合成氨节能降耗新思路

合成氨节能降耗新思路

张祥学号：08206040212

08化学工程（2）班

【摘要】：我国化工行业的五大高耗能产业中，合成氨耗能占总量的40%。天然气合成氨能耗的60%集中在天然气制合成气部分。随着国家的节能减排政策的推广，合成氨系统在某些方面已经不再符合要求。同时，随着科技的发展，以前最好的工艺技术也已经不能满足当前社会的需求。本文提出在氨合成塔外设置一个塔前预热器, 利用氨合成塔二出气体的余热来预热一进气体, 结合合成塔内部结构与外部流程的协调改进,达到大幅度降低冷却水消耗、减轻合成塔内换热器负荷、提高合成塔容积利用系数、增加催化剂装填量、提高合成塔的生产能力和中锅蒸汽产量的目的。

【关键词】：合成氨节能减排换热器预热器逆流传热

1 引言刚刚进入二十一世纪，人类就惊讶的发现，伴随新科技，新文明的到来．能源危

机的红灯频频亮起．石油危机，煤炭危机，天然气危机等等，一次次发难，像一只只大手扼住人类赖以生存的血液．中国能源告急，西欧能源告急，北美能源告急，一时间能源问题实实在在摆在了人类面前．能源关乎国家的兴衰，民族的存亡，甚至关系到整个人类的生存。为应对能源问题，各个国家，组织都颁布了一系列规定，一些高瞻远瞩的企业家也适时研发了新技术、新设备，目前在以煤为原料的中小型合成氨厂中, 大都采用两次分离液氨并副产蒸汽的流程。经过数十年的发展, 该流程已日趋成熟, 目前一般比较注重合成塔内部结构的改进或合成塔尺寸的放大, 以达到降低塔内阻力和提高合成氨产量的目的。但由于合成氨余热的综合利用率不高, 使该类合成氨工艺的吨氨能耗一直居高不下(相对以油、气为原料的大型合成氨厂)。

2 合成氨工艺流程

在200MPa的高压和500℃的高温和催化剂作用下，N2+3H2=2NH3,经过压缩冷凝后，将余料在送回反应器进行反应，合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外，绝大部分是合成的氨。

合成氨主要用作化肥、冷冻剂和化工原料

生产方法生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。

①天然气制氨。天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1％～0.3％（体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔比为3的纯净气，经压缩机压缩而进入氨合成回路，制得产品氨。以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。

②重质油制氨。重质油包括各种深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料气，生产过程比天然气蒸气转化法简单，但需要有空气分离装置。空气分离装置制得的氧用于重质油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂。

③煤（焦炭）制氨。随着石油化工和天然气化工的发展，以煤（焦炭）为原料制取氨的方式在世界上已很少采用。

用途：氨主要用于制造氮肥和复合肥料，氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12％。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。液氨常用作制冷剂。

贮运：商品氨中有一部分是以液态由制造厂运往外地。此外，为保证制造厂内合成氨和氨加工车间之间的供需平衡，防止因短期事故而停产，需设置液氨库。液氨库根据容量大小不同，有不冷冻、半冷冻和全冷冻三种类型。液氨的运输方式有海运、驳船运、管道运、槽车运、卡车运。

3目前氨合成塔存在的问题

目前氨合成的局部流程如图1 所示。

图1氨合成局部流程

1-氨合成塔; 2- 中置锅炉; 3- 塔外换热器

上述流程存在的主要问题是: 虽然采用了中置锅炉来回收合成氨反应的部分高温余热, 但仍有大量的低温余热被冷却水白白带走。在图1(b) 中, 采用了塔外换热器, 回收的仍是中高温余热, 被冷却水带走的低温余热仍然没有减少, 只是相当于把部分塔内换热器移到了塔外, 对整个合成氨过程吨氨能耗的降低和有效能效率的提高意义不大。

4采用塔前预热器的合成氨工艺特点

采用塔前预热器的工艺流程如图2，该流程特点如下。

图2采用塔前预热器的合成氨工艺流程

1-氨合成塔; 2- 中置锅炉; 3- 塔外换热器; 4- 塔前预热器

（1）大幅度降低冷却水的消耗。

（2）预热入塔气体, 减少合成塔内换热器的负荷。当中锅蒸汽压力不变时, 合成塔下段换热器负荷基本不变, 实际上减少的是上段换热器负荷。

（3）减少合成塔内换热器负荷, 从而提高合成塔的容积利用系数、催化剂装填量及合成塔的生产能力。

（4）提高中锅蒸汽产量。塔内换热器负荷的减少, 相应增加了中锅负荷, 从而可提高中锅蒸汽产量。

5改进后氨合程过程热能综合利用效果

5.1 几点说明

（1）以二轴一径式氨合成塔为例, 塔前预热器采用逆流传热, 其操作温度分别为: 合成塔二出气体由100 ℃降至50 ℃, 合成塔一进气体由30 ℃预热至78 ℃(考虑2 ℃的热损失)。

（2）改进前后, 进出水冷器的冷却水温度不变, 即分别为15 ℃和30 ℃。

（3）改进前后, 合成气流量不变。

（4）改进前后, 合成气进入绝热催化床的温度不变(390 ℃)。

（5）改进前后中锅所产蒸汽压力同为2.4M Pa。

（6）其他数据参考大乘资氮集团有限公司合成氨分公司的有关数据, 具体见表1。

表1改进前后氨合成部分温度数据℃

5.2 效果

5.2.1 冷却水减少

由于改进前后进出水冷器冷却水温度一致,合成气流量不变, 因此改进前后冷却水用量只与进出水冷器的合成气温差成正比。

可见, 改进后冷却水用量将减少71.4%。

5.2.2 合成塔容积利用系数增加

一般来说, 合成塔内换热器占整个合成塔容积的1/3, 如果能合理地减少其体积, 就可相应提高合成塔的容积利用系数, 增加催化剂装填量和合成塔的生产能力。塔内换热器的唯一作用是预热合成气, 使其温度达到合成氨的起始反应温度(380 ℃) 以上。设置塔前预热器后, 预热了入塔气体, 从而能有效减少塔内换热器的负荷, 降低其传热面积与体积。在合成气流量一定的时候, 塔内换热器的负荷只与所预热的合成气温差成正比。由于改进后合成气进入绝热催化床的温度都是390 ℃, 因此改进前后塔内换热器负荷之比为: