July 2006現(xiàn)代化工第26卷增刊262Modern Chemical Industry2006年7月工之與合成氨轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的節(jié)能改造曾鳳春1,張開仕2(1.四川理工學(xué)院化學(xué)系,四川自貢643033;2.宜賓學(xué)院化學(xué)化工系,四川宜賓64407摘要:針對(duì)目前國內(nèi)天然氣合成氨裝置的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)普遍存在燃料天然氣消耗過大、熱能浪費(fèi)嚴(yán)重等問題,對(duì)合成氨裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行了一系列節(jié)能技術(shù)改造。工業(yè)運(yùn)行結(jié)果表明:改造后的轉(zhuǎn)化系統(tǒng),生產(chǎn)每噸NH3其燃料天然氣消耗從350m3降至200m3,生產(chǎn)能力從6萬va提高至9萬a,基本克服了原裝置的弊端關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)化系統(tǒng);合成氨;燃料天然氣;節(jié)能改造中圖分類號(hào):TQ13.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0253-4320(2006)1-0262-03Energy-saving modification of transforming system in synthetic ammonia settingZENG Feng-chun, ZHANG Kai-shi2(1. Department of Chemistry, Sichuan Institute of Science and Technology, Zigong 643033, China;2 Department of Chemistry and Chemical Engineering, Yibin University, Yibin 644007, China)Abstract: In view of the problems that the fuel natural gas consumption was too high and the heat energy severely wastedin the synthetic ammonia transforming system in China, a technological modification was adopted in a synthetic ammonia plantThe industrial results indicated that the new transforming system was able to decrease the fuel natural gas consumption from350 m'to 200 m in producing one ton of ammonia, and the producing capacity increased from 60 kt/ a to 90 kt/a. So thedisadvantages of the original process was converted on the whole. after the modificationKey words: transforming system; synthetic ammonia; fuel naturalergy-saving modification合成氨工業(yè)是投資大、能耗高的行業(yè)之一,其能其盡可能轉(zhuǎn)化完全。同時(shí),甲烷在氨合成過程中是耗約占全國總能耗的4%,占產(chǎn)品總成本的70%。惰性氣體,它會(huì)在合成回路中逐漸積累,對(duì)過程有以天然氣為原料,合成氨的能耗主要是天然氣的消害無利。因此,轉(zhuǎn)化氣中殘余甲烷含量要求控制足耗而最大的天然氣消耗在轉(zhuǎn)化系統(tǒng),它包括原料天夠低,一般控制在0.5%(體積分?jǐn)?shù))以下。為了滿然氣和燃料天然氣2個(gè)方面。從原料天然氣的消耗足這種天然氣轉(zhuǎn)化率的嚴(yán)格要求,無論在國內(nèi)還是而言,各企業(yè)情況基本相同,都已接近理論用量。因國外,在以往的設(shè)計(jì)中,轉(zhuǎn)化系統(tǒng)都采用天然氣加壓此,轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的天然氣消耗主要在燃料天然氣上。蒸汽二段轉(zhuǎn)化流程,配有外熱式一段轉(zhuǎn)化爐和絕熱從最簡單的計(jì)算結(jié)果來看,一套6萬∽/a合成氨裝式二段轉(zhuǎn)化爐各1臺(tái)、廢熱式鍋爐2臺(tái)等設(shè)備,使一置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的噸氨燃料天然氣消耗量在350m3左段轉(zhuǎn)化氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)<10%,二段轉(zhuǎn)化氣中甲右,每年增加成本1547.7萬元。此外,由于燃料天然氣的大量消耗,又大大提高了煙氣排放量,對(duì)環(huán)境體積分?jǐn)?shù)<0.5%。舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程示意圖如圖1所示。造成熱污染。所以,這種舊式轉(zhuǎn)化系統(tǒng)既不節(jié)能,不利于環(huán)保。筆者綜合多方面的因素,經(jīng)與中國石蒸汽、原料燃料天然氣|空氣蒸汽轉(zhuǎn)化氣去天然氣變換工序化揚(yáng)子石化設(shè)計(jì)院及外方技術(shù)人員會(huì)審后,決定對(duì)高壓蒸汽高壓燕汽四川某化工集團(tuán)6萬ta合成氨裝置的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造,以期獲得理想的節(jié)能效果。1一外熱式一段轉(zhuǎn)化爐;2一二段轉(zhuǎn)化爐;3,4一廢熱鍋爐;1原轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程及不足5一汽包:6輔助鍋爐中國1.1原轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程煤化工流程示意圖天然氣(主要成分為CH4)作為制氨原料,要求Nm壓力3.6MPa、溫度收稿日期:2006-03-16作者簡介:曾鳳春(1964-),女,大學(xué),副教授,主要從事化學(xué)、化工方面的教學(xué)與科研工作;張開仕(1959-),男,教授,主要從事應(yīng)用化學(xué)的教學(xué)萬方數(shù)韆,通訊聯(lián)系人13102m時(shí)e13,m2006年7月曾鳳春等:合成氨轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的節(jié)能改造263380℃的條件下配入中壓蒸汽后達(dá)到一定的水碳比2.2新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程(約為3.5),進(jìn)入外熱式一段轉(zhuǎn)化爐的對(duì)流段預(yù)熱,根據(jù)上述原理分析,對(duì)原轉(zhuǎn)化系統(tǒng)作如下技術(shù)然后送到裝有鎳催化劑的各反應(yīng)管進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。改造:在原外熱式一段爐外并聯(lián)1臺(tái)3萬ta的列轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱源由管外燃料天然氣的燃燒提管/浮頭型換熱式轉(zhuǎn)化爐,再與二段爐串聯(lián);將傳統(tǒng)供。一段轉(zhuǎn)化氣經(jīng)輸送總管進(jìn)入二段爐,此時(shí)甲烷的二段爐高溫出口氣體進(jìn)入廢熱鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽體積分?jǐn)?shù)<10%。在二段轉(zhuǎn)化爐中,按照氨合成所的流程改成作為換熱式轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化反應(yīng)的熱源;設(shè)需氮?dú)浔韧ㄈ肟諝?也配入少量蒸汽,進(jìn)入頂部與廢熱鍋爐回收余熱,更新二段爐爐頭和混合器;對(duì)段轉(zhuǎn)化氣匯合,在頂部燃燒一部分氫氣產(chǎn)生大量反后續(xù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行配套改造。改造后轉(zhuǎn)化系應(yīng)熱滿足殘余甲烷的繼續(xù)轉(zhuǎn)化。離開二段爐的轉(zhuǎn)統(tǒng)工藝流程示意圖如圖2所示?；瘹鉁囟葹?000℃C、壓力3MPa、甲烷體積分?jǐn)?shù)燃料天然氣空氣蒸汽<0.5%,接著進(jìn)入廢熱鍋爐,在其溫度降至370℃后送往變換工序,鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽回系統(tǒng)循環(huán)原料天然氣、蒸汽低壓蒸氣高溫轉(zhuǎn)化汽利用。1.2原轉(zhuǎn)化系統(tǒng)存在的不足二段轉(zhuǎn)化氣去變換工序原轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在明顯的不足之處:①一段轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷過高、水碳比過大,致使所需熱量1一外熱式一段轉(zhuǎn)化爐;2—換熱式一段轉(zhuǎn)化爐;3一二段轉(zhuǎn)化爐增多,燃料天然氣消耗增大;②一段轉(zhuǎn)化爐為外熱4一溫度控制器;5—廢熱鍋爐式,不但體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴,而且轉(zhuǎn)化過圖2新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝流程示意圖程所需的熱量完全由管外天然氣燃燒提供,即直火加熱使大量天然氣作燃料消耗掉,造成了能源的極從脫硫工段來的原料天然氣與中壓蒸汽混合,大損失;③二段爐出口氣體溫度為1000℃,而后續(xù)使水碳比為2.7后分成2路進(jìn)入轉(zhuǎn)化系統(tǒng):一路去變換工段要求的溫度僅為370℃,富余很大的熱量,外熱式一段爐的對(duì)流段預(yù)熱,再去裝有鎳催化劑的原轉(zhuǎn)化系統(tǒng)將它通入鍋爐產(chǎn)生蒸汽,是對(duì)熱能的嚴(yán)管內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng),所需熱源由管外燃料天然氣的重浪費(fèi);④流程長、動(dòng)力消耗高、系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差。燃燒反應(yīng)提供;另一路經(jīng)對(duì)流段預(yù)熱后進(jìn)入換熱式段爐的管內(nèi),在鎳催化劑的作用下,借助于管外來2新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程及優(yōu)點(diǎn)自二段爐高溫轉(zhuǎn)化氣所提供的熱能,進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)2.1舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)改造原理然后與外熱式一段爐轉(zhuǎn)化氣混合送至二段轉(zhuǎn)化爐。轉(zhuǎn)化爐的作用是將天然氣轉(zhuǎn)化為氨合成所需的混合轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入二段爐頂部,與適量空氣混合,并發(fā)原料氣,并使最后殘余甲烷的體積分?jǐn)?shù)<0.5%。對(duì)生空氣與氧的燃燒反應(yīng),以供殘余甲烷進(jìn)一步轉(zhuǎn)化于二段爐高溫出口氣體提供的熱能,在滿足自身所所需的熱量。二段爐出口高溫轉(zhuǎn)化氣經(jīng)與換熱式轉(zhuǎn)需之后還有較大富余,可以用來作為一段爐轉(zhuǎn)化所化爐管內(nèi)的一段轉(zhuǎn)化氣換熱后,溫度降至620℃左需的熱源,從而避免燃料天然氣的消耗。目前,列右,再進(jìn)入廢熱鍋爐溫度降為370℃后送至變換工管/浮頭型換熱式轉(zhuǎn)化爐已研制成功,并在一些新建序。鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽回系統(tǒng)循環(huán)利用。小氮肥廠中得到應(yīng)用。天然氣在此爐轉(zhuǎn)化所需熱源23新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)由高溫氣體換熱供給,而不是燃燒天然氣的直火加與舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)和其他蒸汽換熱式轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相熱。因此,將一段爐由外熱式改為換熱式,就能達(dá)到比,新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn):①充分利用了節(jié)約燃料天然氣的目的。但受甲烷深度轉(zhuǎn)化的熱量段爐出口高溫氣體的余熱作為換熱式轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化消耗和氫氮比的限制,二段爐高溫出口氣體的富余反應(yīng)的熱源,大量減少了燃料天然氣的消耗從而大熱量是有限的,不可能完全滿足一段爐的需要。所幅中國煤化節(jié)換熱式一段爐和外以,原外熱式一段爐不能淘汰,再與一臺(tái)換熱式轉(zhuǎn)化熱氏然氣轉(zhuǎn)移到換熱式CNMH爐并聯(lián)使用,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的半自熱式平衡。這樣,就可少F八然氣的消耗;③并聯(lián)在保證二段爐甲烷深度轉(zhuǎn)化指標(biāo)的前提下,通過合了一臺(tái)換熱式轉(zhuǎn)化爐,使轉(zhuǎn)化系統(tǒng)生產(chǎn)能力大大提理分配2個(gè)一段爐負(fù)荷達(dá)到燃燒天然氣消耗最少的高;④在二段爐出口高溫氣體管路上,設(shè)有溫度調(diào)節(jié)目的與控制裝置,可有效地避免換熱式轉(zhuǎn)化爐超溫,造成264現(xiàn)代化工第26卷增刊鎳催化劑燒毀和設(shè)備損壞;⑤換熱式一段爐由二段由表1數(shù)據(jù)可知,新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)使天然氣轉(zhuǎn)化得爐高溫轉(zhuǎn)化氣提供熱源,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的半自熱式平更徹底,二段轉(zhuǎn)化爐的熱能得到了較充分的利用。衡,不需要制氧裝置和脫除過量氮?dú)獾膬艋蛛x裝表2數(shù)據(jù)可知,新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的燃料天然氣消耗大置,流程短、動(dòng)力消耗低、投資少。大降低,生產(chǎn)能力大大提高,電耗也有所減少,但新3新舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較及經(jīng)濟(jì)性分析增了蒸汽消耗。3.2經(jīng)濟(jì)性分析3.1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)使生產(chǎn)每噸氨的燃料天然氣消耗下改造后的新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)于2004年3月5日投入降至200m3、電耗下降14kWh蒸氣消耗新增0.6t,使用,至今運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠。通過抽樣分析,對(duì)按天然氣市價(jià)0.737元/m3電價(jià)0.38元/kWh、蒸汽新舊2種轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的工藝指標(biāo)和能源消耗進(jìn)行了比價(jià)54元/計(jì)算,每年氨可減少成本857.28萬元。較。工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示,能源消耗與生產(chǎn)能另外,改造后使合成氨生產(chǎn)能力凈增3萬ta,按液力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。氨市價(jià)1850元/計(jì),新增銷售收人5550萬元/a,表1新舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)比較扣除綜合成本3750萬元/a,新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)每年又新段轉(zhuǎn)化氣甲烷二段轉(zhuǎn)化氣甲烷二段轉(zhuǎn)化氣進(jìn)廢增收益1750萬元。舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)改造以及后續(xù)系統(tǒng)體積分?jǐn)?shù)/%體積分?jǐn)?shù)/%熱鍋爐溫度/℃配套改造的總費(fèi)用33528萬元,此改造方案投資回舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)9.801000收年限為1.3年。新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)12.400.306204結(jié)語表2新舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)能源消耗與生產(chǎn)能力數(shù)據(jù)比較新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程短、設(shè)備簡單、操作方便、控制燃料天然氣用電單耗/蒸汽單耗/生產(chǎn)能力/靈活,不但大幅度降低了燃料天然氣的消耗,還提高單耗/m3了裝置50%的生產(chǎn)能力,具有顯著的節(jié)能效果和經(jīng)舊轉(zhuǎn)化系統(tǒng)350濟(jì)效益。燃料天然氣消耗的下降,又減少了煙道氣新轉(zhuǎn)化系統(tǒng)200的排放,降低了對(duì)環(huán)境的熱污染,實(shí)現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的雙重效益。■汽車行業(yè)將大大受益于電池燃料技術(shù)進(jìn)步來自政府當(dāng)局如交通運(yùn)輸部( Department of Trans-固體氧化物、質(zhì)子交換膜( proton exchange membrane)和堿portation,DoT)和美國環(huán)境保護(hù)局( Environmental Protection性電池燃料能夠?yàn)楦鞣N汽車提供動(dòng)力,如卡車、汽車和摩Agency,EPA)日益增長的管理壓力,美國正加速燃料電池托車技術(shù)的釆用,以確保減少排放和高效燃料轉(zhuǎn)換。加利福這種技術(shù)的競爭主要來自于內(nèi)燃機(jī)和電池。許多汽尼亞州燃料電池聯(lián)盟( California Fuel Cell Partnership)等計(jì)車公司已經(jīng)開始投資與之相關(guān)的研究活動(dòng),以使車輛配劃有望使電池燃料比預(yù)期更早地應(yīng)用于商用車輛。備設(shè)計(jì)更好并由替代性燃料驅(qū)動(dòng)的內(nèi)燃機(jī),因此這些車Frost& Sullivan高級(jí)研究分析師Ⅴ ijay Shankar Murthy輛能夠?qū)崿F(xiàn)清潔排放。表示:“電池燃料有望首先用于艦隊(duì)車輛。這些電池燃料同樣,行業(yè)參與者正開發(fā)能夠在高溫條件下工作的在艦隊(duì)車輛上使用成功后,其他車輛如客車和卡車預(yù)計(jì)功能更加強(qiáng)大的電池,使它們能夠適用于汽車的應(yīng)用。也會(huì)有使用電池燃料的趨勢(shì)”。然而,對(duì)于電池燃料生產(chǎn)者來說,利用電池燃料技術(shù)的優(yōu)電池燃料幫助我們減少對(duì)不斷衰竭的利用氫的石化勢(shì)是至關(guān)重要的,而不是專注于競爭燃料儲(chǔ)備的依賴,這些能效設(shè)備能夠大大減少有害氣體排放。這些電池能量來自電氣化學(xué)轉(zhuǎn)化,其中化學(xué)能量決方轉(zhuǎn)化成電能,水是惟一的副產(chǎn)品,從而最大限度地減少了組裝EYH中國煤化工間題的可行的解司時(shí)可減少膜電極CNMHG對(duì)生產(chǎn)商來說溫室氣體排放。檢測甲醇和乙醇的使用也有很大幫助,因?yàn)樗鼈儞碛胸SMurthy指出:“有望用于汽車行業(yè)的電池燃料技術(shù)如富的氫并可作為替代性燃料的來源”。(新華美通)