CN101580234B - 膜法富氮空气输入二段转化炉的合成氨造气工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膜法富氮空气输入二段转化炉的合成氨造气工艺，其特征是将空气加压后部分进入膜分离器。膜分离器渗余侧获得的富氮空气可以直接与空气压缩机出口空气混合作为工艺空气，经空气预热器被高温烟道气加热后进入二段转化炉。调节工艺空气中的富氮浓度以及空气预热器的热负荷，保证二段转化炉中的适宜H/N比和甲烷高转化率。膜分离器的渗透侧获得富氧空气，加入一段转化炉进行助燃，提高天然气的燃料利用率。该工艺通过在空气预热器中将工艺空气预热至更高的温度，以减少二段转化炉中的氢气燃烧量，提高天然气的原料利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种烃类蒸汽转化工艺方法，尤其是一种利用氢气燃烧热量供给烃类深度转化制取合成氨原料气的二段转化炉烃类蒸汽转化工艺方法。
背景技术
合成氨是国民经济的支柱产业，产量居各种化工产品首位。同时也是能源消耗大户，世界上大约有10％的能源用于合成氨。合成氨生产的能耗约90％集中在原料能耗和燃料能耗两部分。随着能源危机的日益加剧，提高合成氨厂天然气的原料利用率成为合成氨装置节能降耗的一种重要途径。
二段转化炉是合成氨造气工段的主要设备之一。原料气甲烷在一段转化炉中发生蒸汽转化后进入二段转化炉，并按一定比例加入压缩工艺空气。在二段转化炉中，一方面利用空气中所含O2和一段转化所生成H2的燃烧热提供甲烷深度转化所需的高温环境，另一方面利用空气中所含N2配入合成反应所需的N2。因此，保证甲烷高转化率和适宜H/N比，是控制二段转化炉进口空气用量的两个重要依据。
目前，合成氨工艺普遍采用过量空气或富氧空气进入二段转化炉。加入过量空气，可以提供甲烷深度转化所需的高温条件，但常需在后续工段中加设深冷分离装置除去过量的N2，既增加了投资费用和动力消耗，又由于H2在深冷分离装置的回收率所限，降低了原料的利用率；采用富氧空气，可以在二段转化炉中获得适宜的H/N比，提高H2的燃烧速度和热利用率。但是仍然存在原料天然气利用效率降低的缺点，即由于甲烷在一段转化炉中经蒸汽转化生成H2的转化效率仅约50％，H2的燃烧热仅约为甲烷燃烧热的30％，因此在二段转化炉中燃烧H2提供甲烷深度转化所需热量的方法，增加了天然气的原料及燃料能耗。
现有制备富氧空气或富氮空气的方法有深冷分离、变压吸附、膜分离等三种。其中深冷分离、变压吸附方法可以获得较高纯度(大于90％摩尔分率，下同)的富氧或富氮空气，但能耗较大；膜分离法可以制备富氧30-40％，富氮＞90％的空气，具有能耗低、装置简单、启动速度快等优点。上述三种装置用于合成氨造气工艺时，通常只应用其富集氧气的作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种对二段转化炉进口空气进行富氮调节，提高天然气原料利用率、增产氢气的二段转化炉烃类蒸汽转化工艺方法。
本发明对二段转化炉进口工艺空气进行富氮调节，从而减少二段转化炉中H2的燃烧量，同时在空气预热器中将工艺空气预热至更高的温度，满足二段转化炉中甲烷高转化率的要求。膜分离器渗透侧富氧气加入一段转化炉进行富氧燃烧，以提天然气的燃烧效率。
本发明的技术方案如下：
利用空气压缩机系统，将空气加压，然后使部分压缩空气经冷却器调节温度至40-60℃，精密过滤器除去杂质后，进入中空纤维式氧氮膜分离器。采用氧氮膜分离器分离其中的氧气和氮气。由于氮气、氧气在膜中渗透速率的不同，在膜分离器的渗透侧获得富氧气，渗余侧获得富氮气。经氧氮膜分离器分离后，渗余侧富氮空气浓度约为80-95％(摩尔分率，下同)，渗透侧富氧空气浓度约为28-40％。氧氮膜分离器的渗透侧获得富氧空气，加入一段转化炉进行助燃。富氧燃烧可以降低一段转化炉天然气燃烧的空气过剩系数，提高火焰温度，增加天然气的热能利用率。由于富氮空气压力基本不变，可以直接与空气压缩机出口压缩空气混合作为工艺空气，经空气预热器预热后进入二段转化炉。调节富氮空气的浓度以及空气预热器的热负荷，在保证二段转化炉中适宜H/N比(2.4-3.0)和甲烷高转化率(残余甲烷含量通常控制0.5％以下)的前提下，将二段转化炉热负荷向空气预热器转移，即在空气预热器中将工艺空气预热至更高的温度，以减少二段转化炉中的氢气燃烧量，因此增加氢气的产量。
所述空气压缩机系统是指多级压缩机，级间设置冷却器和气液分离罐。
所述空气预热器的加热介质是天然气或煤等燃料燃烧产生的高温烟道气。
所述富氧空气的压力通过调节氧氮膜分离器的跨膜压差进行调节，使其可以直接进入一段转化炉进行助燃。
本发明的有益效果是：相对于现有二段转化炉烃类蒸汽转化工艺，本发明将二段转化炉热负荷向空气预热器转移，即在空气预热器中将工艺空气预热至更高的温度，以减少二段转化炉中的氢气燃烧量，因此增加氢气的产量(即增产氨)。通过膜分离法富集氮气，以及调节进入膜分离器的压缩空气流量，可以获得不同浓度的富氮空气，满足不同预热器热负荷下二段转化炉操作的适宜H/N比和甲烷高转化率，提高合成氨装置的操作弹性。膜分离法副产的富氧气进入一段转化炉作为助燃剂，可以提高天然气的燃料利用率。
附图说明
附图是膜法富氮空气输入二段转化炉的合成氨造气工艺流程图。
图中：1空气压缩机；2冷却器；3精密过滤器；4氧氮膜分离器；5空气预热器；6二段转化炉。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细本发明的具体实施例。
实施例1：
利用四级空气压缩机1将工艺空气逐级加压至3.49Mpa(g)，利用气液分离罐分离每级压缩产生的液体，利用级间冷却器将空气冷却至153？，压缩空气的流量和组成如下表1所示：
| 组分 | N<sub>2</sub> | O<sub>2</sub> | Ar |
| 干基组成/％ | 78.10 | 20.95 | 0.95 |
不采用富氮空气时，直接使全部压缩空气经空气预热器5预热至484℃后进入二段转化炉6。二段转化炉的另一股进料是来自一段转化炉的工艺气，温度为822℃、压力为3.20Mpa(g)，流量为4200.65kmol/h，组成如下表2所示：
| 组分 | CH<sub>4</sub> | N<sub>2</sub> | H<sub>2</sub> | Ar | CO<sub>2</sub> | CO |
| 干基组成/％ | 15.29 | 0.65 | 65.65 | 0.007 | 9.89 | 8.51 |
经空气预热器5预热后进入二段转化炉的工艺空气的参数为：
| 预热温度/℃ | 富氮气浓度/％ | 空气流量/kmol/h |
| 484 | 78.10 | 1889.38 |
二段转化炉的出口工艺气中，主要控制指标为：
| CH<sub>4</sub>含量/干基％ | 氢氮比 | H<sub>2</sub>流量/kmol/h | 出口温度/℃ |
| 0.4664 | 2.987 | 3854.24 | 951.0 |
实施例2：
利用四级空气压缩机1将工艺空气逐级加压至3.49Mpa(g)，利用气液分离罐分离每级压缩产生的液体，利用级间冷却器将空气冷却至153℃。然后使部分压缩空气经冷却器2调节温度至40℃，精密过滤器3除去杂质后，进入中空纤维式氧氮膜分离器4。由于压缩空气中的氧气在聚合物膜材料中优先透过，在膜分离器的渗透侧获得富氧空气，渗余侧获得富氮空气。经膜分离器分离后，渗余侧富氮空气浓度约为80％(摩尔分率，下同)，渗透侧富氧空气浓度约为30％。膜分离器渗透侧获得的富氧空气加入一段转化炉进行助燃。渗余侧富氮空气的压力与压缩空气基本相等，作为冷却器2中的冷流体，与温度较高的压缩空气换热，然后直接与空气压缩机1出口的另一部分压缩空气混合作为工艺空气，经空气预热器5预热后进入二段转化炉。二段转化炉的另一股进料为来自一段转化炉的工艺气，参数与实施例1相同。经空气预热器5预热后进入二段转化炉的工艺空气的参数为：
| 预热温度/℃ | 富氮气浓度/％ | 空气流量/kmol/h |
| 500 | 78.27 | 1995.00 |
二段转化炉的出口工艺气中，主要控制指标为：
| CH<sub>4</sub>含量/干基％ | 氢氮比 | H<sub>2</sub>流量/kmol/h | 出口温度/℃ |
| 0.4644 | 2.974 | 3857.36 | 950.8 |
实施例3：
利用四级空气压缩机1将工艺空气逐级加压至3.49Mpa(g)，利用气液分离罐分离每级压缩产生的液体，利用级间冷却器将空气冷却至153℃。然后使部分压缩空气经冷却器2调节温度至40℃，精密过滤器3除去杂质后，进入中空纤维式氧氮膜分离器4。由于压缩空气中的氧气在聚合物膜材料中优先透过，在膜分离器的渗透侧获得富氧空气，渗余侧获得富氮空气。经膜分离器分离后，渗余侧富氮空气浓度约为90％(摩尔分率，下同)，渗透侧富氧空气浓度约为28％。膜分离器渗透侧获得的富氧空气加入一段转化炉进行助燃。渗余侧富氮空气的压力与压缩空气基本相等，作为冷却器2中的冷流体，与温度较高的压缩空气换热，然后直接与空气压缩机1出口的另一部分压缩空气混合作为工艺空气，经空气预热器5预热后进入二段转化炉。二段转化炉的另一股进料为来自一段转化炉的工艺气，参数与实施例1相同。经空气预热器5预热后进入二段转化炉的工艺空气的参数为：
| 预热温度/℃ | 富氮气浓度/％ | 空气流量/kmol/h |
| 600 | 78.75 | 1985.00 |
二段转化炉的出口工艺气中，主要控制指标为：
| CH<sub>4</sub>含量/干基％ | 氢氮比 | H<sub>2</sub>流量/kmol/h | 出口温度/℃ |
| 0.4640 | 2.986 | 3876.40 | 952.3 |
上述三个实施例中，进入二段转化炉的工艺空气的富氮程度依次增加，通过增加空气预热器5的热负荷，可以补充由于工艺空气中氧气浓度降低造成的二段转化炉热量供应不足。
上述三个实施例中，二段转化炉的主要控制指标甲烷含量和氢氮比近似相等，而二段转化炉出口的氢气流量随工艺空气的富氮程度增加而逐渐提高，表明本发明的二段转化炉富氮工艺空气进料可以有效提高天然气的原料利用率，增产氢气(即增产氨)。
Claims (1)
1.一种膜法富氮空气输入二段转化炉的合成氨造气工艺，其特征在于：
利用空气压缩机(1)，将空气加压，然后使部分压缩空气经冷却器(2)调节温度至40-60℃，精密过滤器(3)除去杂质后，进入氧氮膜分离器(4)；采用氧氮膜分离器分离其中的氧气和氮气，在氧氮膜分离器(4)的渗透侧获得富氧气，渗余侧获得富氮气；经氧氮膜分离器(4)分离后，富氮空气直接与空气压缩机(1)出口压缩空气混合作为工艺空气，经空气预热器(5)预热后进入二段转化炉(6)；调节富氮空气的浓度以及空气预热器(5)的热负荷，保证二段转化炉(6)中H/N比和甲烷高转化率，将二段转化炉热负荷向空气预热器(5)转移；
所述空气压缩机(1)是指多级压缩机，级间设置冷却器和气液分离罐；
所述空气预热器(5)的加热介质是燃料燃烧产生的高温烟道气；
所述富氧空气的压力通过调节氧氮膜分离器(4)的跨膜压差进行调节，使其直接进入一段转化炉进行助燃。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |