Measures for Promoting Synthetic Ammonia Production by Changing Nitrogen Addition Position
Abstract：
Affected by gasification process change, gas treatment capacity of low-temperature methanol wash section declines, resulted in ammonia synthesis production capacity failing to meet the requirements of full-load operation, so the nitrogen addition position of the original process is changed. Through strict scientific calculation, the rational cycling time of gasifier and nitrogen adaptive proportion are obtained. After the revamp, the content of effective gas is increased significantly, synthetic ammonia production capacity is promoted, attaining the aim of energy saving and production increasing.
近年来，随着合成氨产业的不断发展壮大，大批新装置投入运行；同时，一些老的中、小型合成氨生产企业在原合成氨装置的基础上进行了优化改造，大部分装置在改造后实现了产能增长和消耗下降，但部分装置因受制气工艺改变、部分工段不能进行改造等因素影响，优化改造不能实现满负荷运行。
湖北宜化集团有限责任公司也存在类似的状况，集团下属合成氨类子公司中，湖北双环公司和新疆宜化公司因低温甲醇洗工段气体处理量的限制，合成氨装置无法达到满负荷生产要求，后经技术改造，将从空分装置引入的N2经加压后补入低温甲醇洗工段，使合成氨产量增加10%、吨氨电耗下降30 kW·h。
1
装置存在的问题
湖北双环公司原设计合成氨产能1 000 t/d，2013年5月，为解决整套装置稳定运行问题，进行了煤制气改造。湖北双环公司改造前、后气体成分见表 1，新疆宜化公司富氧连续制气气体成分见表 2。
表 1
|
项目 |
气体主要成分含量/% |
|
φ(CO2) |
φ(O2) |
φ(CO) |
φ(H2) |
φ(CH4) |
φ(N2+Ar) |
|
改造前 |
进变换 |
2.2 |
0.2 |
63.3 |
19.1 |
70×10-6 |
11.2 |
|
进低温甲醇洗 |
40.0 |
|
0.3 |
52.4 |
70×10-6 |
6.5 |
|
改造后 |
进变换 |
12.0 |
0.4 |
26.0 |
37.0 |
1.6 |
23.0 |
|
进低温甲醇洗 |
24.8 |
|
0.3 |
51.3 |
1.1 |
22.0 |
表 2
|
项目 |
气体主要成分含量/% |
|
φ(CO2) |
φ(O2) |
φ(CO) |
φ(H2) |
φ(CH4) |
φ(N2+Ar) |
|
进变换 |
21.4 |
0.4 |
21.2 |
35.0 |
3.0 |
19.0 |
|
进低温甲醇洗 |
34.5 |
0.1 |
1.2 |
45.9 |
2.5 |
15.8 |
由表 1可见：改造后，进入低温甲醇洗工段的CO2含量降低，导致甲醇贫液温度和气体处理量下降，合成氨生产能力只能达到900 t/d。
由表 2可见：改变加氮位置前，新疆宜化公司300 kt/a合成氨装置因煤气中CO2含量偏高、有效气(CO+H2)含量偏低，压缩机低压段至低温甲醇洗工段的相对产氨能力偏低，只能达到950 t/d。
2
提高产能的具体措施
湖北双环公司和新疆宜化公司采用的脱硫和脱碳工艺均为低温甲醇洗工艺，因此配备有空分制氮装置，用于低温甲醇洗工艺的气提再生。由于空分装置生产的N2有富余，因此考虑将富余的N2经氮压缩机加压至3.0 MPa后直接补入低温甲醇洗工段后部，以减少制气补氮量，提高有效气含量，从而在相同的气量下相对提高压缩机、变换、低温甲醇洗工段的产氨能力。空分装置副产的O2则可用于锅炉烟气脱硫、制气补氧和液氧出售。
湖北双环公司和新疆宜化公司的工艺流程相同，加氮位置改变前、后工艺流程见图 1。
图 1
3
加氮位置改变前、后物料衡算
3.1
氨合成反应需要的H2和N2
按照氨合成化学反应式，吨氨H2和N2消耗量见表 3。
表 3
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项目 |
H2 |
N2 |
|
理论消耗/m3(标态) |
1 976 |
659 |
|
实际消耗/m3(标态) |
2 100 |
700 |
3.2
氨合成反应的氢氮比调节
不同煤制气工艺的氢氮比调节方法不同，湖北双环公司的固定层上下吹交替制气工艺调整前，通过增减吹风气回收和上吹加氮时间来调节氢氮比。
新疆宜化公司的固定层富氧连续上吹制气工艺调整前，通过改变富氧浓度来调节氢氮比。这2种工艺调整后，都尽可能多地在低温甲醇洗工段后部配氮以调节氢氮比。
3.3
调整原则及计算
3.3.1
调整原则
为尽可能减轻工艺调整对制气煤耗的影响，必须选择合适的减氮方式。半水煤气生产过程的效率是吸热反应与放热反应的热量平衡问题，简化处理可归结为C+H2O的吸热与C+O2的放热之间的热平衡。为保证合成氨生产(CO+H2)/N2≈3 :1(物质的量比)的要求，固定层上下吹交替制气工艺调整原则：①稳定吹风时间、制气加氮时间不变；②尽可能减少造气吹风气回收(甚至吹净回收)中煤气的量，以减少氮气补入量。固定层富氧连续上吹制气调整原则：①保证H2O:O2物质的量比不变；②尽可能提高氧浓度。
3.3.2
可补入N2量的上限计算
(1) 固定层上下吹交替制气
理论吹风气成分：φ(CO2)16.96%，φ(O2)0.40%，φ(CO)5.45%，φ(H2)2.90%，φ(CH4)0.72%，φ(N2)73.57%。
理论加氮水煤气成分：φ(CO2)7.80%，φ(O2)0.35%，φ(CO)31.75%，φ(H2)41.50%，φ(CH4)0.78%，φ(N2)17.82%。
按吨氨耗有效气(CO+H2)2 100 m3(标态，下同)计，则吨氨耗加氮水煤气量为2 867 m3。吨氨加氮水煤气中含N2 511 m3，则吨氨高压段需补入N2=700-511=189(m3)。
故对固定层上下吹交替制气工艺，吨氨氮气调配量为0~189 m3。
(2) 固定层富氧连续上吹制气
理论上说，当固定层富氧连续上吹制气工艺采用纯氧制气时，补入的N2量最大，因此，吨氨N2的调配量为0~700 m3，实际补入量取决于产量增加与用纯氧量成本之间的效益差。
4
运行效果
湖北双环公司每小时在低温甲醇洗工段后部补入3 700 m3 N2后，煤气中φ(CO+H2)增加5.0%，氨产量从900 t/d提高至950 t/d。日产合成氨量上升50 t后，吨氨固定成本分摊降低21元，按年生产350 d计，折年增加经济效益700万元。
湖北双环公司加氮位置调整前、后煤气主要成分含量对比见表 4。
表 4
湖北双环公司加氮位置调整前、后煤气主要成分含量对比
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项目 |
φ(CO2) |
φ(O2) |
φ(CO) |
φ(H2) |
φ(CH4) |
φ(N2+Ar) |
|
调整前 |
12.0 |
0.4 |
26.0 |
37.0 |
1.6 |
23.0 |
|
调整后 |
10.0 |
0.4 |
28.6 |
39.4 |
1.6 |
20.0 |
新疆宜化公司每小时在低温甲醇洗工段后补入4 100 m3 N2后，煤气中φ(CO+H2)增加2.4%，氨产量从950 t/d提高至1 050 t/d。日产合成氨量上升100 t后，吨氨固定成本分摊降低65元，按年生产350 d计，折年增加经济效益2 352万元。
新疆宜化公司加氮位置调整前、后煤气主要成分含量对比见表 5。
表 5
新疆宜化公司加氮位置调整前、后煤气主要成分含量对比
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项目 |
φ(CO2) |
φ(O2) |
φ(CO) |
φ(H2) |
φ(CH4) |
φ(N2+Ar) |
|
调整前 |
21.4 |
0.4 |
21.2 |
35.0 |
3.0 |
19.0 |
|
调整后 |
19.8 |
0.5 |
20.0 |
38.6 |
3.2 |
17.9 |
沪公网安备 31010702007066号