CN104284859B - 以天然气为原料的制氨装置的改进方法 - Google Patents

Abstract

一种以用天然气为原料的包括一段转化炉(11)和二段转化炉(12)制氨装置的改进方法，该方法至少包括以下干预措施：降低从所述一段转化炉流出的气体(17)的出口温度；增加专用于所述二段转化炉(12)的基本上纯氧的供料管路(30)，以便至少部分地取代所述的助燃的工艺空气；以获得适用于合成氨气的补充气所必需的量增加氮气注入管路(31)。

Description

以天然气为原料的制氨装置的改进方法

技术领域

本发明涉及一种以天然气为原料的制氨装置的改进方法。本发明尤其描述一种当天然气的可用性受到限时提高制氨装置的生产力的方法。

背景技术

以天然气为原料的氨合成装置包括高压合成工段(也被叫做合成回路)和所谓的前端工段，所述前端工段实质上具有将天然气转化成适合于供应所述合成回路的气体的任务，所述气体即为包含所需化学计量比的氢气和氮气且不含杂质。

所述前端工段基本上包括天然气转化工段和处理工段，包含：一氧化碳至二氧化碳的转化(转移)、移除二氧化碳、甲烷化作用。所述转化工段通常包括供给有天然气和蒸汽的一段转化炉和二段转化炉，所述二段转化炉接收来自一段转化炉的部分地转化的气体和助燃的气流，如空气或氧气。

在一段转化炉中，甲烷与蒸汽发生催化反应生成一氧化碳(CO)和氢气(H2)。所述反应是吸热的并且由适当的热源支持。通常，一段转化炉包括辐射工段，在所述辐射工段中安装有内部填充合适的催化剂的管束。所述辐射工段包括一系列的供应有一部分可利用的天然气的燃烧器。燃烧加热所述管子并且提供转化所需的热量。在所述辐射工段下游，所述一段转化炉包括被称为对流工段的工段，所述对流工段实质上专门用于从烟气中回收热量。

离开一段转化炉的工艺气体通常具有约800℃的温度。来自一段转化炉的气体在二段转化炉中发生不完全燃烧，随后发生进一步的催化转化。

因此，天然气的供应实质上分为两种部分(quote)：第一种工艺部分和第二种燃料部分。所述工艺部分是被用作转化过程的反应物，也就是说，被供应至一段转化炉的管子然后被供应至二段转化炉；所述燃料部分通常包括直接产生转化热量，供应一段转化炉的辐射工段的燃烧器的一部分，以及被燃烧以生成机械功率的一部分，所述机械功率对于装置的运转是必需的。

尤其，所述机械功率主要对于驱动供应二段转化炉的空气压缩机和驱动供应高压合成回路的气体压缩机是很有必要的。例如，所述压缩机通常由蒸汽涡轮机驱动；蒸汽部分来源于以天然气的部分作为燃料的锅炉，部分通过热还原过程，特别地来自于转化炉的对流部分中的烟气的冷却。

用于生产氨气的工艺气体的量通过反应的化学计量比固定。燃料部分是不可忽略的，根据所述装置的效能，燃料部分占据天然气总的消耗量的约20-30％。

因此，确定制氨装置的单位消耗量是可能的，以生产的每吨氨，甲烷的低热值(LHV)的Gcal计算。所述消耗量包括在转化工段中实际转化的天然气的部分，和用来维持装置运行的作为燃料燃烧的部分。所述装置的最大生产力也能够被确定，而且通常以每天可以生产的氨的公吨数(每天公吨数，MTD)作为单位被表述。

在现有的此处所考虑的类型的制氨装置中，天然气的可用性直到现在是极其充足的。例如许多大型制氨装置被安置于表现为可利用大量天然气的地理区域。因此，主要致力于获得尽可能最高的生产力，所述生产力是由除了天燃气的可利用量之外的如装置各个工段的生产力的因素限制。

然而，近年来，可用于这些制氨装置的天然气的量的限制逐渐显现。在某些情况下，由于气田的产量的减少，限制源自客观的气体短缺；在其他情况下，所述限制源自商业的和/或经济的原因，像对可用于装置的合同份额的到期和/或涉及天然气的价格和需求的不同的方案。在这种情况下，面对天然气的有限的供应，必须解决如何保持或提高氨气的生产的问题。特别地，在不再有增加天然气的总的消耗量的可能性的情况下，开始需要提高所述装置的生产力，即产量。

已经有各种已知的改进现有制氨装置的方法，但是，它们主要以提高最大生产力的目的被设计。基本上，这些方法提出改进机器设备(涡轮机和压缩机)以提高效能；增加与现有的氨反应器并行的反应器(升压反应器)；增加热交换器的数量以提高热力学效率。但是，可以被看出，它们在相对较小的程度上，通常以3-4％，提高了单位消耗量。因此，在天然气的供应受到限制并且不能再增加的情况下，这些方法是不尽人意的。

这是由于大多数燃料气体用来加热一段转化炉和用来产生压缩机用机械功率的事实，并且这两种消耗的来源大体上与产量成正比。因此，产量的增加在相应的程度上需要气体的燃料部分的增加。因此，当气体充裕时，这些已知的工艺是有效的，但是，它们不适合用于解决上述的、面对天然气短缺的问题。

为了试图解决所述问题，已提出用电动机作为所述装置驱动器机器运行的蒸汽涡轮机。这种解决办法只适用于某些情况，即电能以足够的量可供使用并且电能利用不是天然气的来源生产。还应当指出的是，这不能导致令人满意的结果。

事实上，部分蒸汽来源于从一段转化炉和其他工艺部件的烟气中回收的热量，例如冷却二段转化炉的气流，如上所述，并且，在一段转化炉的对流部分至少一定的最低量蒸汽必须被过热化，以避免烟气的过高温度。因此，对蒸汽的需求的大幅减少(通过用电动机代替蒸汽涡轮机)将会影响所述装置的热量平衡，从而引起作为冷却方式的蒸汽的缺乏。为了解决这一不足，对一段转化炉的昂贵的改进是必要的，比如：增加空气预热器，或者扩大现有的预热器；升高空气的预热温度，修改对于燃烧器的预先加热空气的分布系统。

出于所有的这些原因，现有技术还没有提供一种令人满意的且性价比高的方案解决上述问题。

发明内容

本发明旨在解决前面提及的问题，也就是，如何改进本文所考虑的类型的制氨装置，以便解决天然气可用性的限制。

本发明提供一种用于提高以天然气为原料的制氨装置的生产能力的方法，大体结构如下。所述装置包括用于将天然气转化成氨气合成的补充气的前端工段，所述前端工段包括一段转化炉和二段转化炉；供应至所述装置的天然气的总供应包括工艺部分，用于甲烷催化转化为氢气并且供应至所述一段转化炉，以及燃料部分；所述一段转化炉包括辐射工段和对流工段，所述辐射工段执行所述工艺气体的催化转化并且向所述工艺气体转移热功率，所述热功率也被称为转化炉的负荷(duty)；所述二段转化炉被供应有助燃的工艺空气和来自于一段转化炉的部分转化的工艺气体。

所提供的方法的特征在于，其至少包括以下干预措施：

-相对于生产的氨的量降低所述一段转化炉的负荷，从而降低从所述一段转化炉流出的部分转化的工艺气体的出口温度；

-增加针对所述二段转化炉的基本上纯的氧气的供料管路，以便至少部分地取代所述的助燃的工艺空气；

-以获得适用于合成氨气的所述补充气所必需的量增加氮气注入管路；

-对于给定的天然气的供应，减少所述的燃料部分，从而增加所述的工艺部分。

从一段转化炉中流出的(部分地被转化的)工艺气体的温度优选地被降低至少30℃，更加优选地被降低至少50℃。在本发明优选的实施方式中，所述温度的减小量在从约30℃至约150℃的范围内。例如，一段转化炉的流出物的温度从约800℃降至在600℃至750℃之间的值，优选地在650℃至750℃之间的数值。

除了工艺空气外，所述的基本上纯的氧气的供应可以被提供，或者，作为工艺空气的替代。换句话说，在第一实施方式中，工艺空气的原始气流被减少，通过新的纯氧气流向二段转化炉供应必要的部分氧气；在第二实施方式中，工艺空气的添加被停止，所有氧气是通过所述的新的气流供应。

所述的纯氧的气流可以使用空气分离工艺，在足够的注入二段转化炉的压力下形成。因此本发明具有降低或者完全避免本来被提供用于向二段转化炉供应空气的空气压缩机的消耗的优点。

所述氮气优选地在现有的甲烷转化器的下游被注入。这种供应有利于避免上游转换和CO₂移除工段的流量的增加。例如所述氮气可以在现有的合成气压缩机进气口，或在所述压缩机的中间阶段被注入。

本发明的一个方面包含降低所述一段转化炉的负荷。所述负荷表现为在一段转化炉辐射工段，在一段转化步骤中，转移至工艺气体的热量。所述负荷通常以热功率Gcal/h或MW表示。术语单位负荷应当被定义为相对于生产的氨的负荷，例如以每吨氨气MWh表示。

一段转化炉负荷的降低，同时伴随着向二段转化炉供应氧气，主要具有从一段转化炉向二段转化炉转移所述转化反应的效果。这种措施与现有技术的教导相违背，所述现有技术的教导倾向于最大可能程度地开发一段转化炉，因为一段转化炉相比于二段转化炉在化学计量学方面是更有利的。但是，申请人发现通过向二段转化炉转移所述转化反应，小的效率损耗(进料气的消耗相比氨气的产量)通过减少天然气的燃料部分而过度补偿。换句话说，对于给定的天然气的供应，本发明容许更大量的气体部分被发送给转化过程，以便达到所需的提高生产力的目的，尽管稍微降低转化率。

事实上，通过减少或避免空气压缩机的涡轮中的蒸汽消耗，以及通过减少合成气压缩机的涡轮中的蒸汽消耗，本发明大幅度地降低了用于同样的产量的气体的燃料部分。

更具体地说，一系列有益效果从一段转化炉的出口温度的降低获得。第一个有益效果就是用于加热一段转化炉的消耗的天然气的减少。本发明的另外一个积极的效果是热功率的降低，所述热功率必须借助于蒸汽生产耗散。这种降低既是从第一转化炉流出的气体的较低温度的结果，也是使用氧气替代空气作为助燃物的结果，这降低了二段转化炉下游的热回收设备中的气体流动速率。

还应当指出，氧气流和氮气流的供应需要能量来源，通常是为空气分离装置(ASU)提供动力的电能。但是，此种能量可以通过不同于天然气的来源获得，所述能源来源不受限制和/或比较便宜，例如，煤或甚至水力、太阳能等可再生能源。换句话说，本发明提供一种能量的替代方案，尽管，一方面，本发明需要用于空气分离装置的能量来源，但另一方面，本发明使得之前作为燃料使用的一部分甲烷可用到工艺中。在天然气的供应受到限制的情况下这是一种有益的效果。

在所述的电能可以从其他来源获得的情况下，根据本发明的方法证明为特别地有利并且与电动机安装结合替代蒸汽涡轮机。在某些情况下，如果用于蒸汽生产的可替代的燃料是可获得的，则也可以从外部输入蒸汽维持现有蒸汽涡轮机的运转。

由上文所述可知，本发明在天然气的用量由于技术原因或者合同的原因遭受突然的限制的情况下尤其引人注目。

本发明的另一个实质的有益效果是它不需要对现有的机器和组件进行昂贵的改装。例如，本发明不是通过对压缩机和涡轮机进行昂贵的改装，达到明显地提高生产力(超过10％)的目的；因为一段转化炉的负荷比以前有所降低，对所述一段转化炉的改进没有必要去提高它的生产能力，尽管产量提高。

根据另一优选的实施方式，所述装置的蒸汽的生产(以及因此天然气供应的燃料部分)借助于如下措施的至少一条或者其结合，进一步被降低：

-在二段转化炉的出口，安装蒸汽过热器；

-在二段转化炉的下游安装GHR(气体加热转化炉)类型的转化炉；

-安装用于一段转化炉的助燃空气的预热器。

本发明的有益效果现在参照示例实施方式和借助于附图将被说明。

附图说明

图1是根据现有技术的被供应天然气的制氨装置的框图。

图2是根据本发明的一个实施方式的改进的图1所示的装置的框图。

具体实施方式

本发明的优选实施方式的详细说明

图1的框图示出了制氨装置的基本部件，即一段转化炉11、二段转化炉12、用于转化一氧化碳(转移)和移除CO₂的工段13；甲烷化工段14。块15表示氨气合成回路。所述块15使合成气流或补充气19转化，得到氨气16。

通常，还有一系列热交换器没有在图中示出。特别地，在二段转化炉12下游，有一种被认为是废热锅炉的热交换器。

包含天然气和气流的气流10供应一段转化炉11。以大约800℃的温度，从一段转化炉11中流出的部分地转化的气体17，与通过压缩机24输送的助燃空气18一起被供应至二段转化炉12。

经过块13(转移和CO₂的移除)和块14(甲烷化作用)处理后的所述二段转化炉的流出物生成供应合成回路15的补充气19。还应当指出，所需要的氮气大体上随着空气流18进入。通常气体19在低于所述合成回路15压力的压力时被生产，因此气体压缩机26升高压力至合成水平。

压缩机24和压缩机26由分别被标记有附图标记25和附图标记27的蒸汽涡轮机驱动。涡轮机25通常被供应中压(例如约40-50巴)的蒸汽28，并释放出低压的蒸汽29。涡轮机27通常被供应高压(通常超过100巴)的蒸汽30，并释放出低压的蒸汽32；此外，通常还有中压的蒸汽流31。所述蒸汽流31能够提供流28或装置中的其他中压蒸汽消耗者所需的蒸汽。但是这些方面对于本发明的描述不是必须的。

气流10所包含的天然气是供应气20的一部分，供应气20代表所述装置可用的天然气总量。供应气20被分为工艺部分，也被叫做“进料”，以21表示，以及以22表示的燃料部分。

所述工艺部分21，在增加蒸汽23后，形成进入一段转化炉11的工艺气体的气流10。余下的燃料部分22代表基本上用于加热转化炉11，以生产用于空气压缩机24、气体压缩机26、以及其他辅助设备的机械功率的燃料。

在图1的实施方式中，所述燃料部分22的第一部分220加热一段转化炉11；第二部分221供应锅炉33(它本身是常规的)以生产蒸汽34。

更具体地说，一段转化炉基本上包括辐射工段110和对流工段111。

所述辐射工段110包含填充有催化剂的管并且执行甲烷和被包含在进料10中的蒸汽至氢气的吸热转化。所述辐射工段110通过一系列的被天然气流220供应的燃烧器加热。

所述对流工段111基本上回收从由所述燃烧器生成的和来自于辐射工段110的烟气中的热量。通常，由于烟气的高温，所述对流工段111被主要用于使所述蒸汽过热。如果必要的话，所述对流工段也可以包含供应有气体220的气流的一部分的燃烧器(未示出)。

该图示出了与转化炉分开的锅炉，通常所述锅炉生产中压的蒸汽34。还应当指出，这种设置仅仅是为了说明的目的并且各种变型是可能的。例如，在某些情况下，所述锅炉33被结合到转化炉的对流部分111中。

出于本发明的目的，尤其应当指出用于驱动压缩机24和压缩机26所必需的涡轮机25和涡轮机27，代表两种对蒸汽消耗的主要贡献者，吸收流28和流30。另外一种重要的蒸汽使用者(没有被示出)是合成回路15内的制冷工段的氨气的压缩机(以及相应的涡轮机)。蒸汽的生产基本上源于供应气20的燃料部分22。

图2代表了根据本发明改进的图1所述装置。用于二段转化炉12的助燃气现被提供，至少部分地通过基本上纯氧的气流50被提供，所述基本上纯氧的气流50，例如，通过空气分离装置(ASU)被生产。因而，空气18’的流速相对于图1的流速18降低。线18’以虚线表示，这是因为在一些实施方式中，在二段转化炉中用于助燃的所有氧气是通过氧气流50提供的，因此，所述空气流18被消除。

例如，可以在空气分离装置中生产气流50，所述空气分离装置需要电能但是并不需要蒸汽也不需要天然气。因此，通过降低或者消除压缩机24的消耗(即蒸汽流28)，本发明使得减少燃料部分22和留下供应气20的更大部分以便用作工艺气体21成为可能。

在所述装置的适当位置，氮气流51被引进，所述氮气流也可以通过分离空气的方法获得。有利地，如图所示，氮气流51在甲烷化工段14的下游并且在压缩机26的引入口被引入。

所述装置的改进也包括在辐射部分110交换的热量的显著降低。优选地，所述热量(负荷)被降低至少30％，更加优选地被降低至少50％。这种辐射部分110的负荷的降低可以通过减少输送至专用于辐射部分燃烧器的天然气部分220获得。因此，从一段转化炉11流出的部分转化的气体的气流，此处用17’表示，具有较低的温度，有利地在650℃至750℃之间。

还应当指出，通过该干预的效果，在转化炉11中转化为氢气的甲烷的量被减少，也就是，转化为氢气的负荷基本上被转移至二段转化炉12。结果是稍微增加了工艺气体的单位消耗量，但是这会被燃料的消耗量的降低过度补偿。这一有益效果借助于实施方式后将会变得更加明显。

由于本发明，蒸汽34和燃料部分221的生产也可以被降低。

其他的可以降低所述装置的蒸汽的生产和从而降低所供应的气体的燃料部分的选择如下所述。

第一个选择是在余热锅炉(其工艺侧出口温度被升高)的下游，在二段转化炉的出口，安装蒸汽过热器。此种措施使得降低余热锅炉中的蒸汽的产生成为可能，从而生产出少量的但是温度较高的蒸汽，以减轻一段转化炉的对流部分111的过热现象以及减少燃料。当燃料气体的部分220在所述对流工段中燃烧时，所述措施特别地有效。

第二种选择是安装一段转化炉的助燃空气的预热器，由于同样的热量在辐射区域被传递，这使得降低转化炉本身的燃料消耗，以及降低在对流部分的烟气量成为可能。

第三种选择是在二段转化炉的下游安装GHR(气体加热转化炉)类型的转化炉。所述GHR基本上为气-气热交换器，例如带有管。所述GHR允许二段转化炉的流出物的部分热量被用于进一步的转化反应，而不是被用于生产蒸汽。

实施例

实施例1

下表1指的是应用本发明的第一种实施例。

根据图1的传统的装置仅被供应天然气，并且基于天然气的LHV，具有8.0Gal/t氨气的总的消耗量。此种消耗量如下被分配：

工艺供应气体(21)：5.4Gcal/t(67.5％)；

燃料气体(22)：2.6Gcal/t(32.5％)。

燃料气体的消耗包括转化炉(辐射的和对流的)的燃料和用于生产运转必需的蒸汽的辅助燃烧器的燃料。生产1500MTD氨气，天然气的总消耗量(流20)达2629kmol/h。

在被表示为“A”的实施方式中，所述装置借助如下基本措施被改进：

-向二段转化炉12中注入氧气(流50)以替代空气，

-注入氮气流51，

-降低一段转化炉11的负荷从而降低所述的一段转化炉的出口温度。

空气压缩机不再被使用并且相对的蒸汽消耗被消除。燃料消耗降低，既由于降低催化剂的管子的出口温度，也由于减少总的蒸汽消耗。根据本发明的改进“A”，基本上不再需要改进机器(压缩机和涡轮机)。

如从表中可以看出，进料部分的天然气的单位消耗量[Gcal每吨氨气]由约5.4Gcal/t转变为6Gcal/t，略有不利。这是由于在一段转化炉11中甲烷至氢气的转化减少并且移至二段转化炉12的事实，此处所述反应更加不利。一段转化炉11的负荷的降低被示于该表中，转化炉的负荷由74.3Gcal/h转变为38.2Gcal/h。因此，相对于生产的氨的吨数的单位负荷，从1.19Gcal/h每吨降低至0.5Gcal/h每吨。出口温度(流17)从800℃降至650℃。

然而，单位消耗量的轻微不利被由2.59Gcal/t转变成为1.18Gcal/t的燃料部分22的大幅下降而补偿。换句话说，对于同样总供应气20，转换效率的轻微损失被用于进料部分21的气体的更大的可用性过度补偿。因此，可以看出，对于同样的总消耗量(2629kmol/h)，氨气的产量从1500MTD增加至1666MTD(+11％)。还应当指出，按绝对值计算和按特定值计算的高压蒸汽的流速都明显降低。

所述表格示出了与根据现有技术的表示为“C”的改进对比，利用本发明的变型“A”得到的结果。所述改进“C”代表传统的方法，所述方法倾向于提高机器设备的效能，本质上包括：

-提高三个主要机器以及各自的涡轮机的5％的效能，所述三个主要机器：合成气压缩机、空气压缩机和氨气压缩机，

-降低合成回路的压力10bar，增加升压反应器。

应当指出，根据现有技术的改进“C”并没有降低，实际上提高了一段转化炉的大约4％的负荷，由74.3Gcal/h转变成77.4Gcal/h。此外，它还需要一种昂贵的对于压缩机和涡轮机的改进措施(替代内部的组件等)。尽管如此，生产力仅仅被提高4％。

表1

实施例2

一个装置根据前面的实施例1被改进。此外，除了合成气压缩机外，最初由蒸汽涡轮机驱动的制氨装置的所有机器，被改进以使用电动机。因此，燃料气体的消耗进一步被降低。这种变型在表2中被示为作为变型“B”。

将它与以“D”表示的改进对比，“D”表示的改进相当于上述的改进“C”，也包括：

-电动机作为驱动器用于通常由蒸汽涡轮机驱动的机器，

-通过引入空气预热器，提高蒸汽转化炉11的12％的生产力，提高7％的辐射效能。

表2

根据本发明的变型“B”比基本情况多生产20％的氨气，而变型“D”(现有技术)只比基本情况多生产12％的氨气。

在两种情况下，具有假定的恒定的气体总消耗量(2629kmol/h)，也就是，假定所述的量(图1中的气流20)为可用的最大值并且不能被增加。所述实施例更清楚地表明：对于相同的供应气本发明分别实现了生产量11％和20％的大幅增长。

Claims (9)

1.一种用于提高以天然气为原料的制氨装置的生产力的方法，其中：

所述装置包括用于将天然气转化为用于氨气合成的补充气的前端工段，所述前端工段包括一段转化炉(11)和二段转化炉(12)，

被供应至所述装置的总的天然气的供应气(20)包括工艺部分(21)以及燃料部分(22)，所述工艺部分(21)被用于甲烷至氢气的催化转化并且被供应至所述一段转化炉，

所述一段转化炉包括辐射工段(110)和对流工段(111)，所述辐射工段执行所述工艺气体的催化转化以及向所述工艺气体转移也被称做所述转化炉的负荷的热功率，

所述二段转化炉被供应有助燃的工艺空气(18)和部分转化的来自于所述一段转化炉的工艺气体，

所述方法的特征在于，其至少包括如下措施：

-降低相对于生产的氨气的量的所述一段转化炉的所述负荷，从而降低从所述一段转化炉流出的部分转化的气体(17)的出口温度，

-增加所述二段转化炉(12)专用的基本上纯氧的供料管路(30)，至少部分地取代所述的助燃的工艺空气；

-以获得适用于合成氨气的所述补充气所必需的量增加氮气注入管路(31)；

-对于给定的天然气的供应气(20)，降低所述燃料部分(22)，从而增加所述工艺部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述一段转化炉流出的工艺气体的温度被降低至少30℃。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述从所述一段转化炉流出的工艺气体的温度被降低至少50℃。

4.根据权利要求2或3所述的方法，在改进后，所述从所述一段转化炉流出的工艺气体的温度在600℃和750℃之间。

5.根据权利要求4所述的方法，在改进后，所述从所述一段转化炉流出的工艺气体的温度在650℃和750℃之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基本上纯氧的供料管路完全代替所述助燃的空气，之前现有的专用于所述二段转化炉的工艺空气流被消除。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氮气注入管路(31)被提供用于在现有的甲烷化工段(14)下游加入氮气。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，一个或多个用于操纵所述装置的蒸汽涡轮机(25，27)由电动机代替。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述装置的蒸汽生产通过如下措施中的至少一种被减少：

i)在现有的二段转化炉(12)的出口安装蒸汽过热器，

ii)在现有的二段转化炉(12)的下游安装GRH(气体加热转化炉)类型的转化炉，和

iii)安装被输送至所述一段转化炉的辐射部分的助燃空气的预热器。