天然氣組分對合成氨裝置的影響

楊 川

（云南水富云天化有限公司合成車間，云南水富 657800）

·設備技改·

天然氣組分對合成氨裝置的影響

楊 川

（云南水富云天化有限公司合成車間，云南水富 657800）

云南水富云天化有限公司合成氨裝置主要是以天然氣為原料，若天然氣的組分發生較大改變時，則原料氣對裝置的參數會產生較大的影響。針對天然氣組分改變后對合成氨裝置產生的影響進行分析，并提出相應的措施進行優化操作。

合成氨；天然氣；組分

云南水富云天化有限公司合成氨裝置采用凱洛格布朗工藝，以天然氣、空氣和水蒸氣為主要原料生產合成氨。經過多次技術改造及增產改進后，生產能力達到1 500 t／d。

2012年8月18日，由于下載中貴線的天然氣，合成氨裝置的系統參數出現較大的波動。經過當班人員的調整，裝置逐漸穩定，但現在的工藝參數與以前相比有了較大的改變

1 對天然氣的組分與相關數據的分析

1.1 天然氣的組分與參數

由于下載中貴線天然氣，天然氣組分發生改變，并網前后的相關參數對比見表1。

表1 并網前后的天然氣組分及相關參數的對比［1］［2］Table 1 Comparison the natural gas components and related parameters before and after merge network

從表1中看出，天然氣并網后，天然氣原料中組分變化最大的是甲烷，從97.3%下降到了89.6%；其次是乙烷、丙烷其它高級烴的組分也相應有所增加，但由于含量較少，影響較小。天然氣組分的改變對工藝負荷有直接的影響。另外，由于天然氣中的烴組分含量變化較大，天然氣的制氫量和二氧化碳產量也有較大影響。

1.2 合成氨裝置的工藝參數

天然氣組分變化前后，在相同氨產量（FQI－36）下的裝置工藝參數的對比情況見表2。

表2 天然氣組分變化前后工藝參數對比［1］Table 2 Comparison the process parameters before and after gas composition change

從表2中看出，當氨產量為裝置滿負荷下的產量時（63.5 t／h），并網后的天然氣量消耗減少，FIC－1的量減少到28.2 t／h，但空氣量基本沒有變化，二氧化碳產量增加了。天然氣組分改變后，FIC－1減少，是因為單位體積的天然氣制氫量和含碳原子數都增多了，生產相同的合成氨用的天然氣體積必然減少。FIC－1實際上經過計算得出的，它是通過限流孔板測量出體積流量，再乘以一個系數，經過溫壓補正后得到的，所以消耗天然氣體積的減少便造成了FIC－1的測量值減少。

1.3 噸氨耗天然氣

噸氨耗天然氣是指裝置每生產一噸合成氨所消耗的天然氣體積量。生產的合成氨包括普里森裝置回收的馳放氣中的氣氨，這部分氣氨對噸氨耗天然氣影響較小，為簡化計算忽略這部分氣氨。所以，噸氨耗天然氣大約為FI－98B／FQI－36的數值。通過查找月報可知，天然氣并網前滿負荷下的噸氨耗天然氣為900～910 m3／t，2013年4月份的工藝考核為值907.44 m3／t。

以滿負荷生產為例，由于天然氣摩爾質量的增加，若系統的實際負荷相同，則天然氣的體積流量必然會比原來少。組分的改變也會導致燃值的改變，從而燃料氣量也會有所變化。

1.3.1 原料用天然氣的用量

在達到滿負荷生產時，依據并網前的氨產量FQI－36（63.5 t／h）、天然氣流量FIC－1（28.8 t／h），可以計算出原料用天然氣的體積流量為39 035 m3／h。

由于氨產量相同則制氫量相同的原則，并網后：

39035×3.9408÷4.2622＝36091 m3／h

由此可見，并網后原料用天然氣的體積流量減少了2 944 m3／h。

1.3.2 燃料用天然氣的用量

由表1可知，并網前天然氣的燃值為35 256.83 kJ／m3，并網后天然氣的燃值為38 230.25 kJ／m3，則并網后天然氣燃值增加了2 973.42 kJ／m3。

通過查詢，并網前燃料氣用量FI－32B為18820 m3／h。那么并網后燃料氣用量應為：

18820×8426.584÷9137.2488＝17356 m3／h

由此可見，并網后燃料用天然氣用量減少了1 464 m3／h。

綜上所述，在滿負荷生產狀態下，原料用天然氣消耗減少了2 944 m3／h，燃料用天然氣消耗減少了1 464 m3／h，天然氣消耗總共減少了4 410 m3／h。

因此，噸氨耗天然氣為855 m3／t，比并網前大約少了50 m3／t。

1.4 二氧化碳產量

滿負荷生產時，并網前的CO2總產量為：39035×0.9987＝38980 m3／h，并網后的CO2總產量為：36091×1.1＝39700 m3／h。在滿負荷時，并網后天然氣的CO2產量多720 m3／h。

2 對合成氨裝置的影響

2.1 裝置滿負荷的改變

當天然氣組分發生變化后，工藝負荷FIC－1 為28.2 t／h時，氨產量FQI－36便已經超過了裝置的設計值62.5 t／h，若再將FIC－1加至28.8 t／h，則裝置將會超負荷運行。由于裝置本身的限制，若長期超負荷連續運行，將會造成許多不利影響；而且，由于裝置受溫度、壓力、管道阻力、流體輸送能力等的限制，也不可能長期超負荷運行。

2.2系統的水碳比

系統水碳比即為加入系統的水蒸氣分子數與天然氣碳原子數之比。由表1可知，并網前1體積天然氣中含有0.9865體積的碳原子，并網后1體積天然氣中含有1.0947體積的碳原子。

根據水碳比計算公式［2］：

式中：FIC2是指加入系統的水蒸氣流量，t／h；FIC1是指加入系統中天然氣的流量，t／h；M氣是指天然氣的摩爾質量，g／mol；Σ碳原子是指天然氣中碳原子的體積分數。

并網之前，水碳物質的量比一直控制在3.2。根據以上公式，即可計算出并網后實際的水碳物質的量比。

并網前，計算的水碳比為：

并網后，計算的水碳比為：

根據上述兩式，可以計算出并網后水碳比為3.11。水碳比與之前相比稍微偏低，為了將實際水碳比控制在3.2操作，可以將計算的水碳比提高。

那么計算的水碳比應該控制在：

所以，現在需要將計算的水碳比提高至3.35操作，才與實際水碳比3.2相符合。

2.3 系統的空氣量

向系統中加入空氣的目的是為了提供合成反應所需要的氮氣以及調整合成塔的氫氮物質的量比。只有將合成塔的氫氮物質的量比控制在適當的范圍內（一般是在2.5～2.9），合成塔才能進行更好的反應。一旦氫氮物質的量比失調，反應的平衡將會被打破，導致系統壓力上升、合成塔床溫下降、氨產量下降，嚴重時甚至會拉跨合成塔床層溫度，使合成反應停止。

根據相同氨產量FQI－36來反推，即天然氣制氫量不會發生變化，按照配入的新鮮氣的氫氮物質的量比為3∶1計算，則配入系統的氮氣在天然氣組分變化前后應該一樣。將原料天然氣中帶入的氮氣折算后，便可以計算出加入系統的空氣量。

并網前，原料天然氣中含有氮氣0.82%（體積分數），滿負荷時FIC－1的天然氣體積流量為39 035 m3／h，加入系統中的空氣為72.3 t／h。并網后，原料天然氣中的含有氮氣1.63%（體積分數），滿負荷時FIC－1的天然氣體積流量為36 091 m3／h。

假設并網后配入系統的空氣量為G t／h，根據并網前、后配入系統氮氣量相等列出等式：

由此可見，在滿負荷下，并網后應加入的空氣量為71.9 t／h，比并網前大約少0.4 t／h。但由于并網后的FIC－1只有28.2 t／h左右，則空氣與天然氣物質的量比為2.55左右，與之前控制在2.5左右的空氣與天然氣物質的量比相比較，稍微偏高0.05左右。

2.4 系統中的惰性氣體含量

并網前、后天然氣中的氬氣含量（體積分數）分別為0.02%和0.026%。加入空氣量偏差0.4 t／h，惰性氣體含量相差不大，對系統的影響可忽略。

3 相應對策

3.1 滿負荷的界定

通過對整個合成氨裝置的系統參數衡量，用氨產量來定義裝置是否達到滿負荷比較合適，這樣既能保證裝置的生產能力，又不會使裝置超負荷運行。

通過對比以前的歷史數據，再結合目前裝置的運行情況，以氨產量（即FQI－36）達到63.5 t／h［3］定義為裝置生產的滿負荷比較合適。

3.2 水碳比的控制

根據目前的工況，水碳比應該提高至3.35操作。若考慮到天然氣組分的變化有可能會長期存在，在對系統參數調整時存在有一定的偏差，會增大調整參數的難度，也可以修改FIC－1流量孔板的內部參數，或者修改水碳比的內部參數，以對應以前所控制的3.2的真實值。

3.3 空氣與天然氣物質的量比的控制

天然氣組分變化對空氣加入量影響較小，空氣會比以前滿負荷時少加入0.4 t／h，但由于FIC －1的指示偏低，在不修改FIC－1內部參數前提下，空氣量與天然氣量之比只需稍微提高至2.55左右，在實際操作中可以根據氫氮物質的量比做具體調整。

3.4 脫碳系統的調整

在滿負荷下，二氧化碳的產量將多出720 m3／h，應加強對脫碳系統的調整。

首先，要增加脫碳再生熱量，保證再生效果良好；其次，要有足夠溶液循環量以保證吸收效果良好，減輕甲烷化爐的負荷；再次，尿素車間的負荷將加重，再生塔壓力可能會升高。為保證再生塔防爆板不會爆破，再生塔壓力不能超過0.036 MPa，注意對系統水平衡的調節，保證脫碳系統各塔液位穩定。

3.5 合成系統惰性氣體含量調整

天然氣組分變化后，帶入系統的惰性氣體含量變化很小，但如果系統蒸汽波動可能造成轉化工段出口甲烷含量增加，或是脫碳系統波動也會造成甲烷化爐出口甲烷含量增加，最終將導致進入合成系統的惰氣含量增加，在操作時可以根據惰性氣體在線指示進行調節。

4 小結

針對合成氨裝置天然氣組分發生變化后出現的狀況，通過理論計算，簡單分析了其對裝置所造成的一些影響，并提出了相應的對策。

本文的計算結果可能與實際工況存在偏差，但對裝置進行優化操作時仍可以起到一定的借鑒作用。

［1］ 云天化股分公司生產數據網.合成氨工藝報表.

［2］ 大連工學院.大型氨廠合成氨生產工藝［M］.北京：化學工業出版社.1984，61.

［3］ 云天化股分公司內部資料.日產1500噸合成氨裝置工藝手冊.A.2物料平衡表.

Influence and Countermeasures of Nature Gas Components on the Ammonia Device

YANG Chuan

（Yunnan Shuifu Yuntianhua Co.synthesis workshop，Shuifu 657800，China）

ammonia device in the Yunnan Shuifu Yuntianhua Limited takes mainly natural gas as raw material，drastically changing of the components of natural gas will cause a greater impact on the parameters of the device.After the components were analyzed for the effects of changes in natural gas on ammonia plant，the corresponding measures to optimize operations were proposed.

ammonia；natural gas；components；optimize operations

TQ113

A

1004-275X（2014）06-0061-04

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.06.016

收稿：2014-09-02

楊川（1981－），男，助理工程師，主要從事合成氨生產技術管理工作。