8.4.2 合成氨生产工艺流程简述
1.天然气脱硫及蒸汽转化
常温下的天然气经过预热器(141-C)加热,温度达到45℃,然后进入活性炭脱硫槽(101-DA);经过压缩机(102-J)压缩,压力从1.80 MPa升至3.86 MPa,温度升至130℃;经过一段转化炉中部分余热加热,温度升至216℃;经过Co-Mo加氢和氧化锌脱硫槽(108-D),硫含量(AR4)降至0.5 ppm以下。在天然气中加入中压蒸汽,水碳比为3.5～4∶1,经过一段转化炉中部分余热加热,温度升至460.5℃,然后进入一段转化炉的辐射段(101-B)顶部,被分配进入各反应管,从上而下流经催化剂床层。气体在反应管内进行蒸汽转化反应,从各反应管出来的气体由底部汇集到集气管,再沿集气管中间的上升管上升,温度升到800℃左右,甲烷含量(AR1_4)降至10%以下,然后送去二段转化炉。合成氨生产转化工段脱硫工序DCS图和现场图分别如图8-5和图8-6所示。
图8-3 合成氨生产净化工段工艺流程图
图8-4 合成氨生产合成工段工艺流程图
图8-5 合成氨生产转化工段脱硫工序DCS图
图8-6 合成氨生产转化工段脱硫工序现场图
2.一段转化炉燃料气系统
天然气既是转化工段的化工原料,又是一段转化炉(101-B)和辅助锅炉(101-BU)的燃料。从天然气增压站来的燃料气经压力记录控制调节阀(PRC34)调压后,进入对流段第一组燃料预热盘管预热。预热后的天然气,一路进入一段转化炉辅助锅炉(101-UB)的三个燃烧嘴(DO121～DO123),流量由FRC1002控制。在FRC1002之前有一开工旁路,流入辅助锅炉的点火总管(DO124～DO126)的压力由PCV36控制。另一路进入对流段第二组燃料预热盘管预热,预热后的燃料气作为一段转化炉的8个烟道烧嘴(DO113～DO120)、72个顶部烧嘴(DO001～DO072)及对流段的20个过热烧嘴(DO073～DO092)的燃料。去烟道烧嘴气量由MIC10控制,顶部烧嘴气量分别由MIC1～MIC9控制,过热烧嘴气量由FIC1237控制。反应管竖排在一段转化炉的炉膛内,管内装有催化剂,含烃气体和蒸汽的混合物由炉顶进入并自上而下进行反应。管外炉膛设有烧嘴,燃烧产生的热量以辐射方式传给管壁。燃烧天然气从辐射段顶部喷嘴喷入并燃烧,烟道气的流动方向自上而下,与管内的气体流向一致。合成氨生产转化工段一段转化炉燃料气系统DCS图和现场图分别如图8-7和图8-8所示。
图8-7 合成氨生产转化工段一段转化炉燃料气系统DCS图
3.一段转化炉转化系统
离开一段转化炉辐射段的烟道气的温度高达1 000℃以上,进入对流段后,依次流过混合气、空气、蒸汽、原料天然气、锅炉水和燃烧天然气的各个盘管,当温度降到250℃时,用排风机(101-BJ)排往大气。为了平衡全厂蒸汽用量,设置一台辅助锅炉,也是以天然气为燃料,产生的烟道气在一段转化炉对流段的中央位置加入,因此与一段转化炉共用一半对流段、一台排风机和一个烟囱。辅助锅炉和几台废热锅炉共用一个蒸汽包(101-F),产生10.5 MPa的高压蒸汽。合成氨生产转化工段一段转化炉转化系统DCS图和现场图分别如图8-9和图8-10所示。
4.二段转化及变换
图8-8 合成氨生产转化工段一段转化炉燃料气系统现场图
图8-9 合成氨生产转化工段一段转化炉转化系统DCS图
图8-10 合成氨生产转化工段一段转化炉转化系统现场图
当空气经过加压到压力为3.3～2.5 MPa时,配入少量蒸汽,并在一段转化炉的对流段预热到450℃左右,先进入二段转化炉顶部与一段转化气汇合并燃烧,使温度升至1 200℃左右,再通过催化剂床层。出二段转化炉的气体温度约为1 000℃,压力为3 MPa,残余甲烷含量(AR1_3)在0.3%以下。从二段转化炉出来的转化气按顺序进入两台串联的废热锅炉,以回收热量并产生蒸汽。从第二废热锅炉出来的气体温度约为370℃,送往变换工序。天然气蒸汽转化制得的转化气中含有CO,含量一般为12%～14%。CO不是合成氨生产所需要的直接原料,而且在一定条件下还会与合成氨的铁系催化剂发生反应,导致催化剂失活,因此在原料气使用之前,必须将CO清除。清除CO分两步进行:第一步,大部分CO通过高温或中温固定床反应器(104-DA),经过高温变换反应,CO含量(AR9)降至3%以下;第二步,CO通过低温固定床反应器(104-DB),经过低温变换反应,CO含量(AR10)降至0.3%左右。合成氨生产转化工段二段转化及高低变换DCS图和现场图分别如图8-11和图8-12所示。
5.蒸汽系统
当合成氨生产装置开车时,将从外界引入3.8 MPa、327℃的中压蒸汽约50 t/h。辅助锅炉和废热锅炉所用的脱盐水从水处理车间引入,用并联的低变出口气加热器(106-C)和甲烷化出口气加热器(134-C)预热到100℃左右,然后进入除氧器(101-U)脱氧段。在脱氧段用低压蒸汽脱除水中溶解氧后,在储水段加入二甲基酮肟除去残余溶解氧,最终溶解氧含量小于7 ppb。
向除氧水中加入氨水调节p H至8.5～9.2,经锅炉给水泵(104-J/JA/JB),以及并联的合成气加热器(123-C)、甲烷化气加热器(114-C)及一段转化炉对流段低温段锅炉给水预热盘管加热到295℃(TI1_44)左右进入蒸汽包(101-F)。同时在蒸汽包中加入磷酸盐溶液,蒸汽包底部水经一段转化炉对流段低温段废热锅炉(101-CA/CB)及辅助锅炉(102-C、103-C)加热部分汽化后进入蒸汽包。经蒸汽包分离出的饱和蒸汽在一段转化炉对流段过热后送至汽提罐(103-JAT),经103-JAT抽出3.8 MPa、327℃的中压蒸汽以供各中压蒸汽用户使用。当103-JAT停运时,高压蒸汽经减压后全部进入中压蒸汽管网,中压蒸汽一部分供工艺工序使用,一部分供凝汽透平使用,其余供背压透平使用,并产生低压蒸汽,主要供蒸汽煮沸器(111-C)、除氧器(101-U)使用,其余为伴热使用。合成氨生产转化工段蒸汽系统DCS图和现场图分别如图8-13和图8-14所示。
图8-11 合成氨生产转化工段二段转化及高低变换DCS图
图8-12 合成氨生产转化工段二段转化及高低变换现场图
6.脱碳系统
图8-13 合成氨生产转化工段蒸汽系统DCS图
图8-14 合成氨生产转化工段蒸汽系统现场图
工艺气中大部分CO2是在CO2吸收塔(101-E)中用活化N-甲基二乙醇胺(a-MDEA)溶液进行逆流吸收脱除的。从低温变换炉(104-D)出来的变换气(温度为60℃、压力为2.799 MPa)经变换气分离器(102-F)将其中大部分水分除去后,进入CO2吸收塔(101-E)下部的分布器。气体在塔内向上流动穿过塔内塔板,使工艺气与塔顶的自上而下流动的贫液[解吸了CO2的a-MDEA溶液,温度为40℃(TI_24)]充分接触,以脱除工艺气所含CO2,再经塔顶洗涤段除沫层后出塔。出CO2吸收塔(101-E)的净化气去往净化气分离器(121-F),在管路上由喷射器喷入从变换气分离器(102-F)来的变换冷凝液[由流量调节器(FICA17)控制],经过一步洗涤,净化后的气体(温度为44℃、压力为2.764 MPa)去甲烷化工序(106-D),液体与变换冷凝液汇合液由液位控制器(LICA26)调节去工艺冷凝液处理装置。
从CO2吸收塔(101-E)出来的富液(吸收了CO2的a-MDEA溶液)先经溶液换热器(109-CB1/2),再经溶液换热器(109-CA1/2),被从CO2汽提塔(102-E,为筛板塔,共10块塔板)出来的贫液加热至105℃(TI109),由液位调节器(LIC4)控制进入CO2汽提塔(102-E)顶部的闪蒸段。首先闪蒸出一部分CO2,然后向下流经CO2汽提塔(102-E)汽提段,与自下而上流动的蒸汽汽提再生。再生后的溶液依次进入变换气煮沸器(105-CA/B)、蒸汽煮沸器(111-C),经煮沸成气液混合物后返回CO2汽提塔(102-E)下部的汽提段,气相部分作为汽提用气,液相部分从底部出塔。(https://www.daowen.com)
从CO2汽提塔(102-E)底部出来的热贫液先经溶液换热器(109-CA1/2)与富液换热降温后进入贫液泵(107-JA/JB/JC)升压,再经溶液换热器(109-CB1/2)进一步冷却降温和经溶液过滤器(101-L)除沫后进入溶液冷却器(108-CB1/2),被循环水冷却至40℃(TI1_24)后进入CO 2吸收塔(101-E)上部。
从CO2汽提塔(102-E)顶部出来的CO2通过CO2汽提塔回流罐(103-F)除沫后从塔顶出去,或者送入尿素装置或者放空,压力由压力指示报警调节控制阀(PICA89或PICA24)控制。分离出来的冷凝水由回流泵(108-J/JA)升压后,经流量调节器(FICA15)控制返回CO2吸收塔(101-E)的上部。CO 2汽提塔回流罐(103-F)的液位由LICA5及补入的工艺冷凝液(VV043支路)控制。合成氨生产净化工段脱碳系统DCS图和现场图分别如图8-15和图8-16所示。
图8-15 合成氨生产净化工段脱碳系统DCS图
7.甲烷化系统
图8-16 合成氨生产净化工段脱碳系统现场图
甲烷化系统的原料气来自脱碳系统,该原料气先后经合成气-脱碳气换热器(136-C)预热至117.5℃(TI104)、高变气-脱碳气换热器(104-C)加热到316℃(TI105)后进入甲烷化炉(106-D),炉内装有18 m3、J-105型镍催化剂。气体自上部进入甲烷化炉(106-D),气体中的CO和CO2与H 2反应生成CH 4和H 2 O。系统内的压力由压力控制器(PIC5)调节。甲烷化炉(106-D)的出口温度为363℃(TIAI1002 A),甲烷化气依次经锅炉给水预热器(114-C)、甲烷化气脱盐水预热器(134-C)和水冷器(115-C)后温度降至40℃(TI139),其中CO(AR2_1)和CO2(AR2_2)含量降至10 ppm以下,随后进入合成气压缩机吸收罐(104-F)进行气液分离。合成氨生产净化工段甲烷化系统DCS图和现场图分别如图8-17和图8-18所示。
8.冷凝液回收系统
从低温变换炉(104-D)来的工艺气的温度为260℃(TI130),经变换气分离器(102-F)底部冷凝液淬冷,再经换热器(105-C)、低变出口气加热器(106-C)换热至60℃后,进入变换气分离器(102-F),其中工艺气所带的水分沉积下来,脱水后的工艺气进入CO2吸收塔(101-E)以脱除CO2。由变换气分离器(102-F)来的水一部分进入CO2汽提塔回流罐(103-F),一部分经换热器(E66401)换热后进入蒸汽包阀门(C66401)。由管网来的327℃(TI143)的蒸汽进入C66401的底部,塔顶产生的气体进入蒸汽系统,底部液体经换热器(E66401、E66402)换热后排出。合成氨生产净化工段冷凝液回收系统DCS图和现场图分别如图8-19和图8-20所示。
9.合成系统
图8-17 合成氨生产净化工段甲烷化系统DCS图
图8-18 合成氨生产净化工段甲烷化系统现场图
图8-19 合成氨生产净化工段冷凝液回收系统DCS图
图8-20 合成氨生产净化工段冷凝液回收系统现场图
从甲烷化反应器(106-D)来的新鲜气[温度为40℃,压力为2.6 MPa;n(H 2)∶n(N2)=3∶1]经过压缩前分离罐(104-F)进入合成气压缩机(103-J)低压段,低压缸将新鲜气压缩到合成所需要的最终压力的二分之一左右。出低压段的新鲜气先经低变出口气加热器(106-C)用甲烷化进料气冷却至93.3℃,再经水冷器(116-C)冷却至38℃,然后经氨冷器(129-C)冷却至7℃,最后与回收来的氢气混合进入中间分离罐(105-F),出来的氢氮混合气再进入合成气压缩机(103-J)高压段。
合成回路来的循环气与经高压段压缩后的氢氮混合气混合后进入压缩机(103-J)循环段,从循环段出来的合成气进入合成系统水冷器(124-C)。高压合成气自最终冷却器(124-C)出来后,分两路继续冷却:一路串联通过原料气和循环气一级和二级氨冷器(117-C、118-C)的管侧,冷却介质都是冷冻用液氨;另一路通过就地的节流阀(MIC23)后,在合成塔进气-新鲜气和循环气换热器(120-C)的壳侧冷却。两路汇合后,又在新鲜气和循环气三级氨冷器(119-C)中,用自三级液氨闪蒸槽(112-F)来的冷冻用液氨进行冷却,冷却至-23.3℃。冷却后的气体经过水平分布管进入高压氨分离器(106-F),在前几个氨冷器中冷凝下来的循环气中的氨在其中分离,分离出来的液氨送往中间闪蒸槽(107-F)。随后,循环气首先进入合成塔进气-新鲜气和循环气换热器(120-C)的管侧,从壳侧的工艺气中取得热量,然后进入合成塔进气-出气换热器(121-C)的管侧,最终由分流器(HCV-11)控制进入合成塔(105-D)。在合成塔进气-出气换热器(121-C)管侧的出口处分析气体成分。
SP-35是专门的双向降爆板装置,用来保护合成塔进气-出气换热器(121-C),防止其一侧泄压导致压差过大而引起破坏。
合成塔进口气从合成塔(105-D)的塔底进入,经由MIC-13直接到第一层催化剂的入口,用以控制该处的温度。这一近路有一个冷激管线,和两个进层间换热器付线可以控制第二层、第三层的入口温度,必要时可以分别用MIC-14～MIC-16进行调节。气体经过最底层催化剂后,自下而上地把气体导入内部换热器的管侧,把热量传给进来的气体,再由合成塔(105-D)的顶部出口引出。
合成塔出口气首先进入合成塔-锅炉给水换热器(123-C)的管侧,把热量传给锅炉给水,接着在壳侧与合成塔进口气换热而进一步被冷却,最后回到合成气压缩机(103-J)高压缸循环段(最后一个叶轮)而完成了整个合成回路。
合成塔出来的气体中有一部分是从高压吹出气分离缸(108-F)经MIC-18调节并用FI-63指示流量后,送往氢回收装置或送往一段转化炉燃料气系统的。从合成回路中排出气是为了控制气体中的甲烷和氩的浓度,甲烷和氩在系统中积累多了会使氨的合成率降低。吹出气在进入分离罐(108-F)前先在氨冷器(125-C)中冷却,由分离罐(108-F)分离出的液氨送往中间闪蒸槽(107-F)回收。
合成塔(105-D)备有一台开工加热炉(102-B),它是用于开工时把合成塔(105-D)引温至反应温度,其中的原料气流量由FI-62指示。另外,它还设有一低流量报警器(FAL-85)与FI-62配合使用,MIC-17调节开工加热炉(102-B)的燃料气量。合成氨生产合成工段合成系统DCS图和现场图分别如图8-21和图8-22所示。
10.冷冻系统
图8-21 合成氨生产合成工段合成系统DCS图
图8-22 合成氨生产合成工段合成系统现场图
合成系统来的液氨进入中间闪蒸槽(107-F),闪蒸出的不凝性气体通过PICA8排出,作为燃料气被送入一段转化炉燃烧。107-F装有液面指示器(LICA12)。液氨在减压后由液位调节器(LICA12)调节进入三级闪蒸罐(112-F)进行进一步闪蒸,闪蒸后作为冷冻用液氨进入系统中。冷冻的一、二、三级闪蒸罐的操作压力分别为0.4 MPa、0.16 MPa、0.002 8 MPa,三台闪蒸罐与合成系统中的一、二、三级氨冷器相对应,它们是按热虹吸原理进行冷冻蒸发循环操作的。液氨由各闪蒸罐流入对应的氨冷器,吸热后的液氨蒸发形成的气液混合物又回到各闪蒸罐进行气液分离,气氨分别进入氨压缩机(105-J)各段气缸,液氨分别进入各氨冷器。
从液氨接收槽(109-F)来的液氨经逐级减压后补入各闪蒸罐。一级闪蒸罐(110-F)出来的液氨除送往一级氨冷器(117-C)外,另一部分作为合成气压缩机(103-J)的一段出口氨冷器(129-C)和闪蒸罐氨冷器(126-C)的冷源。氨冷器(129-C、126-C)蒸发的气氨进入二级闪蒸罐(111-F),一级闪蒸罐(110-F)多余的液氨送往二级闪蒸罐(111-F)。二级闪蒸罐(111-F)出来的液氨除送往二级氨冷器(118-C)和弛放气氨冷器(125-C)作为冷冻剂外,其余部分送往三级闪蒸罐(112-F)。三级闪蒸罐(112-F)出来的液氨除送往三级氨冷器(119-C)外,还可以作为冷氨产品由冷氨产品泵(109-J)送往液氨贮槽贮存。
从三级闪蒸罐(112-F)出来的气氨进入氨压缩机(105-J)一段压缩,一段出口气氨与二级闪蒸罐(111-F)来的气氨汇合后进入二段压缩。二段出口气氨先经压缩机中间冷却器(128-C)冷却后,再与二级闪蒸罐(110-F)来的气氨汇合进入三段压缩。三段出口气氨经过氨冷凝器(127-CA/CB),冷凝的液氨进入接收槽(109-F)。接收槽(109-F)中的闪蒸气去闪蒸罐氨冷器(126-C),冷凝分离出来的液氨流回接收槽(109-F),不凝气作为燃料气送至一段转化炉进行燃烧。接收槽(109-F)中的液氨一部分在减压后送至一级闪蒸罐(110-F),另一部分作为热氨产品经热氨产品泵(1-3P-1/2)送往尿素装置。合成氨生产合成工段冷冻系统DCS图和现场图分别如图8-23和图8-24所示。
图8-23 合成氨生产合成工段冷冻系统DCS图
图8-24 合成氨生产合成工段冷冻系统现场图