合成氨生產能耗分析

合成氨生產能耗分析

1大型合成氨流程氨基反應的生產與經濟效益密切相關。該產品的氨基是生產化肥和其他化工產品的原料。合成氨生產過程因所采用的原料和凈化、合成方法的不同形成了不同的工藝流程,能量消耗(能耗)也有差別。就合成氨典型流程而言,一般分為以下三種:(1)以煤為原料的中小型合成氨流程,如碳化工藝流程、三催化劑凈化流程。特點是生產能力較低,噸氨能耗較高。(2)以天然氣為原料的大型合成氨流程,采用蒸汽轉化、熱法凈化生產方法。特點是生產能力大,設備效率和能量利用率高,噸氨能耗小。(3)以重油(或煤)為原料的大型合成氨流程,采用部分氧化、冷法凈化生產方法。特點是生產能力大,噸氨能耗較小。選用什么方法合成氨,應根據(jù)原料、工藝要求和技術經濟比較,力求經濟合理和操作可靠。合成氨生產是耗能“大戶”,噸氨生產成本中能源費用占70%以上,因而能耗是衡量合成氨技術水平和經濟效益的重要標志之一。合成氨生產中所用原料和燃料有一次能源——煤、石油、天然氣等;二次能源——電、蒸汽、熱水等。噸氨能耗的降低體現(xiàn)合成氨技術的進步,如何合理、高效利用能源,作好節(jié)能降耗工作,對合成氨生產具有重要意義。2氨基丙烯酸的生產能耗2.1原料制氨能耗實際生產中,合成氨的能耗隨原料品種、生產方法和規(guī)模、管理水平而異。若不考慮外部條件影響,實際能耗可按設計能耗計。不同原料制氨的設計能耗如表1所示。由表1可見,影響實際能耗的因素有:(1)原料和生產方法。以天然氣為原料制氨的能耗低于煤和重油;加壓氣化優(yōu)于常壓氣化,較高壓力下生產的能耗較低。(2)生產規(guī)模。不同原料的大規(guī)模(1000t/d)生產,均比小規(guī)模(<200t/d)生產的能耗低。2.2熱平衡計算時期理論能耗即是按理想狀態(tài)條件計算的最小能耗。工業(yè)上常用熱值計算噸氨理論能耗,即基于熱力學第一定律,對0.1MPa、25℃狀態(tài)下的氨合成反應進行熱平衡計算,無論什么原料和生產方法,噸氨理論能耗均近似為21.28GJ。而實際生產中,噸氨能耗因原料、生產方法及管理水平的不同有較大差異,往往與理論能耗差別較大(表1)。大型氨廠因采用逐級降溫降壓裝置,其余熱回收利用明顯;同時,科學計量原材料及能源,嚴格控制工藝指標,實現(xiàn)設備滿負荷運行等,使能量利用率接近60%,明顯高于中小型氨廠。因此,各國多以天然氣為制氨理想原料,開發(fā)和應用節(jié)能型工藝和技術,逐步發(fā)展了現(xiàn)代合成氨工業(yè)。3節(jié)能源反應法的形成3.1司與英國將合成氨工藝提升到效率美國凱洛格公司設計的第一套低能耗大型合成氨裝置于1983年建成投產,噸氨能耗為29.31GJ。20世紀90年代后,該公司與英國石油公司(BP)合作開發(fā)的更先進的合成氨工藝——KAAP和KRES組合技術,將噸氨能耗降到25.96~27.21GJ,這是對合成氨工藝的重大突破。KAAP技術采用低溫低壓下高活性的氨合成Fe系催化劑。KRES技術為自熱式轉化技術,設備由換熱式一段轉化爐和絕熱式二段轉化爐組成,從二段爐出來的熱轉化氣通過換熱向一段爐提供所需全部熱量,使能耗大為降低。3.2降低爐溫、減少燃料天然氣及燃氣透平消能美國布朗公司的節(jié)能措施主要是減少燃料天然氣用量,即減少一段轉化爐負荷(出口CH4含量從原10%提高至30%左右),增大二段轉化爐負荷并在此加入過量空氣(產生大量反應熱,提供殘余CH4轉化所需熱量),從而使一段爐溫降低,燃料天然氣用量減少。同時,采用深冷凈化脫除過量的氮,并用燃氣透平驅動空氣壓縮機,噸氨能耗為28.4GJ。我國對引進的布朗裝置的一段轉化爐采用了低水碳比節(jié)能技術,氨合成采用了三塔三廢熱鍋爐回路流程,利用余熱產生高壓蒸汽,進一步降低了能耗。3.3fe-co催化劑英國ICI公司的AM-V流程,除了采用布朗工藝的一些節(jié)能措施外,最主要的特點是開發(fā)、應用了在低溫低壓下活性好的氨合成Fe-Co催化劑。1988年,ICI公司又開發(fā)了流程簡化、規(guī)模縮小的LCA工藝,建成2套日產450t氨的裝置,噸氨能耗為29.31GJ,證明了中型合成氨裝置也可達到與大型合成氨裝置相當?shù)墓?jié)能水平。3.4采用新型合成氨節(jié)能工藝KPK工藝是KRES/PURIFIER/KAAP的簡稱,該工藝包含了Kellogg、Braun先進技術,主要有用換熱式轉化器替代傳統(tǒng)的一段轉化爐,采用釕系催化劑和深冷凈化技術等,是新型的合成氨節(jié)能工藝。4合成氨廠汽、汽、動力系統(tǒng)能耗20世紀70-90年代,我國陸續(xù)引進了31套大型合成氨裝置。對于日產1000t合成氨廠而言,其轉化工序能耗占第一位,蒸汽動力系統(tǒng)能耗占第二位,合成工序能耗占第三位。國外開發(fā)的各種節(jié)能新工藝中,許多節(jié)能技術成果用于我國現(xiàn)有合成氨廠的挖潛改造同樣有效,現(xiàn)按工序分述如下:4.1采用低水碳比小的k(1)調整一、二段轉化爐負荷,使一段爐溫降低,燃料天然氣用量減少,降耗明顯。(2)采用蓄熱式或熱管式換熱器加熱助燃空氣,使煙道氣排放溫度從250℃降至120℃,可回收熱量1.17GJ/t。(3)采用低水碳比操作,使H2O/C(摩爾比)從3.5降至2.5,H2O/C每降低0.1可節(jié)能0.12GJ/t。(4)設置天然氣蒸汽飽和器,用水冷激預熱后的天然氣自產水蒸汽,減少了外供蒸汽。(5)采用新型轉化器——管式換熱轉化爐進行一段轉化,取消傳統(tǒng)的外部加熱式一段轉化爐,熱能消耗下降。(6)提高轉化壓力至4.5MPa,每1t可以節(jié)能0.191GJ。4.2采用水冷列管式變換爐,以減少蒸汽用量(1)采用低溫高活性、適應低汽氣比反應的新型催化劑替代傳統(tǒng)催化劑,變換爐溫降低,從而降低蒸汽用量。(2)采用水冷列管式變換爐,并通過飽和熱水器回收變換反應熱。(3)中小型合成氨廠,可采用飽和熱水塔流程回收部分水蒸汽。4.3采用低能耗化法(1)采用先進的物理吸收法,如我國開發(fā)的NHD法(類似于Allied公司的聚乙二醇二甲醚法),脫碳能耗降低。(2)采用改良的化學吸收法,如低能耗本-菲爾法,再生能耗可降低60%。(3)采用活化MDEA法,能耗比低能耗本-菲爾法還低,僅為(3.2-4.25)×104kJ/kmolCO2。4.4增設分子篩變壓吸附法(1)采用深冷分離法,在低于-100℃條件下除去惰氣并調整氫氮比,使合成回路不需放空。此法與前述二段轉化爐加入過量空氣的節(jié)能措施相配套,亦可脫除過量的氮。(2)采用分子篩變壓吸附代替甲烷化,脫除微量CO、CO2、CH4、Ar,簡化了凈化流程。甲烷排放氣可用作一段轉化爐燃料,提高熱利用率。4.5分子篩干燥入塔的必要性(1)壓縮機與循環(huán)機分開,避免壓縮機內部從循環(huán)段向高壓段因氣體泄漏造成動力損失。(2)提高蒸汽透平效率,在運行操作中維持蒸汽參數(shù)的最佳化。(3)采用分子篩干燥入塔氫氮氣,以節(jié)約壓縮機動力。(4)采用燃氣透平驅動空氣壓縮機,可使燃料天然氣能耗降低2.093GJ/t。4.6尾氣回收系統(tǒng)(1)采用新型節(jié)能合成塔,如徑向、軸徑向、臥式或冷激式塔,氨凈值高,熱能利用充分,并且壓降小,可有效降低壓縮機的功耗。(2)采用低溫低壓高活性Fe-Co系催化劑,操作壓力可降到8~10MPa,明顯減少了壓縮機功耗。(3)采用中空纖維膜分離裝置,回收合成尾氣中的H2。(4)二級氨冷出口氣氨送冰機回收冷量。(5)利用氨合成反應熱副產高壓蒸汽(凱洛格、布朗、ICI工藝共同的特點)。4.7合成氨裝置與合成氨裝置的聯(lián)合(1)合成氨與合成尿素裝置的聯(lián)合合成尿素的原料氨全部來自氨合成系統(tǒng),冷凍系統(tǒng)的負荷降低,動力消耗亦減少;同時將尿素與合成氨裝置的蒸汽系統(tǒng)聯(lián)合“捆綁”,實現(xiàn)節(jié)能降耗。(2)合成氨與合成甲醇裝置的聯(lián)合用天然氣制甲醇會出現(xiàn)過量的氫,將其輸入合成氨系統(tǒng),在二段轉化爐中用過量空氣補充氮。另外,氨—甲醇聯(lián)合裝置可將合成氨系統(tǒng)多余的CO2供給合成甲醇系統(tǒng)進行組分調節(jié),從而減少甲醇裝置的排放氣量。5中小型合成氨廠發(fā)展的節(jié)能技術跨入21世紀,我國合成氨年產量已超過3000萬t,從生產能力到總產量都位居世界第一。其中,以天然氣為原料的30多家大型合成氨裝置,因其產量高、能耗低成為我國合成氨生產的主力軍。通過對引進技術的消化吸收和知識創(chuàng)新,我國已掌握了具有世界先進水平的合成氨工藝與技術,同時也促進了中小型合成氨廠的技術進步。根據(jù)我國國情,目前還不能用大型廠取代所有的小型廠,在相當一段時期,仍然是大、中、小廠并存的狀況。所以,對中、小型廠還需很好地加以利用和進行技術改造,尤其對以煤為原料的中、小型廠,節(jié)煤節(jié)電是節(jié)能關鍵。在過去的近10年間,已有400多家中、小型廠采用蒸汽自給節(jié)能技術,噸氨能耗有降至44.25GJ的,平均下降了約12%,節(jié)能效果顯著。近年來,合成氨凈化