等壓合成氨工藝節(jié)能計算

(1.杭州龍山化工有限公司，浙江 杭州 311228；2.北京清創(chuàng)晉華科技有限公司，北京 100084；3.安陽化學工業(yè)集團有限責任公司，河南 安陽 455000)

合成氨工業(yè)是不可替代的傳統(tǒng)工業(yè)，它的轉(zhuǎn)型升級節(jié)能減排只能且必須通過技術(shù)進步不斷降低能耗；我國合成氨工業(yè)現(xiàn)有工藝，壓力高、能耗高，不符合合成氨工業(yè)的發(fā)展方向。本文提出設(shè)計等壓合成氨是合成氨工業(yè)發(fā)展方向，目前條件已成熟。

1 工藝部分介紹

1)對原料路線進行改造，由原無煙塊煤改為煙煤。

動力結(jié)構(gòu)由電力變?yōu)槊簹饣碑a(chǎn)16.5 MPa、535～570 ℃蒸汽動力為主。

2)水煤漿氣化清潔環(huán)保、易于大規(guī)模化、投資少、占地少、安全性好等特點。且可以處理其他系統(tǒng)產(chǎn)生的難以處理的有機污水。

3)取消氨合成工序的原料氣壓縮機，實現(xiàn)煤氣化與氨合成等壓。

工藝流程主要分為5個工序：空分配煤氣化；變換；低溫甲醇洗；液氮洗；氨合成。該流程與傳統(tǒng)的工藝比較，具有節(jié)能、清潔環(huán)保、安全、技術(shù)先進、安全上采用集中優(yōu)化控制等特點。

由空分(制氧)→水煤漿8.7 MPa氣流床氣化→耐硫變換→低溫甲醇洗→液氮洗→低壓7.7 MPa氨合成、硫磺制酸、氨回收等工序組成。

1.1 氣化流程特點

水煤漿加壓氣化技術(shù)是當前世界上已工業(yè)化較先進的氣化技術(shù)，氣化壓力可高達8.7 MPa。

本工藝以水煤漿和純氧為原料，在高溫、高壓、非催化條件下進行部分氧化反應(yīng)，生成以CO和H2為主要組分的粗合成氣。該煤氣化裝置不產(chǎn)生焦油、萘、酚等污染物，并且可以燃燒有機廢水。

1.2 變換流程特點

變換工序的作用是將煤氣化來的水煤氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)合成氨的原料氣之一——氫氣。自氣化送來的水煤氣中一氧化碳與水蒸汽在變換催化劑的作用下發(fā)生變換反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫和二氧化碳，變換氣最終一氧化碳含量為≤0.5%，同時將大部分的有機硫轉(zhuǎn)化成無機硫后變換氣被送至低溫甲醇洗工段。

利用變換反應(yīng)熱，分別產(chǎn)生3.9 MPaG飽和蒸汽(或過熱)、1.4 MPaG飽和蒸汽、0.4 MPaG飽和蒸汽，供聯(lián)堿、硝酸、尿素等各系統(tǒng)使用。

1.3 低溫甲醇洗部分

低溫甲醇洗的主要任務(wù)是脫除變換氣中的H2S、COS、CO2等雜質(zhì)氣體。一般要求凈化氣中CO2含量低于10 ppm，總硫含量低于0.1 ppm。離開低溫甲醇洗的凈化氣繼續(xù)送往液氮洗工段，最終得到滿足合成氨要求的合成氣。

1.4 液氮洗部分

液氮洗的主要任務(wù)是對工藝氣體進行最終凈化，除去對氨合成催化劑有害的CO和CO2組分，同時也除去CH4和Ar等其它雜質(zhì)；并進行配氮，使合成氣中的氫氮比達到合成氨要求的3∶1。液氮洗與低溫甲醇洗綜合考慮冷量利用，保證了系統(tǒng)冷量的有效回收。

采用液氮洗工藝凈化度高，在低溫狀態(tài)下可以完全除去來自低溫甲醇洗裝置的凈化氣中的CO、CO2、CH4等，并配入氮氣，使合成氣的組成滿足H2∶N2=3∶1，因而在合成回路中無弛放氣，減少了氣體損失，氨合成回路壓縮功耗也較低。

1.5 氨合成部分

氨合成采用浙江工業(yè)大學博士研究生導師，劉化章教授的超低壓氨合成技術(shù)，如對年產(chǎn)25萬t合成氨，選用φ3000氨合成塔，工作壓力7.7 MPa，氨合成反應(yīng)熱產(chǎn)生3.9 MPa飽和蒸汽，供聯(lián)堿和硝酸使用。

氨合成裝置的主要任務(wù)是將凈化后的氨合成氣轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品氨，將氨從合成氣中分離并將液氨產(chǎn)品送往氨庫貯存，以滿足后續(xù)生產(chǎn)的原料供應(yīng)，同時，將分離出液氨的合成氣送往合成壓縮工段增壓后返回合成裝置。來自液氮洗工段的合成新鮮氣(30 ℃，7.8 MPa)進入合成系統(tǒng)。合成塔φ3200，裝催化劑150 m3。

2 煤氣化部分節(jié)能計算

根據(jù)新型低壓合成氨催化劑成功運用，并結(jié)合水煤漿加壓氣化的壓力高、能量集中容易回收等優(yōu)勢，將兩者完美結(jié)合起來，設(shè)置的8.7 MPa水煤漿加壓氣化爐、氣化副產(chǎn)10.0 MPa 540 ℃或17.0 MPa 535～570 ℃高壓過熱蒸汽。

2.1 按亞臨界參數(shù)定熱電設(shè)計及發(fā)電計算

計算條件：氣化爐副產(chǎn)蒸汽壓力進汽輪機16.5 MPa，蒸汽溫度570 ℃，乏汽壓力為5 kPa。

2.1.1 求汽輪機排出3.5 MPa蒸汽的溫度T4

P3=16.5 MPa，P4=3.5 MPa，

T3=570+273=843 K

T3/T4=(P3/P4)K-1/K

843/T4=(16.5/3.5)0.33/1.33

得T4=573.9 K=300.8 ℃。

2.1.2 計算其熱效率

汽輪機排出3.5 MPa、300.8 ℃蒸汽重新回氣化爐再熱，再熱后溫度仍為570 ℃。

16.5 MPa 570 ℃H3=3 490 kJ/lg S3=6.5 kJ/kg·K

3.5 MPa 300.8 ℃H4=2 962 kJ/kgS4=6.4 kJ/kg·K

3.5 MPa 570 ℃H5=3 635 kJ/kgS5=7.35 kJ/kg·K

P=5 kPa時，飽和液體H3′L=H6=136 kJ/kg，蒸汽H3′V=2 559 kJ/kg，飽和液體熵S3′L=0.472 kJ/kg·K，S3′V=8.4 kJ/kg·K。

由S5′=S5=7.35 kJ/kg·K

可得再熱后膨脹終點的干度X5′為：

X5′=(S5′-S3′L)/(S3′V-S3′L)

=(7.35-0.472)/(8.4-0.472)=0.86756

H5′=H3′VX5′+H3′L(1-X5′)

=2 559×0.86756+136(1-0.86756)

=2 238.1 kJ/kg

則再熱循環(huán)的理論熱效率為：

η=[(H3-H4)+(H5-H5′)]/[(H3-H6)+(H5-H4)]

=[(3490-2962)+(3635-2238.1)]/[(3490-136)+(3635-2962)]=0.478

2.1.3 同條件下,無再熱的循環(huán)熱效率

η′=W1/Q1=(H3-H3′)/(H3-H6)

式中，H3′=H3′VX3′+H3′L(1-X3′)，故需先求出無再熱時膨脹終點的干度X3′：

X3′=(S3-S3′L)/(S3′V-S3′L)

=(6.5-0.472)/(8.4-0.472)=0.7603

則H3′=2 559×0.7603+136(1-0.7603)

=1 978.2 kJ/kg

η′=(3 490-1 978.2)/(3 490-136)=0.4507

循環(huán)熱效率提高值為：

(η-η′)/η′=(0.478-0.4507)/0.4507=6.1%

2.1.4 采用再熱循環(huán)的蒸汽發(fā)電量計算

每產(chǎn)一度電所消耗蒸汽量：

d=3 600/W=3 600/[(H3-H4)+(H5-H5′)]

=3600/[(3490-2962)+(3635-2238.1)]

=1.87 kg/(kW·h)

或每產(chǎn)一噸16.5 MPa 570 ℃蒸汽,理論發(fā)電量為1 000 kg/1.87 kg/(kW·h)=535 kW·h

2.1.5 節(jié)能合計

目前實際亞臨界蒸汽按16.5 MPa 540 ℃發(fā)電量汽耗率2.9056 kg/(kW·h)，也就是噸汽輸出功344 kW·h，高壓水煤漿輻射式廢鍋噸氨副產(chǎn)蒸汽1.5 t，相當于噸氨發(fā)電516 kW·h，電價按0.65元/千瓦時計，噸氨副產(chǎn)蒸汽效益為335元。按年產(chǎn)25萬t合成氨能力，節(jié)電部分年效益0.84億元。

2.2 低壓氨合成部分

7.0～7.5 MPa下，ZA-5催化劑的出口氨濃度15.4%～15.8%，氨凈值為11.7%～13.2%，可以滿足合成氨工業(yè)經(jīng)濟性對氨凈值(大于8.4%)的要求。按25萬t/a合成氨裝置，取消原料氣壓縮機，節(jié)電與固定床煤氣爐裝置比較為噸氨850 kW·h，電價按0.65元/千瓦時計，噸氨節(jié)電552元，年節(jié)電效益1.38億元。

2.3 節(jié)約壓縮機的循環(huán)冷卻水

目前固定床煤氣爐配氨合成系統(tǒng)的壓力一段在20 MPa。循環(huán)氣甲烷和氬氣18%～20%，扣除循環(huán)氣甲烷和氬氣，系統(tǒng)壓力折算在15 MPa左右。為了計算方便，按純氮氣計，氮的等壓熱容表示為：

Cp=4.184(6.66+1.02×10-3T)kJ/(kmol·K)

壓縮到15 MPa最終溫度設(shè)為T2:

即：

-8.314 ln150=0

迭代法求解，得T2=1 163 K=890 ℃(六級壓縮機每節(jié)平均溫升144 ℃)。

按25萬t/a合成氨，節(jié)約冷卻熱13 800萬kJ/h(3 300萬kCal/h)。相當于配套7 000 m3/h循環(huán)水裝置省掉，年節(jié)約400萬元。

2.4 小 結(jié)

以上三項合計年節(jié)電為2.26億元。

低壓合成氨是合成氨工業(yè)發(fā)展方向，浙江工業(yè)大學劉化章老師從上世紀70代開始一直致力于合成氨催化基礎(chǔ)理論研究和催化劑的創(chuàng)新開發(fā)，已開發(fā)成功7.0 MPa低溫低壓氨合成催化劑。7.0～7.5 MPa下，ZA-5催化劑的出口氨濃度15.4%～15.8%，氨凈值為11.7%～13.2%，可以滿足合成氨工業(yè)經(jīng)濟性對氨凈值(大于8.4%)的要求。(在 8.5 MPa 或10 MPa 合成工藝條件下，ZA-5 催化劑的出口氨濃度17.6%～18.2%，氨凈值可達13.8%～14.2%。)

3 問題討論

提高蒸汽的初參數(shù)(壓力、溫度)后,因循環(huán)的熱效率增加而使電廠的運行費用下降,因而現(xiàn)代蒸汽動力循環(huán)都朝著高參數(shù),大容量的方向發(fā)展。但是蒸汽初壓的提高將引起乏汽干度的下降,為了解決應(yīng)用高參數(shù)蒸汽后乏汽濕度太大的矛盾,故采用蒸汽再熱循環(huán),走再熱循環(huán)使每千克蒸汽的做功量增加,因而其汽耗率降低,這使得通過設(shè)備的工質(zhì)的質(zhì)量流量減少,從而減輕了水泵和冷凝器的負擔。故高壓水煤漿副產(chǎn)蒸汽建議往13.5 MPa 540 ℃或17.0 MPa 535～570 ℃方向開發(fā)。

浙江工業(yè)大學開發(fā)低壓合成氨工藝的必要條件之一——低壓催化劑，已經(jīng)成功。作為世界上先進的ZA-5 催化劑，以前缺少的僅僅是與其相配套的新工藝。而現(xiàn)在清華大學已成功實現(xiàn)8.7 MPa水煤漿加壓氣化并副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動空分裝置壓縮機，這次對合成氨的等壓改造是具有革命性的理論和現(xiàn)實意義，推廣勢在必行。