梁木榮

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600)

1 合成氨工業(yè)發(fā)展概述

美國凱洛格（Kellogg）公司于20世紀(jì)60年代以單系列和蒸汽透平為驅(qū)動力的大型合成氨裝置，實(shí)現(xiàn)了合成氨工業(yè)的一次飛躍。70年代，受到能源危機(jī)和天然氣漲價(jià)的影響，美國凱洛格、丹麥托普索等有名的合成氨公司又相繼開發(fā)出了節(jié)能降耗的合成氨工藝技術(shù)。并隨后產(chǎn)生了美國凱洛格工藝、美國布朗工藝、英國ICI工藝、丹麥托普索工藝等合成氨工藝。

2 凱洛格合成氨的工藝技術(shù)特點(diǎn)及其節(jié)能降耗技術(shù)分析

2.1 凱洛格合成氨的工藝技術(shù)特點(diǎn)概述

凱洛格公司開發(fā)的KREP合成氨工藝是傳統(tǒng)合成氨工藝的代表，其技術(shù)特點(diǎn)包括利用轉(zhuǎn)化法進(jìn)行干法脫硫，原料氣的制備采用兩段天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法，氣體凈化的方式通過高溫變換CO、濕法脫碳去除CO2和甲烷化，然后再進(jìn)行合成與分離。KREP合成氨工藝可以充分地利用能量，利用反應(yīng)余熱回收蒸汽，然后以汽輪機(jī)驅(qū)動離心式壓縮機(jī)。

凱洛格合成氨工藝還具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）采用汽輪機(jī)驅(qū)動的離心式壓縮機(jī)，使氣體不會受到油霧的污染；

（2）設(shè)置了鍋爐給水預(yù)熱器，將氨合成的反應(yīng)熱進(jìn)行回收并用于加熱鍋爐給水，使熱量可以充分回收利用。

（3）采用三級氨冷，合成后的氣體通過一級降溫達(dá)到-23℃；液氨在冷凍系統(tǒng)經(jīng)過三級閃蒸，壓力不同的三種氣氨分別回到對應(yīng)的離心式氨壓縮機(jī)壓縮段中。所有的氣氨一次性壓縮到高壓，然后冷凝，與一次性蒸發(fā)的工藝相比減少了功耗損失。

（4）放空管線設(shè)置在壓縮機(jī)循環(huán)段前面，這個位置惰性氣體和氨的含量都最高，因?yàn)槭腔厥辗趴諝庵械陌?，所以可以減少氨的損失。

（5）氨冷凝過程設(shè)置在壓縮機(jī)循環(huán)段之后，能夠加強(qiáng)清除氣體中含有的CO2、密封油等雜質(zhì)[1]。

2.2 凱洛格合成氨工藝的節(jié)能降耗技術(shù)分析

2.2.1 節(jié)能型的蒸汽轉(zhuǎn)化

利用低溫?zé)煔鈱θ紵諝膺M(jìn)行預(yù)熱，可以減少煙道氣的熱量損失，并提高轉(zhuǎn)化爐的熱效率；提高進(jìn)入爐管的混合氣體的溫度，并且提高操作壓力使出口溫度降低，從而減小了輻射段的熱負(fù)荷；提高二段爐工藝空氣的預(yù)熱溫度，減輕了對一段爐的要求；在二段爐后面還設(shè)有蒸汽過熱器，以平衡能量的利用；更新了一段爐的結(jié)構(gòu)，將保溫磚改成陶瓷纖維保溫，從而降低爐頂溫度并減少了熱量損失。

2.2.2 改造合成與冷凍系統(tǒng)

首先，臥式合成塔的使用使合成的能耗大幅降低。臥式合成塔的優(yōu)點(diǎn)：縮短了氣體在催化劑層中的行徑，減少了循環(huán)功耗；小顆粒催化劑的應(yīng)用使催化劑活性提高，減小了設(shè)備的體積，并且提高了氨合成的凈值；臥式合成塔與徑向塔對比而言，氣體通過催化劑層的截面積相同，避免產(chǎn)生局部阻力；每層設(shè)有布?xì)庋b置可均勻地分布?xì)饬鳎瑥亩岣甙钡暮铣陕?。其次，使用組合式氨冷器，將幾個獨(dú)立的冷凍設(shè)備和循環(huán)換熱氣合為一體，簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)也減少了投資費(fèi)用，并且降低冷損和阻力。

2.2.3 改良型低能耗制氨工藝的節(jié)能降耗技術(shù)

凱洛格公司對原來的合成氨工藝進(jìn)一步改進(jìn)，得到了“改良型低能耗制氨工藝”，它具有以下技術(shù)特點(diǎn)使能耗降低：首先，采用平行轉(zhuǎn)化器，并利用二段爐出口的工藝氣作為熱源提供給一段轉(zhuǎn)化爐，從而可以減少25%～50%的燃料使用量。其次，采用低壓合成與低壓力降的合成塔，從而節(jié)約了大量壓縮功。此外，采用水吸收法，將氨水精餾回收氨，再用分子篩對水洗厚度循環(huán)氣進(jìn)行脫水；采用燃?xì)馔钙綆訅嚎s機(jī)，高溫尾氣被用于一段爐的燃燒空氣，提高了燃?xì)馔钙降男省?/p>

2.2.4 凱洛格合成氨新工藝（KAAP）

凱洛格合成氨新工藝（KAAP）是于1979年由英國石油公司（BP）和美國凱洛格公司聯(lián)合開發(fā)的，并且于1992年由加拿大的奧西羅合成氨廠首次實(shí)現(xiàn)使用非鐵催化劑的合成氨工業(yè)化生產(chǎn)。KAAP技術(shù)以天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化和低壓氨合成催化劑為基礎(chǔ)，它的技術(shù)核心是低溫低壓高效合成氨催化劑，它是以石墨化的碳為載體的釕基催化劑，活性比鐵催化劑高10～20倍，在低溫低壓下具有高活性，它擴(kuò)大了氫氮比的可操作范圍，（1:1）～（3:1）皆可，增加了合成氨廠的設(shè)計(jì)靈活性。KAAP 技術(shù)可以提高20%～40%的合成系統(tǒng)能力。

3 布朗合成氨工藝特點(diǎn)及其節(jié)能降耗技術(shù)分析

1）布朗工藝是由C.F.Braun公司開發(fā)，20世紀(jì)90年代與布朗和魯特公司合并稱為Brown&Root Brown公司。我國也在20世紀(jì)90年代先后建立起了4座布朗工藝合成氨廠。布朗公司通過研究降低合成氨過程中的燃料能耗方面，開發(fā)出具有“溫和的一段轉(zhuǎn)化、二段爐加入過量空氣、深冷凈化”特點(diǎn)的布朗合成氨工藝。

2）布朗合成氨工藝是當(dāng)代先進(jìn)的合成氨工藝技術(shù)之一，雖然跟其他合成氨流程大同小異，但也有其自身的工藝技術(shù)特點(diǎn)：①輕度一段轉(zhuǎn)化。通過將負(fù)荷轉(zhuǎn)移到二段爐，降低了一段爐的負(fù)荷（可減少50%負(fù)荷），使一段爐的轉(zhuǎn)化條件更加溫和；②二段爐空氣用量是常規(guī)工藝的1.5倍，從而可以降低總?cè)剂舷募s三分之一；③采用燃?xì)馔钙津?qū)動空氣壓縮機(jī)，節(jié)省了投資成本；④深冷凈化除去過量氮?dú)?、甲烷、氬氣，減少了循環(huán)氣量和工藝氣馳放損失并節(jié)省了壓縮功耗。

深冷凈化。甲烷化后的工藝氣通過深冷裝置凈化，除去過量氮?dú)狻⒓淄?、氬氣，減少了循環(huán)氣量和工藝氣馳放損失并節(jié)省了壓縮功耗。深冷凈化工藝具有以下幾個方面的優(yōu)越性：首先是能耗低；其次是節(jié)約了投資費(fèi)用，主要是降低了轉(zhuǎn)化爐的投資，大概可以節(jié)約一段爐1/3的投資，而一段轉(zhuǎn)化爐又是成本最高的設(shè)備，并且還由于新鮮氣雜質(zhì)少，使合成系統(tǒng)得到簡化并減少了合成系統(tǒng)的投資；再次，由于新鮮氣的毒物和惰性氣體含量較少，提高了氨的合成凈值，并減少了冷凍功和循環(huán)功功耗；此外還加強(qiáng)了操作的機(jī)動性。

一、二段爐轉(zhuǎn)化。深冷凈化的應(yīng)用大幅降低了對二段爐的要求，包括對氫氮比和甲烷含量的要求都降低了。二段爐的出口溫度比之前的工藝降低了100℃，二段空氣用量是普通的1.5倍，使一段爐出口溫度降低到700℃，甲烷轉(zhuǎn)化率不足50%，因此大幅降低了一段爐的熱負(fù)荷。并且由于燃?xì)馔钙降奈矚饪梢宰鳛槿紵諝猓虼舜蠓档土艘欢螤t的燃料用量。

空氣壓縮機(jī)采用燃?xì)馔钙?。因?yàn)楣に嚳諝饬吭黾恿?0%，所以需要加大空氣壓縮機(jī)。使用燃?xì)馔钙绞綁嚎s機(jī)可以將排放的尾氣作為一段爐的燃燒空氣，從而很大程度上提高了燃料的利用率。

脫碳。脫碳采用改良本菲爾法和巴斯夫的MDEA法。改良本菲爾法也就是設(shè)置一組噴射泵熱壓縮器從半貧液中抽吸閃蒸出來的部分水蒸氣，閃蒸汽與動力蒸汽混合并進(jìn)入再生塔上面作為汽提蒸汽。變氣廢熱鍋爐生成動力蒸汽提供給噴射泵使用，對半貧液的熱能進(jìn)行了充分利用，閃蒸出蒸汽作為再生汽提汽，所以降低了再沸汽的熱負(fù)荷。因此，改良本菲爾法的再生不要額外提供蒸汽，只是利用低變氣的余熱就已經(jīng)足夠。MDEA法則由于被吸收的二氧化碳容易再生，可以采用減壓閃蒸的方法再生，從而節(jié)省了大量熱量；MDEA法性能穩(wěn)定，對碳鋼設(shè)備基本不腐蝕；MDEA蒸汽分壓較低，凈化氣及再生氣的夾帶損失較少，使整個工藝溶劑損失小。

二塔或三塔合成。布朗合成塔的結(jié)構(gòu)和操作都比較簡單，只需要一個絕熱的催化床層，并且氨合成是在2～3個合成塔中進(jìn)行，全部熱交換都是在塔外，無須冷激，方便使用，相當(dāng)于絕熱反應(yīng)層間換熱型合成塔。