合成氨生产能耗分析

合成氨生产能耗分析

1大型合成氨流程氨基反应的生产与经济效益密切相关。该产品的氨基是生产化肥和其他化工产品的原料。合成氨生产过程因所采用的原料和净化、合成方法的不同形成了不同的工艺流程,能量消耗(能耗)也有差别。就合成氨典型流程而言,一般分为以下三种:(1)以煤为原料的中小型合成氨流程,如碳化工艺流程、三催化剂净化流程。特点是生产能力较低,吨氨能耗较高。(2)以天然气为原料的大型合成氨流程,采用蒸汽转化、热法净化生产方法。特点是生产能力大,设备效率和能量利用率高,吨氨能耗小。(3)以重油(或煤)为原料的大型合成氨流程,采用部分氧化、冷法净化生产方法。特点是生产能力大,吨氨能耗较小。选用什么方法合成氨,应根据原料、工艺要求和技术经济比较,力求经济合理和操作可靠。合成氨生产是耗能“大户”,吨氨生产成本中能源费用占70%以上,因而能耗是衡量合成氨技术水平和经济效益的重要标志之一。合成氨生产中所用原料和燃料有一次能源——煤、石油、天然气等;二次能源——电、蒸汽、热水等。吨氨能耗的降低体现合成氨技术的进步,如何合理、高效利用能源,作好节能降耗工作,对合成氨生产具有重要意义。2氨基丙烯酸的生产能耗2.1原料制氨能耗实际生产中,合成氨的能耗随原料品种、生产方法和规模、管理水平而异。若不考虑外部条件影响,实际能耗可按设计能耗计。不同原料制氨的设计能耗如表1所示。由表1可见,影响实际能耗的因素有:(1)原料和生产方法。以天然气为原料制氨的能耗低于煤和重油;加压气化优于常压气化,较高压力下生产的能耗较低。(2)生产规模。不同原料的大规模(1000t/d)生产,均比小规模(<200t/d)生产的能耗低。2.2热平衡计算时期理论能耗即是按理想状态条件计算的最小能耗。工业上常用热值计算吨氨理论能耗,即基于热力学第一定律,对0.1MPa、25℃状态下的氨合成反应进行热平衡计算,无论什么原料和生产方法,吨氨理论能耗均近似为21.28GJ。而实际生产中,吨氨能耗因原料、生产方法及管理水平的不同有较大差异,往往与理论能耗差别较大(表1)。大型氨厂因采用逐级降温降压装置,其余热回收利用明显;同时,科学计量原材料及能源,严格控制工艺指标,实现设备满负荷运行等,使能量利用率接近60%,明显高于中小型氨厂。因此,各国多以天然气为制氨理想原料,开发和应用节能型工艺和技术,逐步发展了现代合成氨工业。3节能源反应法的形成3.1司与英国将合成氨工艺提升到效率美国凯洛格公司设计的第一套低能耗大型合成氨装置于1983年建成投产,吨氨能耗为29.31GJ。20世纪90年代后,该公司与英国石油公司(BP)合作开发的更先进的合成氨工艺——KAAP和KRES组合技术,将吨氨能耗降到25.96~27.21GJ,这是对合成氨工艺的重大突破。KAAP技术采用低温低压下高活性的氨合成Fe系催化剂。KRES技术为自热式转化技术,设备由换热式一段转化炉和绝热式二段转化炉组成,从二段炉出来的热转化气通过换热向一段炉提供所需全部热量,使能耗大为降低。3.2降低炉温、减少燃料天然气及燃气透平消能美国布朗公司的节能措施主要是减少燃料天然气用量,即减少一段转化炉负荷(出口CH4含量从原10%提高至30%左右),增大二段转化炉负荷并在此加入过量空气(产生大量反应热,提供残余CH4转化所需热量),从而使一段炉温降低,燃料天然气用量减少。同时,采用深冷净化脱除过量的氮,并用燃气透平驱动空气压缩机,吨氨能耗为28.4GJ。我国对引进的布朗装置的一段转化炉采用了低水碳比节能技术,氨合成采用了三塔三废热锅炉回路流程,利用余热产生高压蒸汽,进一步降低了能耗。3.3fe-co催化剂英国ICI公司的AM-V流程,除了采用布朗工艺的一些节能措施外,最主要的特点是开发、应用了在低温低压下活性好的氨合成Fe-Co催化剂。1988年,ICI公司又开发了流程简化、规模缩小的LCA工艺,建成2套日产450t氨的装置,吨氨能耗为29.31GJ,证明了中型合成氨装置也可达到与大型合成氨装置相当的节能水平。3.4采用新型合成氨节能工艺KPK工艺是KRES/PURIFIER/KAAP的简称,该工艺包含了Kellogg、Braun先进技术,主要有用换热式转化器替代传统的一段转化炉,采用钌系催化剂和深冷净化技术等,是新型的合成氨节能工艺。4合成氨厂汽、汽、动力系统能耗20世纪70-90年代,我国陆续引进了31套大型合成氨装置。对于日产1000t合成氨厂而言,其转化工序能耗占第一位,蒸汽动力系统能耗占第二位,合成工序能耗占第三位。国外开发的各种节能新工艺中,许多节能技术成果用于我国现有合成氨厂的挖潜改造同样有效,现按工序分述如下:4.1采用低水碳比小的k(1)调整一、二段转化炉负荷,使一段炉温降低,燃料天然气用量减少,降耗明显。(2)采用蓄热式或热管式换热器加热助燃空气,使烟道气排放温度从250℃降至120℃,可回收热量1.17GJ/t。(3)采用低水碳比操作,使H2O/C(摩尔比)从3.5降至2.5,H2O/C每降低0.1可节能0.12GJ/t。(4)设置天然气蒸汽饱和器,用水冷激预热后的天然气自产水蒸汽,减少了外供蒸汽。(5)采用新型转化器——管式换热转化炉进行一段转化,取消传统的外部加热式一段转化炉,热能消耗下降。(6)提高转化压力至4.5MPa,每1t可以节能0.191GJ。4.2采用水冷列管式变换炉,以减少蒸汽用量(1)采用低温高活性、适应低汽气比反应的新型催化剂替代传统催化剂,变换炉温降低,从而降低蒸汽用量。(2)采用水冷列管式变换炉,并通过饱和热水器回收变换反应热。(3)中小型合成氨厂,可采用饱和热水塔流程回收部分水蒸汽。4.3采用低能耗化法(1)采用先进的物理吸收法,如我国开发的NHD法(类似于Allied公司的聚乙二醇二甲醚法),脱碳能耗降低。(2)采用改良的化学吸收法,如低能耗本-菲尔法,再生能耗可降低60%。(3)采用活化MDEA法,能耗比低能耗本-菲尔法还低,仅为(3.2-4.25)×104kJ/kmolCO2。4.4增设分子筛变压吸附法(1)采用深冷分离法,在低于-100℃条件下除去惰气并调整氢氮比,使合成回路不需放空。此法与前述二段转化炉加入过量空气的节能措施相配套,亦可脱除过量的氮。(2)采用分子筛变压吸附代替甲烷化,脱除微量CO、CO2、CH4、Ar,简化了净化流程。甲烷排放气可用作一段转化炉燃料,提高热利用率。4.5分子筛干燥入塔的必要性(1)压缩机与循环机分开,避免压缩机内部从循环段向高压段因气体泄漏造成动力损失。(2)提高蒸汽透平效率,在运行操作中维持蒸汽参数的最佳化。(3)采用分子筛干燥入塔氢氮气,以节约压缩机动力。(4)采用燃气透平驱动空气压缩机,可使燃料天然气能耗降低2.093GJ/t。4.6尾气回收系统(1)采用新型节能合成塔,如径向、轴径向、卧式或冷激式塔,氨净值高,热能利用充分,并且压降小,可有效降低压缩机的功耗。(2)采用低温低压高活性Fe-Co系催化剂,操作压力可降到8~10MPa,明显减少了压缩机功耗。(3)采用中空纤维膜分离装置,回收合成尾气中的H2。(4)二级氨冷出口气氨送冰机回收冷量。(5)利用氨合成反应热副产高压蒸汽(凯洛格、布朗、ICI工艺共同的特点)。4.7合成氨装置与合成氨装置的联合(1)合成氨与合成尿素装置的联合合成尿素的原料氨全部来自氨合成系统,冷冻系统的负荷降低,动力消耗亦减少;同时将尿素与合成氨装置的蒸汽系统联合“捆绑”,实现节能降耗。(2)合成氨与合成甲醇装置的联合用天然气制甲醇会出现过量的氢,将其输入合成氨系统,在二段转化炉中用过量空气补充氮。另外,氨—甲醇联合装置可将合成氨系统多余的CO2供给合成甲醇系统进行组分调节,从而减少甲醇装置的排放气量。5中小型合成氨厂发展的节能技术跨入21世纪,我国合成氨年产量已超过3000万t,从生产能力到总产量都位居世界第一。其中,以天然气为原料的30多家大型合成氨装置,因其产量高、能耗低成为我国合成氨生产的主力军。通过对引进技术的消化吸收和知识创新,我国已掌握了具有世界先进水平的合成氨工艺与技术,同时也促进了中小型合成氨厂的技术进步。根据我国国情,目前还不能用大型厂取代所有的小型厂,在相当一段时期,仍然是大、中、小厂并存的状况。所以,对中、小型厂还需很好地加以利用和进行技术改造,尤其对以煤为原料的中、小型厂,节煤节电是节能关键。在过去的近10年间,已有400多家中、小型厂采用蒸汽自给节能技术,吨氨能耗有降至44.25GJ的,平均下降了约12%,节能效果显著。近年来,合成氨净化