等压合成氨工艺节能计算

等压合成氨工艺节能计算

单月惠1,孙南屏1,李相军2,孙纪念3

(杭州龙山化工有限公司,浙江杭州 3北京清创晋华科技有限公司,北京 11.11228;2.00084;)安阳化学工业集团有限责任公司,河南安阳 43.55000

摘要:我国合成氨工业现有工艺中有3氨合成系统压力高、能耗高,环境5%是固定层间歇煤气化,差,这些企业最终要更新工艺路线。提出设计煤气化与氨合成等压,取消氢氮气压缩机,目前条件已基本上具备。开发等压合成氨需要两个基本条件:高活性低温低压氨合成催化剂;与高效催化剂匹配的低压工艺。当水煤浆在8.采用Z7MPa制气时,A-5催化剂实现7.5MPa的等压合成

氨工艺是完全可行的

关键词:等压合成;合成氨;节能;水煤浆;计算

()中图分类号:TQ113.26 文献标识码:B 文章编号:1005-8370201906-28-03

它的转型 合成氨工业是不可替代的传统工业,

升级节能减排只能且必须通过技术进步不断降低能耗;我国合成氨工业现有工艺,压力高、能耗高,不符合合成氨工业的发展方向。本文提出设计等压合成氨是合成氨工业发展方向,目前条件已成熟。

1.1 气化流程特点

水煤浆加压气化技术是当前世界上已工业化较。先进的气化技术,气化压力可高达8.7MPa

本工艺以水煤浆和纯氧为原料,在高温、高压、

非催化条件下进行部分氧化反应,生成以CO和H2为主要组分的粗合成气。该煤气化装置不产生焦油、萘、酚等污染物,并且可以燃烧有机废水。1.2 变换流程特点

变换工序的作用是将煤气化来的水煤气中的一——氢气。氧化碳转化成生产合成氨的原料气之一—自气化送来的水煤气中一氧化碳与水蒸汽在变换催化剂的作用下发生变换反应转化成氢和二氧化碳,变换气最终一氧化碳含量为≤0.同时将大部分5%,的有机硫转化成无机硫后变换气被送至低温甲醇洗工段。

、汽(或过热)1.4MPaG饱和蒸汽、0.4MPaG饱和

1 工艺部分介绍

)对原料路线进行改造,由原无烟块煤改为烟1

煤。

535~570℃蒸汽动力为主。

)水煤浆气化清洁环保、易于大规模化、投资2

、动力结构由电力变为煤气化副产16.5MPa

少、占地少、安全性好等特点。且可以处理其他系统产生的难以处理的有机污水。

)取消氨合成工序的原料气压缩机,实现煤气3

化与氨合成等压。

换;低温甲醇洗;液氮洗;氨合成。该流程与传统的工艺比较,具有节能、清洁环保、安全、技术先进、安全上采用集中优化控制等特点。

→耐硫变换→低温甲醇洗→液氮洗→低压7.7MPa氨合成、硫磺制酸、氨回收等工序组成。

利用变换反应热,分别产生3.9MPaG饱和蒸

工艺流程主要分为5个工序:空分配煤气化;变

蒸汽,供联碱、硝酸、尿素等各系统使用。

1.3 低温甲醇洗部分

低温甲醇洗的主要任务是脱除变换气中的总硫含量低于0.CO0pm,1pm。离pp2含量低于1

由空分(制氧)→水煤浆8.7MPa气流床气化

H2S、COS、CO2等杂质气体。一般要求净化气中

开低温甲醇洗的净化气继续送往液氮洗工段,最终得到满足合成氨要求的合成气。

等:等压合成氨工艺节能计算2019年第6期 单月惠,1.4 液氮洗部分

液氮洗的主要任务是对工艺气体进行最终净化,除去对氨合成催化剂有害的CO和CO2组分,同时也除去CH4和A并进行配氮,使r等其它杂质;

合成气中的氢氮比达到合成氨要求的3∶1。液氮洗与低温甲醇洗综合考虑冷量利用,保证了系统冷量的有效回收。

完全除去来自低温甲醇洗装置的净化气中的CO、

采用液氮洗工艺净化度高,在低温状态下可以

292.1.2 计算其热效率

、汽轮机排出3.5MPa300.8℃蒸汽重新回气

//·K16.5MPa 570℃ H3=3490kJl S6.5kJkgg3=

化炉再热,再热后温度仍为570℃。

3.5MPa3.5MPa

//·K300.8℃ H4=2962kJk S4=6.4kJkgg

并配入氮气,使合成气的组成满足H2COCH4等,2、

VL,/,蒸汽H3饱和液体熵S3k59kJkgg'=25'=

V/·K,/·K。0.472kJkS38.4kJkgg'=

/饱和液体H3P=5kPa时,36kJ'=H6=1

//·K570℃ H5=3635kJk S5=7.35kJkgg

L/·K由S5S5=7.35kJkg'=

可得再热后膨胀终点的干度X为:

∶N气体损失2=3∶,1氨合成回路压缩功耗也较低,因而在合成回路中无弛放。

气,减少了.5 氨合成部分

氨合成采用浙江工业大学博士研究生导师,刘化章教授的超低压氨合成技术,如对年产,选用φ3000氨合成塔,工作压力25万t合成氨合成反应热产生3.9供联碱和硝酸7.7MPa,氨使用。

MPa饱和蒸汽,

氨合成装置的主要任务是将净化后的氨合成气转化为产品氨,将氨从合成气中分离并将液氨产品送往氨库贮存,以满足后续生产的原料供应,同时,将分离出液氨的合成气送往合成压缩工段增压后返回合成装置。来自液氮洗工段的合成新鲜气(℃,7.8化剂150MPma3

。

进入合成系统。合成塔φ3200,

装3催0

) 煤气化部分节能计算

根据新型低压合成氨催化剂成功运用,并结合水煤浆加压气化的压力高、能量集中容易回收等优势,将两者完美结合起来,设置的加压气化炉、气化副产8.7MPa水煤浆

MPa535~57010.0MPa540℃或17.0

1 按亚临界参数定热电设计及发电计算

℃高压过热蒸汽。

.计算条件:气化炉副产蒸汽压力进汽轮机M16.5

.P1a.1,蒸汽温度570℃,乏汽压力为5kPa。P 求汽轮机排出3=16.5MPa,P3.5MPa蒸汽的温度T,T4

T8443=570+273=3=3K

.5MPa

8433//TT4=(P3/P4)

K-1/K得T=4=57(/)0.33/1.33

4316.9.5K=3.3500.8℃。

X5'H=5'(==25'7==.3(S2525H55-'-398×3'V0S.10X.4.85'73'L6+2))75H//((S3'V-S3'L))6+3'8L.13(41-6-0(1X.4-5'70)

2=0.86756.86756

)则再热循环的理论热效率为kJ/kg

:

+(Hη(H3-H4)+(H5-H5')]/[(H32-.113.36=5=-[

)[+(H3同条件下(4439)60]-H6)35--229,

96622))+]=(3063.4578

-2238.1)]/[(3490η'=W1式中,H/无再热的循环热效率Q1=(H3-H3')/(H3-H6)3求出无再热时膨胀终点的干度'=H3'VX3'+H3'LX(')

X3'1-:

X3,故需先=3'=(S3-S3'L)/(S3'V-S3'L则(=H6.35'=

-205.45792×)/0(.876.403-+01.43762)()1-=00..77660033

)η'1=9(7384.920k-J/1k9g

78.2)/(3490-136)=0.4507(循环热效率提高值为:

2.1.4η -η')/η'=采用再热循环的蒸汽发电量计算

(0.478-0.4507)/0.4507=6.1%每产一度电所消耗蒸汽量:

d==3600/W/[(]=3或每产一16.0807/k[g

(吨/34=(93k06W-0·20962H)+3-H4)+(H5-H)5'])

h)(3635-2238.1

蒸汽,

量为1000kg/1.1867.k5/M(PkaW5·70h)℃理论发电g

=5352.1.5 节能合计

kW·h目前实际亚临界蒸汽按量汽耗率2.9056kg

/(kW·h16).,5也就是吨汽输出功MPa540℃发电

122230高压水煤浆辐射式废锅吨氨副产蒸汽344kW·h,

,相当于吨氨发电5电价按0.1.5t16kW·h,65

纯 碱 工 业

7.5MPa下,ZA-5催化剂的出口氨浓度15.4%~

氨净值为1可以满足合成15.8%,1.7%~13.2%,氨工业经济性对氨净值(大于8.的要求。(在4%)

节电部分年效益0.25万t合成氨能力,84亿元。

2.2 低压氨合成部分

元/千瓦时计,吨氨副产蒸汽效益为335元。按年产7.0~7.5MPa下,ZA-5催化剂的出口氨浓度1氨净值为1可5.4%~15.8%,1.7%~13.2%,以满足合成氨工业经济性对氨净值(大于8.的4%)/要求。按2取消原料气压缩5万ta合成氨装置,8.5MPa或10MPa合成工艺条件下,ZA-5催化

剂的出口氨浓度1氨净值可达17.6%~18.2%,3.)8%~14.2%。

3 问题讨论

机,,节电与固定床煤气炉装置比较为吨氨电价按850kW·

.3 节约压缩机的循环冷却水

.038.65元/千瓦时计,吨氨节电亿元。

552元,年节电效益1目前固定床煤气炉配氨合成系统的压力一段在气甲烷和氩0MPa。循环气甲烷和氩气气,系统压力折算18在%~152M0P%a,

左扣除循环右。为

了计算方便,按纯氮气计,氮的等压热容表示为:

Cp压缩到=4.11854(6∫M.6P6a+最终温度设为1.02×10-3

T)TkJ/(2:

kmol

·K)2T92

8.154.184T.66+1.02×10-3

T∫

15100

000

RPdP 6=0

dT-即:4.1􀪁􀪁846􀭠-8􀭡.66×ln 29T82.15

+1.02×10-3

(T2-298.􀪁􀪁5

)􀭤.3􀭥

迭代法求解14ln150=0

,得T2缩机每节平均温升144=℃1)

1。63K=890℃(

六级压(按330025万万kCta/a合成氨,节约冷却热l/)。相当于配套7013803

0万kJ

/,年节约h.4 小 结

400万元。

00m/h循环水装置省掉以上三项合计年节电为低压合成氨是合成氨工业发展方向2.26亿元。

,浙江工业

大学刘化章老师从上世纪70代开始一直致力于合成氨催化基础理论研究和催化剂的创新开发,已开发成功7.0MPa低温低压氨合成催化剂。7.0~

提高蒸汽的初参数(压力、温度)后,因循环的热效率增加而使电厂的运行费用下降,因而现代蒸汽动力循环都朝着高参数,大容量的方向发展。但是蒸汽初压的提高将引起乏汽干度的下降,为了解决应用高参数蒸汽后乏汽湿度太大的矛盾,故采用蒸汽再热循环,走再热循环使每千克蒸汽的做功量增加,因而其汽耗率降低,这使得通过设备的工质的质量流量减少,从而减轻了水泵和冷凝器的负担。故高压水煤浆副产蒸汽建议往17.0MPa535~57013.5MPa540℃或

浙江工业大学开发低压合成氨工艺的必要条件

℃方向开发。

之一———低压催化剂,已经成功。作为世界上先进的ZA-5催化剂,

以前缺少的仅仅是与其相配套的新工艺。而现在清华大学已成功实现8.7煤浆加压气化并副产蒸汽驱动空分装置压缩机MPa水

,这次对合成氨的等压改造是具有革命性的理论和现实意义,推广势在必行。参考文献

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.化工热力学[M].北京:清华大学出版[[23]] 朱自强 景朝晖.化工热力学[.热工理论及应用M].北京:化学工业出版社,[M].

北京:中国电力出版社1991

,2006收稿日期:作者简介:2单月惠019-0(919-6231

—),1985年毕业于浙江大学,高级工程师,现任杭州龙山化工有限公司董事长兼总经理,从事化学工程设计管理30多年,

发表论文多篇。22h2h