蘭炭煤氣生產合成氨工藝探究

田玉虎

(甘肅金昌化學工業集團有限公司,甘肅 金昌 737000)

蘭炭煤氣生產合成氨工藝探究

田玉虎

(甘肅金昌化學工業集團有限公司,甘肅 金昌 737000)

由于我公司的合成氨生產成本偏高,致使聯堿等下游產品生產成本偏高,結合河西堡化工循環經濟產業園蘭炭煤氣未進行合理利用這一狀況,探究了以蘭炭煤氣為原料生產合成氨的工藝技術,得出了該煤氣能夠生產合成氨而且能夠給公司和園區帶來良好的經濟效益與環境效益。

蘭炭煤氣;合成氨;工藝

1 研究背景

甘肅金昌化學工業集團有限公司始建于1964年,經過不斷發展已經成為全國大型工業企業之一,先后填補了甘肅省合成氨、純堿、磷二銨等9項產品空白。公司構建了以化肥為基礎、純堿為主導、相關經營為輔的多元化企業集團發展架構。作為公司龍頭的合成氨,公司一直使用無煙煤為原料。而近幾年,隨著無煙煤價格逐年上漲,公司已面臨原料價格增長、生產成本增加的嚴重問題,企業生存空間越來越小。如何獲得價格低廉的生產原料已經成為公司合成氨及合成氨下游產品生存和發展的首要問題。

而同樣位于河西堡鎮的河西堡化工循環產業園,也面臨著環保問題。當園區規劃的300萬t/a搗固焦和120萬t/a蘭炭兩個項目建成后,將有6.6億m3/a的焦爐煤氣和12億m3/a的蘭炭煤氣兩種廢氣產生。焦爐煤氣可以作為燃料或合成氨原料氣;而對于蘭炭煤氣,由于有效成分及熱值較低,只能通過“點天燈”的方式處理,不僅造成了資源的浪費,而且也給周圍環境造成了嚴重的污染,制約著園區的進一步發展。

為了解決合成氨原料的問題,同時解決園區廢氣排放,經過專家多方的考察論證,并經項目的可行性分析,得出了焦爐煤氣可以作為合成氨原料這一結論。依據這一結論以及對生產工藝等的深入探索研究,公司以園區搗鼓焦一期項目產生的焦爐煤氣為原料,建設20萬t/a合成氨項目,在一定程度上緩解了原料以及環境問題。

而對于成分與焦爐煤氣相似,且產生量更大的蘭炭煤氣,是否也能像焦爐煤氣一樣用于合成氨生產,增加合成氨原料來源,并減小蘭炭煤氣對環境的污染,則是本文研究的主要內容。

2 焦爐煤氣生產合成氨工藝簡介

為了能夠完成蘭炭煤氣生產合成氨的工藝研究,我們簡要介紹我公司的焦爐煤氣生產合成氨工藝,希望能夠參考此成熟工藝完成本文研究工作。

2.1 氨的合成反應

氨的合成反應式為:

通過上述反應式可以看出,控制好原料中N2和 H2的比例是制合成氨的關鍵[1]。

2.2 焦爐煤氣成分分析

我公司利用的焦爐煤氣成分如表1:

表1 焦爐煤氣成分表

根據上表可知,焦爐煤氣中有效成分(H2+ CO)為64%,而N2僅為4%。對比制合成氨反應式,原料氣中氫多氮少,而且CH4含量高達26%,不可能將其直接用于合成氨生產工藝。該氣體成分與天然氣制合成氨一段轉化后的氣體成分比較相近,因此可以采用一定的工藝技術將其用于合成氨生產。

2.3 焦爐煤氣生產合成氨工藝

根據焦爐煤氣的成分特點,山西省化工設計院采用蒸汽富氧轉化設計了焦爐煤氣制合成氨工藝技術,并于2007年在山西侯馬豐喜集團華瑞公司成功建成了一套18萬t/a年合成氨的示范裝置。

我公司利用此工藝技術,以搗固焦一期項目的焦爐煤氣為原料,設計完成了20萬t/a年合成氨的生產項目,目前該項目正處于建設過程中。該工藝技術以富氧轉化、甲烷化精制以及高壓氨合成等3項技術為核心,將焦爐煤氣經管道送至生產裝置后,經除焦鼓風、壓縮、干法脫硫、富氧轉化、中串低變換、改良熱鉀堿脫碳、甲烷化、合成氣壓縮以及氨合成等工序即完成了合成氨的生產。

3 蘭炭煤氣生產合成氨工藝探究

3.1 蘭炭煤氣成分分析

本文研究的蘭炭煤氣的成分如表2:

表2 蘭炭煤氣成分表

通過成分表可知,蘭炭煤氣中的有效成分(H2+CO)僅為44.8%,而N2為38.1%,對比合成氨反應原理,該氣體中明顯是氮多氫少。

3.2 蘭炭煤氣生產合成氨可行性分析

如果將蘭炭煤氣直接用于合成氨生產工藝,將會導致系統中氫氮比失調;而且其中惰性成分——CH4含量又很高,此含量卻又達不到通過甲烷轉化方式將其用于合成氨生產的含量,因此這種方案不可行。

如果先將蘭炭煤氣中的有效成分分離出來,用于制合成氨工藝,則又會造成生產系統的合成氨生產能力偏小;即使能夠進行工業生產,帶來的效益也會較差,因此這種方案也是不可行的。

綜上所述,如果想要將蘭炭煤氣作為合成氨的原料氣,只有通過向其中添加某些原料這一種方案才能達到生產要求。

按照這種思路并結合焦爐煤氣生產合成氨的成功經驗,本文提出了一種以蘭炭煤氣為主要原料生產合成氨的工藝。

3.3 蘭炭煤氣生產合成氨工藝技術方案

通過本文上述內容的介紹可知,蘭炭煤氣中氮多氫少,而焦爐煤氣中氫多氮少;同時借鑒韓城市黑貓能源利用有限公司以焦爐煤氣、甲醇馳放氣為原料生產液氨的成功經驗,我們總結出了自己的蘭炭煤氣生產合成氨的工藝技術路線[2]。

本工藝要依托在建的焦爐煤氣生產合成氨裝置中的轉化裝置,其具體思路為:將蘭炭煤氣中的甲烷及部分氮氣通過變壓吸附裝置分離出來,送至在建的焦爐煤氣生產合成氨裝置中進行蒸汽富氧轉化;形成的轉化氣中由于氫的含量大大提高,將該轉化氣送回蘭炭煤氣生產合成氨裝置作為原料氣的一部分,加入到蘭炭煤氣中,從而使蘭炭煤氣生產合成氨裝置中氫氮比達到合理的水平;去除了蘭炭煤氣中多余的甲烷后,能夠保證合成氨生產的順利進行;而送至轉化裝置中的部分氮氣則作為焦爐煤氣生產合成氨裝置的部分氮源。

這種工藝一方面可以將蘭炭煤氣中的CH4、C2H4和C2H6等通過蒸汽富氧轉化全部轉化為氨合成的有效氣體,1摩爾的CH4經過轉化可產生4摩爾的H2,即可以增加28.8%的 H2量,6億m3/a的蘭炭煤氣即可滿足新建一期20萬t/a合成氨項目;另一方面,經過變壓吸附送至在建的焦爐煤氣生產合成氨裝置的氮氣,又解決了焦爐煤氣氮氣偏少的問題,可謂一舉兩得。

3.4 蘭炭煤氣生產合成氨工藝流程

利用蘭炭煤氣為原料,我們研究出自己的合成氨生產工藝路線,該工藝以變溫吸附脫苯萘、變壓吸附脫碳、變壓吸附脫氮及甲烷、高壓氨合成等技術為核心,具體工藝流程如圖1。

圖1 蘭炭煤氣生產合成氨工藝流程圖

3.5 蘭炭煤氣生產合成氨經濟效益分析

按照我們提出的生產工藝,以化工園區產生的蘭炭煤氣為原料,能夠滿足新增20萬t/a合成氨的產能要求。通過該工藝的成本進行分析計算得出,合成氨生產成本約為1288.0元/t,還不到白煤制合成氨生產成本的一半。如果液氨價格按2500元/t計,那么每年產生的利潤可望達到1億元人民幣,其經濟效益非?？捎^。

4 結 論

本文探究了以蘭炭煤氣生產合成氨的工藝技術,得出了蘭炭煤氣可以作為原料氣用于合成氨的生產這一結論,并提出了相應的工藝路線。如果按照該工藝進行工業生產,不僅能夠解決我公司合成氨生產成本偏高、經濟效益差的問題,提高公司合成氨及下游聯堿產品的市場競爭能力,而且還能夠減輕甚至消除河西堡化工園區蘭炭生產裝置產生的廢氣對環境的污染,實現蘭炭生產企業與以合成氨為龍頭的化工企業雙贏的局面,推動化工園區的循環經濟建設。

[1] 王敏.合成氨生產中的廢氣與節能效益[J].甘肅化工,2000(3):131～133

[2] 顧維,謝全安.焦爐氣制甲醇馳放氣合成氨工藝研究[J].河北化工,2011,34(3):15～17.

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1005-8370(2011)04-17-03

2011-05-05