合成氨工艺总结

合成氨发展的三个典型特点：1. 生产规模大型化 2. 能量的合理利用。用过程余热自产蒸汽推动蒸汽机供动力，基本不用电能3. 高度自动化

Chp2. 原料气的制取

2.1 固体燃料气化法

氢气的主要来源有：气态烃类转化、固体燃料气化和重质烃类转化。

煤气化技术装置的分类：（1）固定床气化（2）流化床气化（3）气流床气化

固定床气化：UGI炉，鲁奇（Lurgi）炉和液态排渣的鲁奇炉

流化床气化：Winkler气化炉；Lurgi循环流化床气化炉；U-Gas灰团聚流化床气化炉

气流床气化：常压气流床粉煤气化即Koppers-Totzek（柯柏斯-托切克，简称K-T）炉；水煤浆加压气化，即Texaco（德士古）炉和Destec（现E-Gas）炉；粉煤加压气化，即SCGP（Shell 煤气化工艺）。

固定床间歇制气：采用间歇法造气时，空气和蒸汽交替通入煤气发生炉。通入空气的过程称为吹风，制得的煤气叫空气煤气；通入水蒸气的过程称为制气，制得的煤气叫水煤气；空气煤气与水煤气的混合物称为半水煤气。

间歇式制半水煤气流程：a．空气吹风b．上吹制气c．下吹制气d．二次上吹e．空气吹净

德士古气化装置包括煤浆制备、气化、灰水处理。煤浆气化采用德士古水煤浆加压气化的激冷流程。

气化工段关键设备

气化炉（参见p56图1-2-39）

气化炉分上下两部分，上部为燃烧室，燃烧室内安装三层耐火砖用来防止炉壁烧坏；下部为激冷室。从燃烧室出来的工艺气通过下降管进入激冷室，激冷室上部有激冷环，下部下降管浸入水中，工艺气在水中冷激。气化炉是德士古装置核心设备。

碳洗塔的作用是洗涤从气化炉来的粗煤气，除去粗煤气中的含杂的灰分以及可容水的反应副产物，保证干净、含灰分少的粗煤气送到下一工段进行使用。

碳洗塔下部主要作用是洗涤，碳洗塔合成气入口管线伸入水下，粗煤气进入碳洗塔水下后，经过塔内灰水的洗涤再进入上部；碳洗塔上部有塔盘，采用筛板结构，用来对合成气进行可溶性气体以及灰分进行吸收。

碳洗塔是德士古气化装置中，一个非常重要的中间过程装置。

从气化炉出来的粗煤气经过碳洗塔的洗涤送到变换岗位，进行变换反应，或者送到火炬管线进行放空，所有这就对碳洗塔液位的稳定要求很高，碳洗塔液位高了，容易将水带到火炬管线中去；碳洗塔液位低，就会影响粗煤气的洗涤效果，会影响到变换炉的运行。所有对碳洗塔的液位控制是尤为的重要，特别是开停车的时候，液位控制高会将水带入火炬系统，会导致火炬喷水甚至火炬管线以及火炬的倒塌。

工艺烧嘴是三层环隙结构，从高压煤浆泵送来的煤浆走中间环隙进入气化炉，从空分送来的氧气从外环隙和中心环隙进入气化炉。烧嘴将这两种介质送入气化炉并将它们雾化，提高反应效率和原料的利用率。

2.2 烃类蒸汽转化法

烃类蒸汽转化法应用最多的是加压两段催化转化法。

天然气转化前必须先脱硫。

通常水碳比大于2 可保证不析碳。

催化剂组成：NiO为最主要活性成份。实际加速反应的活性成份是Ni，所以使用前必须进行还原反应，使氧化态变成还原态Ni。

转化催化剂的有害成份：S，As,卤素等。转化反应前必须脱硫。通常反应温度在1000℃左右，所以硫砷及卤素含量要小于0.5ppm。

2.2.3 甲烷蒸汽转化的生产方式

为什么用二段转化方式？

转化率高必须转化温度高，全部用很高温度，设备和过程控制都不利，设备费用和操作费用都高。采用二段方式，一段温度只在800°C左右，对合金钢管要求低，材料费用降低。在二段才通入空气，使与一段的H2反应产生高温，保证二段中转化较为完全。

凯洛格法典型流程如图所示。分析特点和热充分利用、能量质量合理安排等。

4. 主要设备

一段转化炉

是烃类蒸汽转化的关键设备之一。它由对流段和辐射段组成。

二段转化炉

燃烧之前，转化气与空气必须充分混合，以避免局部过热而损坏炉体。因而通入的空气先要经一空气分布器。

Chp3 原料气的净化

原料气的净化包括脱硫，变换，脱碳, 气体的精制。

脱硫

工业脱硫方法很多，分为干法和湿法两种。前者是用固体脱硫剂(如氧化锌、活性炭、分子筛等)将气体中的硫化物除掉；后者用碱性物质或氧化剂的水溶液即脱硫剂(如氨水法、碳酸盐法、乙醇胺法、蒽醌二磺酸钠法及砷碱法等)吸收气体中的硫化物。

干法脱硫优点是既能脱无机硫，又能脱有机硫，可把硫脱至极微量。缺点是脱硫剂不能再生，故只能周期性操作，不适于脱除大量硫化物。

湿法采用液体脱硫，便于再生并能回收硫，易于构成连续脱硫循环系统，可用较小的设备脱大量硫化物。缺点是对有机硫脱除能力差，净化度不如干法高。

脱碳

脱除CO2的方法很多，工业上常用的是溶液吸收法，分为物理吸收法、化学吸收法和物理化学吸收法。

物理吸收是利用CO2能溶于水和有机溶剂的特点。常用的有加压水洗、低温甲醇洗涤等。化学吸收是用氨水、有机胺或碳酸钾的碱性溶液为吸收剂，利用CO2能与溶液中的碱性物质进行化学反应而将其吸收。大中型厂多采用改良热碱法，此法以K2CO3水溶液为吸收液，并添加少量活化剂如氨基乙酸或乙二醇胺。

3.1 原料气的脱硫

干法脱硫一般适用于含S量较少的情况。湿法脱硫一般适用于含S量较大的场合。

干法脱硫主要有氧化锌法、钴钼加氢法、氢氧化铁法、活性碳法等。

3.2 一氧化碳变换

为了取长补短，工业上采用中变低变串联的流程。压力对平衡无影响。变换是在常压下进行的。增大压力可加快反应速度，减少催化剂用量和反应设备体积，并可降低能耗。加压变换的缺点是设备腐蚀严重。

中变(高变)催化剂

中变催化剂一般用铁铬催化剂，活性成份是Fe3O4，因此催化剂使用前要还原。

低变催化剂

低变催化剂一般用铜催化剂。其主要成份为：CuO 等。活性成份为单质铜，使用前也要还原

宽温区耐硫钴钼催化剂

中变反应温升大，通常采用分段式，如图实际工作曲线围绕最佳温度线。低变反应由于反应量较少，温升不是很大，所以多以一段进行。

水碳比一般为3.0-5.0。

3.2.5 变换反应的工艺流程

1.中低变串联流程此法一般与烃类蒸汽转化及变换后用甲烷化法脱除少量CO法联合使用。

2.多段变换流程适用于CO含量高，如半水煤气为原料气的情况。

3.3 二氧化碳的脱除

3.3.1 本菲尔法脱碳

本菲尔法即二乙醇胺热钾碱法。

热钾碱法以K2CO3水溶液为吸收液，并添加少量活化剂如氨基乙酸或乙二醇胺（DEA）。

加入少量DEA可以增加吸收系数，降低二氧化碳的平衡分压。

本菲尔脱碳工艺流程如下图。主要分脱碳和再生两部分，再生需要供给很多热量，也是合成氨中耗能的一个较重要部位。

低温甲醇洗

3.4 原料气的最终净化

最终的净化方法有：铜氨液吸收法、甲烷化法、深冷分离法——液氮洗涤法

3.4.1 甲烷化法