大中型煤制合成氨装置典型工艺与布置方案探讨_
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压缩机。 （ 4） TOPSE 公司氨合成冷冻工艺技术。 （ 5） 三级克劳斯（ CLAUS） 硫回收技术。 以上工艺方案均代表了当今国际上最先进的
合成氨技 术，不 但 产 能 扩 大，同 时 实 现 了 节 能 降 耗 和环境友好。
２ 工艺技术流程
来自壳牌气化的 160 ℃ ，3． 7 MPa 的粗煤气，CO 体积分数为 64． 91% ，总硫含量接近 0． 16% ，经预 热至 210 ℃ 后，进入第 1 变换炉进行反应。出第 1 变换炉的变换气温度为 386 ℃ ，出口变换气经过蒸汽 混合器加入工艺冷凝液及中压蒸汽降温增湿后，进入
Discussing Typical Process and Layout Scheme for Large / Middle-sized Coal-Made Synthetic Ammonia Plant
ZHANG Zhan-yi，MENG Qiang，ZOU Yin-wen （ China Wuhuan Engineering Company Ltd． ，Wuhan Hubei 430223 China）
作者简介： 张占一（ 1980 年 － ） ，男，河北石家庄人，2007 年毕业于天 津大学化学工程专业，硕士，工程师，从事化工工程项目工艺专业的 设计工作。
·18·
化肥设计
2012 年第 50 卷
第 2 变换炉继续反应。出第 2 变换炉的变换气温 度为 419 ℃ ，出第 2 变换炉的变换气依次通过煤 气预热器预热第 1 变换炉入口煤气，再经过 1 # 淬 冷器降温至 220 ℃ 进入第 3 变换炉。出第 3 变换 炉的变换气进入 2 # 淬冷器，温度降至 210 ℃ 后 进 入第 4 变换炉继续反应。第 4 变换炉出口变换气 温度为 233 ℃ ，CO 含 量 降 至 体 积 分 数 0． 8% （ 干 基） 后进行废热回收和气液分离，由水冷器冷却至 40 ℃ 分离冷凝液后送出变换工序。分离下来的工 艺冷 凝 液 经 换 热 、汽 提 后 ，由 冷 凝 液 泵 加 压 作 为 淬 冷水使用。
１ 工艺技术方案
结合国内外同类型工程经验，本项目合成氨装 置各工序所选用的工艺技术方案如下。
（ 1） 中国五环工程有限公司自主开发的 Co-Mo 系宽温耐硫 CO 变换专利技术。
（ 2） 林德（ LINDE） 公司低温甲醇洗、液氮洗工
艺脱除酸性气体及气体精制。 （ 3） 蒸汽透平驱动的离心式合成气压缩机、氨
（ 3） 整个合成氨联合装置标高 EL0． 000 所对应 的总图绝对标高为 5． 900 m。压缩厂房和框架内地 坪均为 EL0． 000，室外最底层地坪为 EL － 0． 300，其 他各工序地坪均根据建筑专业坡度要求确认。 ４．２ 一氧化碳变换
（ 1） 一氧化碳变换布置在整个装置的西南侧， 与煤气化装置毗邻，占地为 61 m × 30 m。变换工序 内设置 1 个小的内管廊，用于成排布置管道。在变 换管廊的南侧布置变换炉等主要反应设备，以保证 变换炉吊装和更换填料时有足够的空间。在变换 管廊的北侧布置换热器和分离器，因为溶解了 CO2 的工艺冷凝液为酸性，会对管道造成应力腐蚀。
酸性气体脱除采用的是林德低温甲醇洗专利 技术，采 用 典 型 的 5 塔 流 程，脱 除 变 换 气 中 CO2 、 H2 S 及少量有机硫和微量的 NH3 ，经洗氨、冷却后的 原料气进入变换气甲醇洗涤塔进行洗涤。从甲醇 热再生系统来的经过冷却后的洗涤甲醇从甲醇洗 涤塔塔顶 进 入 甲 醇 洗 涤 塔，自 上 而 下 洗 涤 变 换 气。 采用低温甲醇洗工艺脱除酸性气体后的净化气中 的 CO2 脱除至 20 × 10 － 6 以下，总硫含量脱除至 0． 1 × 10 － 6 以下。
（ 2） 设 置 了 1 个 2 层 的 框 架 （ 标 高 分 别 为 EL6. 000 和 EL12． 000） ，将除盐水预热器、变换气冷 却器、气提 冷 却 器 等 主 要 设 备 分 别 布 置 在 框 架 上， 以保证主要工艺管道没有低点，避免了工艺冷凝液 的聚集。
图 2 一氧化碳变换布置
合成气 /循环气压缩机采用蒸汽透平驱动的 离心 式 压 缩 机 机 组 ，升 压 来 自 净 化 的 精 制 合 成 气 。 氨合成冷冻回路采用托普索 13． 7 MPa 低压氨合 成专利技术，氨合成塔采用立式径向 S － 300 型塔 内件，氨 合 成 回 路 配 置 水 冷 及 两 级 氨 冷 冷 凝、分 氨 ，氨 合 成 反 应 余 热 分 别 用 于 预 热 中 压 锅 炉 给 水 。
从甲醇洗涤塔吸收段出来的富 CO2 、H2 S 甲醇 经换热闪蒸分离回收有用气体，经处理后的净化气 送气体精制处理，得到的富 H2 S 气体送硫回收，产 品 CO2 气体作为原料送至尿素装置。低温甲醇洗 单元所需冷量由冷冻站提供。同时为了方便系统 首次甲醇冲装、系统检修时甲醇有地方贮存以及及 时补充运行中损失的甲醇，装置还设置了新鲜甲醇 贮罐并配置甲醇泵。
硫回收将低温甲醇洗来的酸性气体中 H2S、 COS 组分进行处理，达到环保排放要求，并回收副 产品硫磺。采 用 三 级 克 劳 斯 硫 磺 回 收 工 艺，生 产 能力为 200 kg / h，产品硫磺的纯度为 99． 9% 。来 自硫回收工序的液态硫磺，经 过 滤 器 后 进 入 回 转 带式冷凝硫磺造粒机内造粒 成 形，冷 却 固 化 后 的 颗粒卸到包装机贮斗，经包装 机 包 装 后 的 成 品 袋 装硫磺产品由人工送入库内 贮 存，外 运 时 由 人 工 拆垛装车。
Abstract： Author has described the typical process technology and layout scheme in plant of the large / middle-sized synthetic ammonia made by feedstock of coal； has discussed the problems to be possibly encountered in the design progress of the synthetic ammonia plant and its related matters to be noticed； in combination with example of the Vietnam North Nitrogen Project，has summarized the principles and gist in the respects of process selection and equipment layout in the large / middle-sized synthetic ammonia plant．
第 50 卷 第 2 期 2012 年 4 月
技术设计
化肥设计 Chemical Fertilizer Design
Apr． 2012
·17·
Hale Waihona Puke Baidu
大中型煤制合成氨装置 典型工艺与布置方案探讨
张占一，孟 强，邹隐文
（ 中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223）
摘 要： 阐述了大中型煤制合成氨装置的典型工艺技术和装置布置方案； 探讨了合成氨装置设计过程中可能遇到 的问题和相关注意事项； 结合越南河北氮肥工程实例，总结了大中型合成氨装置在工艺选择和设备布置方面的原 则和要领。 关键词： 合成氨装置； 工艺； 布置； 方案 中图分类号： TQ113． 254 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 8901（ 2012） 02 － 0017 － 05
３ 设备布置原则
设备布置遵循国内 GB、HG / T 和越南相关的工 艺装置设备布置的设计标准规范和通则，装置布置 满足以下设计基本原则。
（ 1） 根据风向条件确定设备、设施与建筑物的 相对位置。
（ 2） 根据气温、降水量、风沙等气候条件和生 产过程或某些设备的特殊要求，决定是否采用室内 布置。
（ 3） 根据装置竖向布置，确定装置地面零点标 高与绝对标高的关系。
冷冻流程将氨 精 制 和 制 冷 紧 密 结 合 在 一 起，即 为 整个合成氨装 置 提 供 所 需 的 冷 量，同 时 又 对 产 品 氨进行精制。由于氨合成工段来的液氨还溶解有 部分氢氮气，通 过 本 工 段 低 压 闪 蒸 槽 进 一 步 减 压 闪蒸出溶解气后得到产品液氨。制冷用的氨压缩 机采用蒸汽透平驱动的离心式压缩机机组。离心 式 压 缩 机 具 有 单 机 气 量 大、维 护 简 单、占 地 面 积 小 、能 经 济 方 便 地 调 节 等 优 点 ，适 用 于 多 种 工 况 的 用 户 ，同 时 采 用 蒸 汽 透 平 驱 动 ，提 高 蒸 汽 能 量 转 换 效率，节省能耗。
Key words： synthetic ammonia plant； process； layout； scheme
由中国五环工程有限公司总承包的越南河北 氮肥（ Ha Bac） 改扩建项目，在对原有老厂进行改造 的同时再新建 1 座液氨产量为 600 t / d 的新厂。新 建厂区以煤为原料，采用壳牌粉煤气化工艺制取粗 煤气。粗煤气经一氧化碳变换、酸性气体脱除制备 合成 气 后，经 氨 合 成、冷 冻 液 化 提 纯 成 为 产 品 液 氨 送至贮运设施和尿素装置，酸性尾气经硫回收制备 硫磺外送，整 个 合 成 氨 装 置 处 于 一 个 独 立 界 区 内。 笔者拟以此项目合成氨装置为例，结合实际设计经 验，从工艺特点和设备布置方面对煤制合成氨技术 方案进行论述和探讨。
（ 2） 装置总占地面积为 186 m × 97 m = 18 042 m2。 根据《石 油 化 工 企 业 设 计 防 火 规 范 GB50160 － 2008》5． 2． 11 甲、乙类装置内部的设备、建筑物区的 设置规定，可用道路将装置分割成为占地面积不大 于 10 000 m2 的设备、建筑物区，因此在合成氨装置 酸性气体脱除与合成冷冻、压缩厂房之间设置了 1 条贯 穿 通 道，将 整 个 装 置 分 割 成 两 部 分，并 保 证 各 部分的框架和设备外缘线的面积小于 10 000 m2 ，同 时也作为贯通消防通道。
气体精制 采 用 林 德 液 氮 洗 的 工 艺 技 术，利 用 液氮吸收净化气中的有害杂质，在 － 190 ℃ 的低温 下，气体中 的 残 余 CO、CH4 、Ar 等 溶 于 液 氮 中，而 微量的 CO2 在进冷箱前被分子筛吸附，从而使 气 体得到精制。处理后的净化气经过精配氮调节合 成气中的氢氮比为 3∶ 1，然后送至合成氨装置中的 合成气压缩机，送 出 界 区 的 精 制 合 成 气 总 氧 含 量 小于 10 × 10 － 6 ，温度和压力约为 30 ℃ 和 3. 0 MPa。
（ 4） 根据地质条件，合理布置重荷载和有振动 的设备。
（ 5） 在满足生产要求和安全防火、防爆的条件 下，应做到节省用地、降低能耗、节约投资且有利于 环境保护。
４ 设备布置方案
４．１ 布置方案说明 本项目以煤为原料采用壳牌粉煤气化技术生产
合成氨，既有新建装置又有老厂改造，工艺流程长，设 备管道多，连接形式复杂，建设实施难度较大。
第2 期
张占一 等 大中型煤制合成氨装置典型工艺与布置方案探讨
合成氨装置总平面布置见图 1。
一氧化碳变换布置见图 2。
·19·
图 1 合成氨装置总平面布置
（ 1） 整个合成氨装置的布置主要由 7 个部分构 成，分别为一氧化碳变换、酸性气体脱除Ⅰ和Ⅱ、气 体精制、联合压缩厂房、氨合成冷冻、硫回收硫磺成 型和装置内管廊。根据全厂总图布置的要求，将合 成氨装置按照工艺流程顺序自西向东布置成联合 装置，整个合成氨装置占地为南北向 97 m，东西向 186 m。装置中设 7 m 宽的内管廊，内管廊沿东西向 贯穿 整 个 装 置，属 于 贯 穿 通 道，但 未 按 照 消 防 通 道 考虑，各工序之间分别预留必要的检修通道。
合成氨技 术，不 但 产 能 扩 大，同 时 实 现 了 节 能 降 耗 和环境友好。
２ 工艺技术流程
来自壳牌气化的 160 ℃ ，3． 7 MPa 的粗煤气，CO 体积分数为 64． 91% ，总硫含量接近 0． 16% ，经预 热至 210 ℃ 后，进入第 1 变换炉进行反应。出第 1 变换炉的变换气温度为 386 ℃ ，出口变换气经过蒸汽 混合器加入工艺冷凝液及中压蒸汽降温增湿后，进入
Discussing Typical Process and Layout Scheme for Large / Middle-sized Coal-Made Synthetic Ammonia Plant
ZHANG Zhan-yi，MENG Qiang，ZOU Yin-wen （ China Wuhuan Engineering Company Ltd． ，Wuhan Hubei 430223 China）
作者简介： 张占一（ 1980 年 － ） ，男，河北石家庄人，2007 年毕业于天 津大学化学工程专业，硕士，工程师，从事化工工程项目工艺专业的 设计工作。
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化肥设计
2012 年第 50 卷
第 2 变换炉继续反应。出第 2 变换炉的变换气温 度为 419 ℃ ，出第 2 变换炉的变换气依次通过煤 气预热器预热第 1 变换炉入口煤气，再经过 1 # 淬 冷器降温至 220 ℃ 进入第 3 变换炉。出第 3 变换 炉的变换气进入 2 # 淬冷器，温度降至 210 ℃ 后 进 入第 4 变换炉继续反应。第 4 变换炉出口变换气 温度为 233 ℃ ，CO 含 量 降 至 体 积 分 数 0． 8% （ 干 基） 后进行废热回收和气液分离，由水冷器冷却至 40 ℃ 分离冷凝液后送出变换工序。分离下来的工 艺冷 凝 液 经 换 热 、汽 提 后 ，由 冷 凝 液 泵 加 压 作 为 淬 冷水使用。
１ 工艺技术方案
结合国内外同类型工程经验，本项目合成氨装 置各工序所选用的工艺技术方案如下。
（ 1） 中国五环工程有限公司自主开发的 Co-Mo 系宽温耐硫 CO 变换专利技术。
（ 2） 林德（ LINDE） 公司低温甲醇洗、液氮洗工
艺脱除酸性气体及气体精制。 （ 3） 蒸汽透平驱动的离心式合成气压缩机、氨
（ 3） 整个合成氨联合装置标高 EL0． 000 所对应 的总图绝对标高为 5． 900 m。压缩厂房和框架内地 坪均为 EL0． 000，室外最底层地坪为 EL － 0． 300，其 他各工序地坪均根据建筑专业坡度要求确认。 ４．２ 一氧化碳变换
（ 1） 一氧化碳变换布置在整个装置的西南侧， 与煤气化装置毗邻，占地为 61 m × 30 m。变换工序 内设置 1 个小的内管廊，用于成排布置管道。在变 换管廊的南侧布置变换炉等主要反应设备，以保证 变换炉吊装和更换填料时有足够的空间。在变换 管廊的北侧布置换热器和分离器，因为溶解了 CO2 的工艺冷凝液为酸性，会对管道造成应力腐蚀。
酸性气体脱除采用的是林德低温甲醇洗专利 技术，采 用 典 型 的 5 塔 流 程，脱 除 变 换 气 中 CO2 、 H2 S 及少量有机硫和微量的 NH3 ，经洗氨、冷却后的 原料气进入变换气甲醇洗涤塔进行洗涤。从甲醇 热再生系统来的经过冷却后的洗涤甲醇从甲醇洗 涤塔塔顶 进 入 甲 醇 洗 涤 塔，自 上 而 下 洗 涤 变 换 气。 采用低温甲醇洗工艺脱除酸性气体后的净化气中 的 CO2 脱除至 20 × 10 － 6 以下，总硫含量脱除至 0． 1 × 10 － 6 以下。
（ 2） 设 置 了 1 个 2 层 的 框 架 （ 标 高 分 别 为 EL6. 000 和 EL12． 000） ，将除盐水预热器、变换气冷 却器、气提 冷 却 器 等 主 要 设 备 分 别 布 置 在 框 架 上， 以保证主要工艺管道没有低点，避免了工艺冷凝液 的聚集。
图 2 一氧化碳变换布置
合成气 /循环气压缩机采用蒸汽透平驱动的 离心 式 压 缩 机 机 组 ，升 压 来 自 净 化 的 精 制 合 成 气 。 氨合成冷冻回路采用托普索 13． 7 MPa 低压氨合 成专利技术，氨合成塔采用立式径向 S － 300 型塔 内件，氨 合 成 回 路 配 置 水 冷 及 两 级 氨 冷 冷 凝、分 氨 ，氨 合 成 反 应 余 热 分 别 用 于 预 热 中 压 锅 炉 给 水 。
从甲醇洗涤塔吸收段出来的富 CO2 、H2 S 甲醇 经换热闪蒸分离回收有用气体，经处理后的净化气 送气体精制处理，得到的富 H2 S 气体送硫回收，产 品 CO2 气体作为原料送至尿素装置。低温甲醇洗 单元所需冷量由冷冻站提供。同时为了方便系统 首次甲醇冲装、系统检修时甲醇有地方贮存以及及 时补充运行中损失的甲醇，装置还设置了新鲜甲醇 贮罐并配置甲醇泵。
硫回收将低温甲醇洗来的酸性气体中 H2S、 COS 组分进行处理，达到环保排放要求，并回收副 产品硫磺。采 用 三 级 克 劳 斯 硫 磺 回 收 工 艺，生 产 能力为 200 kg / h，产品硫磺的纯度为 99． 9% 。来 自硫回收工序的液态硫磺，经 过 滤 器 后 进 入 回 转 带式冷凝硫磺造粒机内造粒 成 形，冷 却 固 化 后 的 颗粒卸到包装机贮斗，经包装 机 包 装 后 的 成 品 袋 装硫磺产品由人工送入库内 贮 存，外 运 时 由 人 工 拆垛装车。
Abstract： Author has described the typical process technology and layout scheme in plant of the large / middle-sized synthetic ammonia made by feedstock of coal； has discussed the problems to be possibly encountered in the design progress of the synthetic ammonia plant and its related matters to be noticed； in combination with example of the Vietnam North Nitrogen Project，has summarized the principles and gist in the respects of process selection and equipment layout in the large / middle-sized synthetic ammonia plant．
第 50 卷 第 2 期 2012 年 4 月
技术设计
化肥设计 Chemical Fertilizer Design
Apr． 2012
·17·
Hale Waihona Puke Baidu
大中型煤制合成氨装置 典型工艺与布置方案探讨
张占一，孟 强，邹隐文
（ 中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223）
摘 要： 阐述了大中型煤制合成氨装置的典型工艺技术和装置布置方案； 探讨了合成氨装置设计过程中可能遇到 的问题和相关注意事项； 结合越南河北氮肥工程实例，总结了大中型合成氨装置在工艺选择和设备布置方面的原 则和要领。 关键词： 合成氨装置； 工艺； 布置； 方案 中图分类号： TQ113． 254 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 8901（ 2012） 02 － 0017 － 05
３ 设备布置原则
设备布置遵循国内 GB、HG / T 和越南相关的工 艺装置设备布置的设计标准规范和通则，装置布置 满足以下设计基本原则。
（ 1） 根据风向条件确定设备、设施与建筑物的 相对位置。
（ 2） 根据气温、降水量、风沙等气候条件和生 产过程或某些设备的特殊要求，决定是否采用室内 布置。
（ 3） 根据装置竖向布置，确定装置地面零点标 高与绝对标高的关系。
冷冻流程将氨 精 制 和 制 冷 紧 密 结 合 在 一 起，即 为 整个合成氨装 置 提 供 所 需 的 冷 量，同 时 又 对 产 品 氨进行精制。由于氨合成工段来的液氨还溶解有 部分氢氮气，通 过 本 工 段 低 压 闪 蒸 槽 进 一 步 减 压 闪蒸出溶解气后得到产品液氨。制冷用的氨压缩 机采用蒸汽透平驱动的离心式压缩机机组。离心 式 压 缩 机 具 有 单 机 气 量 大、维 护 简 单、占 地 面 积 小 、能 经 济 方 便 地 调 节 等 优 点 ，适 用 于 多 种 工 况 的 用 户 ，同 时 采 用 蒸 汽 透 平 驱 动 ，提 高 蒸 汽 能 量 转 换 效率，节省能耗。
Key words： synthetic ammonia plant； process； layout； scheme
由中国五环工程有限公司总承包的越南河北 氮肥（ Ha Bac） 改扩建项目，在对原有老厂进行改造 的同时再新建 1 座液氨产量为 600 t / d 的新厂。新 建厂区以煤为原料，采用壳牌粉煤气化工艺制取粗 煤气。粗煤气经一氧化碳变换、酸性气体脱除制备 合成 气 后，经 氨 合 成、冷 冻 液 化 提 纯 成 为 产 品 液 氨 送至贮运设施和尿素装置，酸性尾气经硫回收制备 硫磺外送，整 个 合 成 氨 装 置 处 于 一 个 独 立 界 区 内。 笔者拟以此项目合成氨装置为例，结合实际设计经 验，从工艺特点和设备布置方面对煤制合成氨技术 方案进行论述和探讨。
（ 2） 装置总占地面积为 186 m × 97 m = 18 042 m2。 根据《石 油 化 工 企 业 设 计 防 火 规 范 GB50160 － 2008》5． 2． 11 甲、乙类装置内部的设备、建筑物区的 设置规定，可用道路将装置分割成为占地面积不大 于 10 000 m2 的设备、建筑物区，因此在合成氨装置 酸性气体脱除与合成冷冻、压缩厂房之间设置了 1 条贯 穿 通 道，将 整 个 装 置 分 割 成 两 部 分，并 保 证 各 部分的框架和设备外缘线的面积小于 10 000 m2 ，同 时也作为贯通消防通道。
气体精制 采 用 林 德 液 氮 洗 的 工 艺 技 术，利 用 液氮吸收净化气中的有害杂质，在 － 190 ℃ 的低温 下，气体中 的 残 余 CO、CH4 、Ar 等 溶 于 液 氮 中，而 微量的 CO2 在进冷箱前被分子筛吸附，从而使 气 体得到精制。处理后的净化气经过精配氮调节合 成气中的氢氮比为 3∶ 1，然后送至合成氨装置中的 合成气压缩机，送 出 界 区 的 精 制 合 成 气 总 氧 含 量 小于 10 × 10 － 6 ，温度和压力约为 30 ℃ 和 3. 0 MPa。
（ 4） 根据地质条件，合理布置重荷载和有振动 的设备。
（ 5） 在满足生产要求和安全防火、防爆的条件 下，应做到节省用地、降低能耗、节约投资且有利于 环境保护。
４ 设备布置方案
４．１ 布置方案说明 本项目以煤为原料采用壳牌粉煤气化技术生产
合成氨，既有新建装置又有老厂改造，工艺流程长，设 备管道多，连接形式复杂，建设实施难度较大。
第2 期
张占一 等 大中型煤制合成氨装置典型工艺与布置方案探讨
合成氨装置总平面布置见图 1。
一氧化碳变换布置见图 2。
·19·
图 1 合成氨装置总平面布置
（ 1） 整个合成氨装置的布置主要由 7 个部分构 成，分别为一氧化碳变换、酸性气体脱除Ⅰ和Ⅱ、气 体精制、联合压缩厂房、氨合成冷冻、硫回收硫磺成 型和装置内管廊。根据全厂总图布置的要求，将合 成氨装置按照工艺流程顺序自西向东布置成联合 装置，整个合成氨装置占地为南北向 97 m，东西向 186 m。装置中设 7 m 宽的内管廊，内管廊沿东西向 贯穿 整 个 装 置，属 于 贯 穿 通 道，但 未 按 照 消 防 通 道 考虑，各工序之间分别预留必要的检修通道。