大合成氨技术

大合成氨工艺技术

目前，国内合成氨最大的单系列装置规模为50万吨/年,一套大装置固定资产投资相比两套小装置可以节约30%,如以天然气或煤为原料生产30万吨/年合成氨，最终生产尿素52万吨/年项目为例两套小装置估算投资50亿,一套大装置50万吨/年合成氨投资为35亿，化工装置的规模效益还是比较明显的。

典型先进的大合成氨工艺技术主要以TOPSOE-托普索、CASALE-卡萨利、KBR-Kellogg凯洛格等技术为代表。卡萨利氨合成塔内件采用轴径向，而托普索氨合成塔内件采用径向，两者都是三床两换热。相比较两者的能耗差不太多，卡萨利需购买专有塔内件，托普索需购买专有催化剂，且催化剂用量过剩50%，卡萨利工艺较好（多用于原装置改造），价格上占着很大优势，在国内市场份额大，30万吨左右的规模大部分采用卡萨利；50万吨规模的托普索和KBR占比较大，特别是KBR，虽然能耗有点大，但近年大项目多采用此技术。

一、国内应用情况：

托普索：云南沾化5080 、云南云维50万吨、塔里木石化45万吨；

KBR：福岛二期50、中石油塔里木大化肥45万吨、大庆石化66万吨、重庆建峰4580 、江苏灵谷4580；

卡萨利：呼伦贝尔金新5080、贵州开阳、河南晋开。

国内工程设计院以成都化八院、合肥化三院业绩为主流。化八院做的气头项目都是大型项目，并且采用国外的技术、设备。化三院以国外二手关键设备位基础，整合设计出国内首套煤头大化肥装置。

二、大合成氨技术特点：

1、TOPSOE-托普索技术（煤、天然气）

托普索的工艺特点：

①100%径向流通过催化剂床层，全塔压降低至2.5kg/cm2左右；

②径向流穿过所有床层，催化剂利用率高；

③气体间通过床间换热器换热，没有激冷装置，避免稀释转化气；

④氨净值很高，超过18%；

⑤专利隔栅式塔内件，气体分布均匀，机械强度高，寿命超过20年；

⑥专有触媒筐顶部设计，不会因后期催化剂下沉造成气体短路现象；

⑦合成塔温度控制方便，操作稳定，弹性大；

⑧在整个合成塔回路设计上的经验丰富，系统优化好，总体能耗低。

托普索一般推荐使用自己的催化剂（第一炉）。其催化剂特点是性能优异且寿命长，而且同一家提供技术和催化剂，不会出现有疑问后技术服务相互推诿的情况，也很受客户欢迎，但因价格偏高在国内受到不少诟病。

TOPSOE-托普索两塔三废锅氨合成(简称S-250系统)流程示意图：

图上注有温度和压力等操作参数的具体数值。托普索S-250系统由无

下部换热的S-100型塔和S-50塔串联组成。该系统还包括:①废锅和锅炉给水回收废热;②合成塔进出气换热器,水冷器,氨冷器和冷交换器,氨分离器及新鲜气氨冷器等。

2、CASALE-卡萨利技术（煤、天然气）

卡萨利全球的业绩主要是靠旧塔改造，只针对塔内件，不对整个合成回路进行改动，所以在装个装置的优化方面经验少些。卡萨利在上海有合作的工程公司，价格便宜些，而且客户对催化剂有更大的选择权，所以，在中国还是比较成功的。

卡萨利氨合成塔内件应该是分为A型和B型，都是三床层，只是换热方式不一样，A型是床间之间换热和冷激混合使用，B型是三床层两换热。

CASALE-卡萨利轴径向氨合成工艺流程示意图：

来自循环压缩机的原料气进入热交换器E-3,被来自锅炉给水预热器E-2的气体加热至180～240℃,进入合成塔E-1,在催剂作用下进行反应,出口处氨含量为19%～22%(体积)。出合成塔的合成气,温度为400～450℃,经废锅E-1和锅炉给水预热器E-2回收热量,产生10MPa高压蒸气(每

生产1t氨可产1t以上高压蒸气)。由E-2流出的合成气进入换热器E-3的壳程,被管程的循环气冷却,再送往水冷器E-4,部分氨被冷凝下来,气-液合成气混合物进入换热器E-5,被来自氨分离器Y-1的冷循环气冷却,然后进入两级氨冷器E-6,E-7,在E-7中,液氨在-10℃下蒸发,将气-液合成气混合物冷却冷凝至0℃,采用两级氨冷的目的是为了降低氨压缩的能耗。液氨在氨分离器Y-1中被分离,气-液合成气混合物变成冷循环气,它经E-5升温至30℃后进入循环压缩机。液氨经减压后送往氨库或生产装置,弛放气由E-5出口引出送往氢回收装置,用低温冷冻法或膜分离法进行分离,回收其中的氢。合成塔为叠合式催化剂床的立式合成塔,第1催化剂床内气体基本上以轴向方式流动,第2床内是以径向流动,能成功地获得低压降。塔内操作压力14.78MPa,进(出)塔气体温度182(422)℃,氨净值>14%。卡萨里技术已在中国10多个中型合成氨厂应用,操作实践表明,该技术具有催化剂和热能利用率高,节能效果好,操作、安装、维修简单、安全可靠等优点。

3、KBR-Kellogg凯洛格技术（煤、天然气）

KBR技术，设备数量最少，合成回

路压降最低(0.8 MPa)，在线率最高（平

均97.5%），而且没有专有设备和专有

催化剂。煤制合成氨优点如右图示：

KBR-Kellogg日产千吨合成氨装置

中合成塔反应后的氢、 氮、氨等混合

气体，在合成气压缩机（103－J）循环

段与新鲜气混合后，经过水冷和氨冷，在进入合成塔塔前进行氨的分离，即塔前分氨。许多装置经过增产节能改造后，氨生产能力由原来的1000 t/d 增加到1150 t/d 左右，要再增加氨产量，合成系统和冷冻系统是制

约负荷和消耗的瓶颈之一。氨合成示意图：

三、TOPSOE-托普索和KBR-Kellogg 凯洛格技术比较（天然气）

1、工艺装置规模 设计生产规模*

序号 装置名称 产品名称 t/h t/d 104t/a

1 合成氨 无水液氨 62.5 1500 45

尿素 尿素 110 2640 80

2 大颗粒尿素 大颗粒尿素110 2640 80

2、合成氨装置消耗定额 消耗定额（吨氨消耗）

序号 名称 单位Topsoe 工艺 KBR 工艺

原料天然气 Nm 3 664.9 782.8

一段炉燃料 Nm 3 290.4 66.4

快锅燃料 Nm 3 34.2 15.4

燃气透平天然气 Nm 3 140.6

1 天 然 气 天然气总计 Nm 3 989.5 1005.2

2 电 kWh 71.2

3 10.299