CN103011197B - 一种用于合成氨生产装置中的氢氮比控制方法 - Google Patents

一种用于合成氨生产装置中的氢氮比控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合成氨生产装置，包括：造气炉控制装置，接收氢氮比控制装置输出的总加氮空气量Qtn(t)和总空气入炉量设定值Qta(t)，并产生加氮阀空气入炉量Qn(t)、排放到大气的空气入炉量Qh(t)和吹风阀空气入炉量Qa(t)；Qn(t)通过加氮阀，Qh(t)通过放空阀，Qa(t)通过吹风阀进入造气炉，并经过变换净化装置后到达合成塔生成氨；其中，Qtn（t）=Qn（t）+Qa（t）-Qh（t）；Qa（t）=Qta（t）-Qn（t）。本发明公开了一种氢氮比控制方法。本发明氢氮比控制不影响总空气入炉量，实现氨生产的稳产、高产和节能。

Description

一种用于合成氨生产装置中的氢氮比控制方法
技术领域
本发明涉及一种合成氨生产装置及氢氮比控制方法。 
背景技术
当用氢（H2）和氮（N2）合成氨（NH3）时，要求原料气的氢氮比为3，所谓的氢氮比控制就是通过对加N2量的调节来使合成塔内的H2/N2达到设定值。在我国主要用煤来合成氨，其工艺流程如图1所示。为生产合格的合成氨原料气，煤气发生炉内的化学反应将是一个吸热反应，为维持炉温必须将吹风阀送入的空气所产生的空气煤气放空（或部分放空），放空时蒸汽阀关闭。现有的氢氮比控制方法为：根据合成塔H2含量（或氢氮比）的高低，来改变加氮阀空气入炉量或放空时间。虽然现有的氢氮比控制工艺能够保证氢氮比基本合格，但会导致炉温变化甚至炉况严重恶化，如：由于煤气发生炉炉温升高，导致CO+H2的产量增大，为保证氢氮比合格，就应该加大加氮阀空气入炉量，这样便进一步导致炉温升高，这就形成了恶性循环，从而导致炉况不稳及氢氮比不稳，严重制约造气炉稳产、高产、节能的生产追求，亟待改进。 
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种合成氨生产装置及氢氮比控制方法，通过本发明的实施，氢氮比控制不影响总空气入炉量，实现氨生产的稳产、高产和节能。 
为达此目的，本发明采用以下技术方案： 
一种合成氨生产装置，包括：氢氮比控制装置、造气炉控制装置、加氮阀、放空阀、吹风阀、造气炉、变换净化装置、合成塔； 
所述造气炉控制装置，接收氢氮比控制装置输出的总加氮空气量Qtn(t)和总空气入炉量设定值Qta(t)，并产生加氮阀空气入炉量Qn(t)、排放到大气的空气入炉量Qh(t)和吹风阀空气入炉量Qa(t)；Qn(t)通过加氮阀，Qh(t)通过放空阀，Qa(t)通过吹风阀进入造气炉，并经过变换净化装置后到达合成塔生成氨； 
其中，Qtn（t）=Qn（t）+Qa（t）-Qh（t） 
Qa（t）=Qta（t）-Qn（t） 
优选地，以每循环阀门的开关时间来表示入炉空气量时，所述Qa（t）=Qta（t）-Qn（t）具体为： 
T1=Tta-Khc*T2-Knc*Tn或 
Tta=T1+Khc*T2+Knc*Tn 
其中， 
Tta——总风时间； 
Khc——回收至吹风每秒空气入炉量的折算系数，其大小取决于系统阻力； 
Knc——加氮至吹风每秒空气入炉量的折算系数，其大小取决于加氮阀与吹风阀的管径比及系统阻力。 
优选地，所述Khc取值范围为0.1~1。 
优选地，所述Knc取值范围为0.01~1。 
一种氢氮比控制方法，应用于如权利要求1至4中所述的合成氨生产装置中，所述方法包括以下步骤： 
获取总风设定值Tta； 
依据氢氮比控制装置的输出确定Tn及T2； 
依据式Tta-Khc*T2-Knc*Tn，获得T1。 
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 
本发明中，氢氮比控制不影响总空气（含富氧空气）入炉量，如氢氮比控制需增大加氮阀空气入炉量时，将自动减少吹风阀空气入炉量，即保持总风不变。因此，使用本工艺控制氢氮比不仅合格率高且炉况稳定，对于一个年产10万吨合成氮的工厂来说，年效益可达500万。 
发明附图 
图1是现有技术中煤头合成氨工艺流程示意图； 
图2是本发明实施例1提供的氢氮比控制结构及工艺流程图。 
具体实施方式
本发明实施例1提供了一种合成氨生产装置，如图2所示，包括：氢氮比控制装置、造气炉控制装置、加氮阀、放空阀、吹风阀、造气炉、变换净化装置、合成塔。具体生产过程为：造气炉控制装置，接收氢氮比控制装置输出的总加氮空气量Qtn(t)和总空气入炉量设定值Qta(t)，并产生加氮阀空气入炉量Qn(t)、排放到大气的空气入炉量Qh(t)和吹风阀空气入炉量Qa(t)；Qn(t)通过加氮阀，Qh(t)通过放空阀，Qa(t)通过吹风阀进入造气炉，并经过变换净化装置后到达合成塔生成氨。上述气体量之间的关系为： 
Qtn（t）=Qn（t）+Qa（t）-Qh（t）   （1） 
Qa（t）=Qta（t）-Qn（t）   （2） 
现有的氢氮比控制不对吹风阀进行控制，而仅对加氮阀和放空阀进行控制，不能保证氢氮比控制不影响总空气入炉量（总风）；本发明的氢氮比控制不仅对加氮阀和放空阀（烟囱阀）进行控制，而且还依据式（2）对吹风阀进行控制，保证了氢氮比控制不影响总空气入炉量。 
总风的变化将导致造气炉炉温及炉况的变化，从而导致H2产量的变化，因此式（2）实为对温度干扰H/N的一种补偿控制。 
下面以间歇式造气炉为例来说明式（2）应用的具体实施方法，造气炉按下面的三个阶段循环工作，循环时间一般为100~180s： 
1、吹风阶段——吹风阀开，放空阀开，加氮阀关，蒸汽阀关，阶段时间为T1； 
2、回收阶段——吹风阀开，放空阀关，加氮阀关，蒸汽阀关，阶段时间为T2； 
3、制气阶段——吹风阀关，放空阀关，加氮阀开Tn秒，蒸汽阀开，阶段时间为T3。 
其中制气阶段可进一步分为二上、上吹、下吹三个制气阶段；回收阶段可进一步分为吹净和回收两个阶段。 
若以每循环阀门的开关时间来表示入炉空气量，则式（2）可表达为： 
T1=Tta-Khc*T2-Knc*Tn   (3) 
或  Tta=T1+Khc*T2+Knc*Tn   (4) 
式（3）中： 
Tta——总风时间，人工设定或炉况优化装置给出； 
Khc——回收至吹风每秒空气入炉量的折算系数，其大小取决于系统阻力， 
取值范围为0.1~1； 
Knc——加氮至吹风每秒空气入炉量的折算系数，其大小取决于加氮阀与吹风阀的管径比及系统阻力，取值范围为0.01~1。 
下面以实例来说明本发明式（3）的应用方法，例如，某厂造气炉工作的循环时间为120s，工艺指标的平均值为：T1=30s，T2=6s，T3=84s,Tn=30s，Khc=0.65，Knc=0.2。 
依据式（4）总风时间Tta平均值为： 
Tta=30+0.65*6+0.2*30=39.9(s)   (5) 
现由于合成氢升高，氢氮比控制装置要求加氮阀开50s（Tn=50s）。由于传统的氢氮比调节不控制总风时间，因此现在的总风时间为： 
Tta=30+0.65*6+0.2*50=43.9(s)   (6) 
即总风增加4s，这将导致炉温升高，H2+CO产量增加，这就迫使氢氮比控制装置要求加氮阀开的时间进一步延长，这种恶性循环可能造成炉况严重恶化。为解决这一问题，本发明给出了一种总风不变的氢氮比补偿控制方法，包括以下步骤： 
确定总风设定值：人工设定或炉况优化装置给出，或依据其他工艺指标设定并利用式（4）计算获取；总风设定值Tta：Tta=30+0.65*6+0.2*30=39.9（s）； 
依据氢氮比控制装置的输出确定Tn及T2；Tn=50s，T2=6s； 
依据式（3）求T1，T1=39.9-0.65*6-0.2*50=26（s）。 
对本例来说，氢氮比控制增加20s的加氮阀空气入炉量，本发明则减少4s的吹风阀（放空阀开）空气入炉量，从而保证总风不变，消除了总风（炉温）变化对H/N控制的干扰，同时也稳定了炉况。 
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种氢氮比控制方法，应用于合成氨生产装置中，其特征在于，所述合成氨生产装置包括：氢氮比控制装置、造气炉控制装置、加氮阀、放空阀、吹风阀、造气炉、变换净化装置、合成塔；
所述造气炉控制装置，接收氢氮比控制装置输出的总加氮空气量Qtn(t)和总空气入炉量设定值Qta(t)，并产生加氮阀空气入炉量Qn(t)、排放到大气的空气入炉量Qh(t)和吹风阀空气入炉量Qa(t)；Qn(t)通过加氮阀，Qh(t)通过放空阀，Qa(t)通过吹风阀进入造气炉，并经过变换净化装置后到达合成塔生成氨；
其中，Qtn(t)＝Qn(t)+Qa(t)-Qh(t)
Qa(t)＝Qta(t)-Qn(t)
其中，以每循环阀门的开关时间来表示入炉空气量时，所述Qa(t)＝Qta(t)-Qn(t)具体为：
T1＝Tta-Khc*T2-Knc*Tn或
Tta＝T1+Khc*T2+Knc*Tn
其中，
Tta——总风时间；
Khc——回收至吹风每秒空气入炉量的折算系数，其大小取决于系统阻力；
Knc——加氮至吹风每秒空气入炉量的折算系数，其大小取决于加氮阀与吹风阀的管径比及系统阻力；
其中，所述Khc取值范围为0.1～1；
其中，所述Knc取值范围为0.01～1；
所述方法包括以下步骤：
获取总风设定值Tta；
依据氢氮比控制装置的输出确定Tn及T2；
依据式Tta-Khc*T2-Knc*Tn，获得T1；
其中，
吹风阶段——吹风阀开，放空阀开，加氮阀关，蒸汽阀关，阶段时间为T1；
回收阶段——吹风阀开，放空阀关，加氮阀关，蒸汽阀关，阶段时间为T2；
制气阶段——吹风阀关，放空阀关，加氮阀开Tn秒，蒸汽阀开，阶段时间为T3。
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