应，生成甲烷和水；经换热器(10)冷却至70～90℃，又经水冷器(11)冷却至35～40℃，经氨冷器冷却至5℃，气体中水分在分离器(13)中分离，气体水分降至10—6级，经加压至20.0～30MPa进入合成。
高压圈氨合成流程见图2。从“双甲”系统精制后的合成氨精制气从(0)点补气与从循环机(7)出来的循环气在油分离器(8)混合后，分成两路，主路经热交(2)加热至170～190℃，经合成塔底(二进)进塔内热交；另一股未经加热(约40℃)经合成塔底(一进)进合成塔内外筒体环隙加热后，进入塔内冷管。2个调温阀门A1、A2，用以调节进入冷管的冷气温度，阀门A3及所在管线是升温还原副线。
冷冻系统流程见图3。合成循环气经氨冷器(1)被管外液氨(—5～—10℃)冷却到0～—5℃，精制气在氨冷器(2)被管外液氨冷却5～10℃；氨冷器(1)的液氨被加热，沿上升管升至闪蒸槽低温段(3—1)，在此蒸发，其蒸发压力约0.3MPa(绝)；气氨进相应压力的1号冰机系统，加压后进水冷(4—1)冷却，冷凝为液氨，节流后冷液氨加入到闪蒸槽(3—1)，从其下降管至循环气氨冷器(1)，构成一个冷冻循环；氨冷器(2)的液氨被管内精制气加热，沿上升管升至闪蒸槽高温段(3—2)，在此蒸发，蒸发压力约0.45MPa(绝)；气氨进入2号冰机系统，加压后进水冷(4—2)冷却，冷凝为液氨，经节流为冷液氨，加入到闪蒸槽(3—2)，从下降管流入氨冷器(2)，构成另一个冷冻循环。
2 设计思想及特点
“双甲”精制氨合成高压圈的设计总目标是保证精制制度：CO+CO2≤12×10－6;保证总氨产量：合成氨产量，甲醇产量及醇氨调节范围；降低能耗：吨氨电耗、气耗、水耗以及回收蒸汽量。为此，设计应考虑如下问题。
2.1 高压圈与前工序紧密衔接
（1）临猗工程中，造气是焦炭固定层气化，半水煤气中CH4与Ar含量与用白块煤气化的半水煤气不同。在设计合成系统流程与合成塔内件时，必须考虑这个因素。
（2）临猗工程中采用可两级脱硫，即粗脱和精脱，在甲醇化设计时，应根据总硫较低的情况设计其催化剂的使用和更换周期。
（3）临猗工程采用2.1MPa级中低低变换、NHD脱碳，正常情况下变换气CO均在2%以下，原料其在0.4%以下。在甲醇化设计时，应根据原料气中CO、C、O2含量较低的情况，并考虑运转的高效性和稳定性，高压圈计算甲醇化和甲烷化能力为设计能力113%。
2.2 选用先进的高效设备
高压圈内按作用原理把设备分成反应设备、传热设备、分离设备及运转设备。反应设备选用安淳公司ⅢJ的升级技术，ⅢJD￠400氨合成塔，ⅢJD￠400甲醇化塔，ⅢJD￠200甲烷化塔。其特点是多段、轴径向、自卸催化剂。传热设备选用安淳公司开发的新型高效热交和冷交，卧式氨冷凝器，水冷采用卧式“U”形换热器。其特点是换热管均采用横纹管或螺纹管，管外采用大小孔折流板或螺旋圈，换热器整体几何形状为瘦长形。其传热系数(K)提高15％～30％。分离设备选用安淳公司新开发的凝聚旋风式分离装置，使液滴经过凝聚、旋风分离及过滤三阶段，达到比较好的分离效果。循环机采用离心循环机，无油，占地面积小。
2.3 优化系统流程
满足正常运行要求，又要满足催化剂升温还原要求，还要合理安排设备的相对位置，循环气 (40℃左右)直接进热交，使热气温度降到80℃左右，减少热损失和冷却用量。如循环机位置在塔前，新鲜气补在循环机之后，放空点在冷交(热气)后，使冷损失最少，循环机打气量大、运行功耗小。
2.4 优化设备布置和配管
临猗高压圈工程建在原老厂界区内的空隙地带，面积狭小，设计在满足工艺要求前提下，采用高效高径比大的气气换热器，层叠式布置。卧式“U”形水冷器、卧式氨冷和闪蒸槽，平面布置紧凑，管道管径大小适中，选材恰当。现场走管横平竖直，整体美观。
2.5 设备露天化
为减少框架及厂房投资，除合成框架外，冷交、热交等高大设备，依附其外筒本体设置钢结构转梯和检修平台，透平循环机设敞开式棚架。
3 “双甲”工艺及氨合成主要设备
“双甲”工艺主要设备见表1。氨合成主要设备见表2。
4 运行情况
4.1 甲醇化部分
(1)气体成分和产量 CO 1.9％～2.0％，CO2 0.2％，甲醇产量24～28 t／d，CO 3.8％～ 4.2％，CO2 0.2％～0.3％，甲醇产量63～66t／a。
(2)触媒层温度 零米200℃，各段进口220℃，各段出口240℃。
(3)塔压差0.25MPa。
4.2 甲烷化部分
(1)气体成分 进口CO 0.1％，CO2 0.1％，出口CO+CO2 10×10—6。
(2)触媒层温度 240～250℃。
(3)塔压差 0.11MPa。
4.3 “双甲”系统
该系统压差为0.2～0.23MPa。
4.4 氨合成部分
(1)产量和系统压力 最高产量435t／d，系统压力19.5～20.2MPa，CH4 10％～11％；一般产量345～375t／d，系统压力20.6～21.5MPa，CH4 13.5％～15.5％。
(2)压差 塔压差0.2～0.6MPa，系统压差1.8～2.0 MPa。
(3)温度 合成二出温度330℃，二进温度180℃；进水冷温度～80℃，塔壁温度34.5～ 75.3℃；零米温度320～330℃，第一热点温度477～488℃；第二热点温度478～480℃，底点温度470℃。
(4)气量 新鲜气由3台压缩机供给(4万吨氨／年、台)；进合成塔气量216129m3(标)／h；分流气量67000～68000m3(标)／h。
5 产量消耗及经济效益比较
2002年1～3月本系统(一分厂)合成氨和精醇产量逐月上升，各项单耗基本稳定(见表3)。
丰喜集团临猗分公司的合成氨有3套生产系统(分3个分厂)，一分厂为2.1MPa等压变换和脱碳，原料气“双甲”精制副产甲醇，ⅢJD￠400氨合成；二、三分厂工艺为0.8MPa全低变变换， 1.7MPaMDEA脱碳，12.5MPa铜洗精制，32MPa氨合成。主要消耗及成本比较见表4。
从以上对比可以看出，一分厂原料煤的消耗并不比二、三分厂低，由于采用了变换、脱碳等压流程，降低了“双甲”精制工艺及合成压力，合成氨和尿素成本明显降低。按年产12万吨合成氨能力计，年效益可达2000万元以上。同时，1～3月共副产精醇1 848.21吨，成本为1 112.62元／吨醇，若销售价格按1 300元／吨，年产精醇按10000吨计，还可增加利润187.38万元。
6 结束语
临猗15万吨“双甲”精制氨合成高压圈是国内第1家大型“双甲”工艺精制副产甲醇装置，运行4个月来最高日产合成氨达435 t，日产甲醇65.88 t。该高压圈合成系统压力仅20～23 MPa，进甲醇化CO含量达3.8％～4％，CO2 0.2％～0.3％，进甲烷化CO 0.1％，CO2 0.2％，烷后气CO+CO2 10×10－6左右，最高月产为2002年3月，产合成氨10212.2吨，精醇1193.04吨，合成氨吨氨煤耗1 586公斤，吨氨电耗1 431kW·h。由于能耗低、产品成本低、生产稳定、操作简便，与丰喜集团临猗分公司两套老系统比较有非常明显的优势。这充分说明15万吨“双甲”精制氨合成高压圈技术的先进性、设计合理性、全厂各工序配套完整性以及管理的严谨性。可以预见，当满负荷运行后，情况会更好，同时，在某些方面做些调整，还会创建国内外新记录。
