第三章(2)合成氨-1

1、l 17 1920這種方法一般在中小型合成氨廠使用這種方法一般在中小型合成氨廠使用我國目前大型合成氨廠所用的流程我國目前大型合成氨廠所用的流程圖圖12 以天然氣為原料合成氨的原理流程以天然氣為原料合成氨的原理流程 空氣空氣 分離分離 重油重油 部分氧化部分氧化 碳黑清除碳黑清除 變換變換 甲醇洗滌甲醇洗滌 氮洗氮洗 (脫除脫除H2S、COS、CO2） 氨氨 合成合成 壓縮壓縮O2N2l合成氨原料氣中的氫氣是含碳燃料轉(zhuǎn)化得到的。合成氨原料氣中的氫氣是含碳燃料轉(zhuǎn)化得到的。l合成氨的原料：天然氣、聯(lián)廠氣、焦?fàn)t氣、石腦合成氨的原料：天然氣、聯(lián)廠氣、焦?fàn)t氣、石腦油、重油和煤油、重油和煤l氫碳比（氫碳比（

2、H2/C）是制氫原料的一個重要指標(biāo)。因是制氫原料的一個重要指標(biāo)。因為它表示的是該種原料與水蒸氣反應(yīng)時釋放氫比為它表示的是該種原料與水蒸氣反應(yīng)時釋放氫比水中釋放氫的容易程度。水中釋放氫的容易程度。l氫碳比從天然氣到煙煤為氫碳比從天然氣到煙煤為2：10.4：1 ： 30 （1）耐高溫性能好；耐高溫性能好；活性高；活性高；強度好；強度好；抗析碳性能優(yōu)?？刮鎏夹阅軆?yōu)。31 目前工業(yè)轉(zhuǎn)化催化劑都采用目前工業(yè)轉(zhuǎn)化催化劑都采用鎳催化劑，鎳催化劑，鎳是其唯鎳是其唯一的活性組分。一的活性組分。 在制備好的鎳催化劑中鎳是以在制備好的鎳催化劑中鎳是以NiO狀態(tài)存在，狀態(tài)存在，含量以含量以430為宜為宜。一般鎳含量高

3、的催化劑活性。一般鎳含量高的催化劑活性也愈高。也愈高。 為使鎳晶體盡量分散、達(dá)到較大的比表面積及阻為使鎳晶體盡量分散、達(dá)到較大的比表面積及阻止鎳晶體的熔結(jié)，常用止鎳晶體的熔結(jié)，常用A12O3、MgO、CaO等作為載等作為載體，這些組分同時還有助催化劑作用，可進(jìn)一步改善體，這些組分同時還有助催化劑作用，可進(jìn)一步改善催化劑的性能。催化劑的性能。 32鎳催化劑通常以鎳催化劑通常以NiO的形式存在。沒有催化活性，的形式存在。沒有催化活性，使用前必須進(jìn)行還原；使用前必須進(jìn)行還原；3334反應(yīng)管進(jìn)口反應(yīng)管進(jìn)口3040的一段的一段。44圖圖7 天然氣蒸汽天然氣蒸汽 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化工藝流程工藝流程l一鈷鉬加氫反應(yīng)器

4、一鈷鉬加氫反應(yīng)器2一氧化鋅脫硫罐一氧化鋅脫硫罐3一對流段一對流段4一輻射段一輻射段(一段爐一段爐)5 二段轉(zhuǎn)化二段轉(zhuǎn)化6一第一廢熱鍋爐一第一廢熱鍋爐7一第二廢熱鍋爐一第二廢熱鍋爐8一泡氣一泡氣9一輔助鍋爐一輔助鍋爐10排風(fēng)機排風(fēng)機11煙囪煙囪 天然氣經(jīng)脫硫后，硫含量小于天然氣經(jīng)脫硫后，硫含量小于0.5ppm，然后在壓然后在壓力力3.6MPa、溫度溫度380左右配入中壓蒸汽，達(dá)到一定左右配入中壓蒸汽，達(dá)到一定的水碳比的水碳比(約約3.5)進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐的對流段預(yù)熱到進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐的對流段預(yù)熱到500520. 然后送到一段轉(zhuǎn)化爐的輻射段頂部、分配進(jìn)入各然后送到一段轉(zhuǎn)化爐的輻射段頂部、分配進(jìn)入各反應(yīng)

5、管、從反應(yīng)管、從上而下上而下流經(jīng)催化劑層。轉(zhuǎn)化管直徑一般為流經(jīng)催化劑層。轉(zhuǎn)化管直徑一般為80150mm，加熱段長度為加熱段長度為612m。氣體在轉(zhuǎn)化管氣體在轉(zhuǎn)化管內(nèi)進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從各轉(zhuǎn)化管出來的氣體由底部內(nèi)進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從各轉(zhuǎn)化管出來的氣體由底部匯集到集氣管再沿集氣管中間的上升管上升溫度匯集到集氣管再沿集氣管中間的上升管上升溫度升到升到850860時。送去二段轉(zhuǎn)化爐。時。送去二段轉(zhuǎn)化爐。 空氣經(jīng)過加壓到空氣經(jīng)過加壓到3. .32. .5MPa配入少量水蒸氣，配入少量水蒸氣，并在一段轉(zhuǎn)化爐的對流段預(yù)熱到并在一段轉(zhuǎn)化爐的對流段預(yù)熱到450左右，進(jìn)入二左右，進(jìn)入二段爐項部與一段轉(zhuǎn)化氣匯合并燃

6、燒使溫度升至段爐項部與一段轉(zhuǎn)化氣匯合并燃燒使溫度升至1200左右，再通過催化劑層、出二段爐的氣體溫左右，再通過催化劑層、出二段爐的氣體溫度約度約1000左右，壓力為左右，壓力為3.0MPa，殘余甲烷含量在殘余甲烷含量在0.3左右。左右。 從二段爐出來的轉(zhuǎn)化氣順序送入兩臺串聯(lián)的廢從二段爐出來的轉(zhuǎn)化氣順序送入兩臺串聯(lián)的廢熱鍋爐以回收過熱，產(chǎn)生蒸汽。從第二廢熱鍋爐出熱鍋爐以回收過熱，產(chǎn)生蒸汽。從第二廢熱鍋爐出來的氣體溫度約為來的氣體溫度約為370左右送往變換工序。左右送往變換工序。 燃燒天然氣從輻射段頂部噴嘴噴入并燃燒，燃燒天然氣從輻射段頂部噴嘴噴入并燃燒，煙道氣的流動方向自上而下，與管內(nèi)的氣體流向

7、煙道氣的流動方向自上而下，與管內(nèi)的氣體流向一致。離開輻射段的煙道氣溫度有一致。離開輻射段的煙道氣溫度有1000以上。以上。進(jìn)入對流段后，依次流過混合氣、空氣、蒸汽、進(jìn)入對流段后，依次流過混合氣、空氣、蒸汽、原料天然氣、鍋爐水和燃燒天然氣各個盤管，溫原料天然氣、鍋爐水和燃燒天然氣各個盤管，溫度降到度降到250時，用排風(fēng)機排往大氣。時，用排風(fēng)機排往大氣。 為了平衡全廠蒸汽用量，設(shè)置一臺輔助鍋爐，為了平衡全廠蒸汽用量，設(shè)置一臺輔助鍋爐，也是以天然氣為燃料，煙道氣在一段爐對流段的也是以天然氣為燃料，煙道氣在一段爐對流段的中央位置加入，因此與一段爐共用一半對流段、中央位置加入，因此與一段爐共用一半對流段

8、、一臺排風(fēng)機和一個煙囪。輔助鍋爐和幾臺廢熱鍋一臺排風(fēng)機和一個煙囪。輔助鍋爐和幾臺廢熱鍋爐共用一個汽包，產(chǎn)生爐共用一個汽包，產(chǎn)生10.5Mpa的高壓蒸汽。的高壓蒸汽。4. 主要設(shè)備主要設(shè)備 (1) 一段轉(zhuǎn)化爐一段轉(zhuǎn)化爐 一段轉(zhuǎn)化爐是烴類蒸汽轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備之一段轉(zhuǎn)化爐是烴類蒸汽轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備之一。一。其基本結(jié)構(gòu)包括有其基本結(jié)構(gòu)包括有: : 反應(yīng)管與燒嘴反應(yīng)管與燒嘴 爐膛的輻射段爐膛的輻射段 回收熱量的對流段回收熱量的對流段 由于反應(yīng)管長期處于高溫、高壓和氣體腐蝕的條件下，需采用耐熱的合金由于反應(yīng)管長期處于高溫、高壓和氣體腐蝕的條件下，需采用耐熱的合金鋼管因此造價昂貴。整個轉(zhuǎn)化爐的投資約占全廠的鋼管

9、因此造價昂貴。整個轉(zhuǎn)化爐的投資約占全廠的30，而反應(yīng)管的投，而反應(yīng)管的投資則為轉(zhuǎn)化爐的一半。資則為轉(zhuǎn)化爐的一半。 一臺大型天然氣轉(zhuǎn)化爐具有多達(dá)一臺大型天然氣轉(zhuǎn)化爐具有多達(dá)400多根以上的多根以上的反應(yīng)管，管子分列幾排至十排，每排并聯(lián)幾十根由總反應(yīng)管，管子分列幾排至十排，每排并聯(lián)幾十根由總管、支管、分氣管管、支管、分氣管(又叫豬尾管又叫豬尾管)和集氣管把它們聯(lián)結(jié)起和集氣管把它們聯(lián)結(jié)起來，形成一個整體。反應(yīng)管很長，但直徑較小，這樣有來，形成一個整體。反應(yīng)管很長，但直徑較小，這樣有利于傳熱。常見反應(yīng)管的內(nèi)徑為利于傳熱。常見反應(yīng)管的內(nèi)徑為 71 122，總長，總長1012m。燒嘴的結(jié)構(gòu)形式也多，根據(jù)爐

10、子的形式和要燒嘴的結(jié)構(gòu)形式也多，根據(jù)爐子的形式和要求的不同可以采用大容量燒嘴或小容量燒嘴。大燒嘴求的不同可以采用大容量燒嘴或小容量燒嘴。大燒嘴燃燒發(fā)熱量大，需用個數(shù)少，一般燃燒發(fā)熱量大，需用個數(shù)少，一般34根反應(yīng)管配一個。根反應(yīng)管配一個。小燒嘴能力小，需用個數(shù)多，一根反應(yīng)管需配備小燒嘴能力小，需用個數(shù)多，一根反應(yīng)管需配備23個。個。大燒嘴一般帶有較長火焰的火炬燒嘴、而小燒嘴多為無大燒嘴一般帶有較長火焰的火炬燒嘴、而小燒嘴多為無焰板式或碗式燒嘴。焰板式或碗式燒嘴。 在這一段里，加入空氣燃燒一部分轉(zhuǎn)化氣可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)化在這一段里，加入空氣燃燒一部分轉(zhuǎn)化氣可能會出現(xiàn)轉(zhuǎn)化氣和空氣混合不均勻氣和空氣混合不

11、均勻?qū)е聹囟雀哌_(dá)導(dǎo)致溫度高達(dá)2000的情況的情況，因此就要，因此就要求二段轉(zhuǎn)化爐有相應(yīng)結(jié)構(gòu)，以免溫度過高導(dǎo)致燒熔催化劑求二段轉(zhuǎn)化爐有相應(yīng)結(jié)構(gòu)，以免溫度過高導(dǎo)致燒熔催化劑(鎳熔鎳熔點點1455)和毀壞襯里和毀壞襯里3.2.2.3 固體燃料氣化法固體燃料氣化法 種類種類H2COCO2N2CH4O2H2S空氣煤氣空氣煤氣0.933.40.664.60.5-發(fā)生爐煤氣發(fā)生爐煤氣 11.027.56.053.00.30.2水煤氣水煤氣50.037.36.55.50.30.2半水煤氣半水煤氣37.033.76.522.40.30.2 固體燃料氣化的化學(xué)反應(yīng)固體燃料氣化的化學(xué)反應(yīng) C + H2O（g）= C

12、O + H2 (10)C + 2H2O（g）= CO2 + 2H2 (11)C + 2H2 = CH4 (12)CO + H2（g）= CH4 + H2O (13) 制取半水煤氣的工業(yè)方法制取半水煤氣的工業(yè)方法 工業(yè)上制備合成氨原料氣工業(yè)上制備合成氨原料氣,一方面要求氣體中一方面要求氣體中(H2十十CO)與與N2的比例為的比例為3.13.3；另一方面還需要建立起過程的熱平衡。在造氣過程中應(yīng)同時實現(xiàn)；另一方面還需要建立起過程的熱平衡。在造氣過程中應(yīng)同時實現(xiàn)熱平衡和氣體成分要求，可采用下列方法：熱平衡和氣體成分要求，可采用下列方法： (1)外熱法：外熱法： 如利用原子能反應(yīng)堆余熱或其它廉價高溫?zé)嵩?，用熔融如利用原子能反?yīng)堆余熱或其它廉價高溫?zé)嵩?，用熔融鹽、熔融鐵等介質(zhì)為熱載體直接加熱反應(yīng)系統(tǒng)，或預(yù)熱氣化劑，鹽、熔融鐵等介質(zhì)為熱載體直接加熱反應(yīng)系統(tǒng)，或預(yù)熱氣化劑，以提供氣化過程所需的熱能。以提供氣化過程所需的熱能。 但這種方法目前尚處于研究階段。但這種方法目前尚處于研究階段。(2)富氧空氣氣化法：富氧空氣氣化法：使用混合氣化劑，將水蒸氣與純氧或富氧空氣使用混合氣化劑，將水蒸氣與純氧或富氧空氣 按一定的按一