CN1077175A - 低能耗重质油制氨技术 - Google Patents

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Abstract

低能耗重质油制氨技术，用燃气轮机取代原采用 的蒸汽轮机和动力锅炉系统，对流程仅作局部改进： 改变原料气增湿方式，设置烟道加热器和饱和段，用 燃气轮机乏气中的较低位余热取代能级较高的次高 压蒸汽或高位热量。采用本技术，在基本不增加投资 的条件下，生产吨氨能耗不到34GJ，总油耗910～ 990公斤。本发明还适用于以重质油或煤为原料采 用部分氧化法制取合成气的生产过程中。

Description

本发明属于制氨化肥技术类，具体地属于重质油制氨技术类。
现代的以重质油为原料制氨是以减压渣油或重油为原料，雾化后在5-9MPa压力和适量水蒸汽存在的条件下，与一定量的氧气进行不完全燃烧而产生1320-1380℃的高温，并生成富含氢和一氧化碳的原料气以及少量碳黑，然后喷入大量热水而被激冷至260℃以下，同时气体被增湿而大部分的碳黑被热水所捕集，又通过热水洗涤系统除去残存的碳黑等固态杂质，再进入变换工序，即把一氧化碳变换成氢和二氧化碳。变换气再通过低温甲醇洗和液氮洗等净化工序而分出二氧化碳和脱去各种杂质气，并配入适量纯氮气而变成纯净的含氮合成气，最后在高压下合成氨。其典型的工艺流程方框图见图1。氨和生产过程中副产的二氧化碳，可在尿素装置中合成尿素。
重质油制氨需要大量动力来转动各种压缩机和泵等。包括尿素生产在内，所需的动力量一般为1300-1500KW·h/t氨。动力来源的现状是：在大型氮肥厂中，设置大型的高压动力锅炉系统（主要用重质油为燃料）和相应的蒸汽轮机;在中型氨厂中则几乎全部用电。合成氨生产中的吨氨能耗：国内大型厂约为44GJ，中型厂则达58GJ。
采用高压动力锅炉系统和蒸汽轮机作动力源，其动力循环如图2所示：脱氧锅炉水泵入高压动力锅炉系统，以燃烧重油使产生高压过热蒸汽，再通过蒸汽轮机发生动力，驱动工艺过程中用的空气和氮气压缩机等。从蒸汽轮机排出的约0.02MPa的乏气在冷凝器中由冷却水再冷凝成水。这种动力循环的效率不高，扣除循环自耗及冷却水能耗后有效的热功转化效率不易超过25%。
燃气轮机属内燃式发动机。燃气轮机除膨胀作功，输出很大的动力外，而且从涡轮排出的接近常压的乏气（或烟气）尚具有420-560°温度，还含有14-16%的氧，可进一步利用。
早在六十年代，美国的Braun工艺（以天然气为原料，用二段蒸汽转化法生产合成氨）就开始使用燃气轮机来驱动工艺空气压缩机，并用排出的乏气来代替第一段蒸汽转化炉的燃烧空气，取得一定的节能效果，但技术再未发展。至今还未见以煤或重质油为原料制氨的生产工艺中使用燃气轮机技术的文献资料。
本发明的目的旨在研究一种低能耗重质油制氨技术，采用本技术引入燃气轮机而取代原有的动力锅炉和蒸汽轮机，在基本上不增加投资的情况下，只对原工艺过程作局部改造，而使吨氨总能耗下降到小于34GJ，从而达到大辐度节能之效果。
本发明的目的是以下述方式实现的，低能耗重质油制氨技术，重质油在气化炉内进行不完全燃烧生成富含氢和一氧化碳的原料气及少量碳黑，然后被增湿并除去碳黑等杂质，再进入变换工序，即把一氧化碳变换成氢和二氧化碳和脱去各种杂质气，并配入适量氮气而变成纯净的含氮合成气，最后在高压下合成氨。由气化炉出来的富含氢和一氧化碳的原料气及少量碳黑，经过文丘里洗涤器，从下段分出含灰热水，再进入原料气洗涤塔，洗去残余灰分，从原料气洗涤塔顶部引出的原料气仅含水汽22-25%，再将其引入饱和段。在饱和段通过被从顶部引入的接近沸点的热水加热并增湿至含水汽50-60%，而后导入变换工序。燃气轮机的乏气被导至燃烧室，与氮洗尾气及少量重质油混合燃烧。从燃烧室出来的热气先用于过热工艺过程副产的饱和蒸汽，再通过余热回收段的烟道加热器，然后用于预热其他工艺物料，使降温至175℃以下放空。主要由烟道加热器加热的热水导入饱和段。从饱和段下方排出的较低温的热水，大部分由循环泵循环，少部分引往原料气洗涤塔，作炭黑萃取及洗涤系统的补充水。变换工序的余热使锅炉水脱氧并预热后，导入重质油汽化工序和氨合成工序的废热锅炉，而产生高压饱和蒸汽，通过余热回收段中的加热盘管被过热后，导往蒸汽轮机而发生动力，用于驱动工艺过程中的其他压缩机以及发电机，并抽出中低压蒸汽供工艺过程自用，多余的蒸汽进一步膨胀后通过冷凝器被冷凝。
下面参照附图详述本发明内容
图1  现有重质油制氨工艺流程方框图
图2  现有蒸汽动力循环示意图
图3  现有洗涤系统示意图
图4  本发明洗涤及饱和系统流程图
图5  本发明燃机燃料为馏出油的余热回收流程图
图6  本发明燃机燃烧为原料气的余热回收流程图
用燃气轮机取代蒸气轮机和动力锅炉系统，在投资方面相差不大，若简单替换，则节能效果不明显。但燃气轮机排出的乏气尚含有大量可用的热能，如能将之合理利用则可有效地节约能耗，降低生产成本。基于此，本发明对原工艺作了局部改造：改变了原料气的增湿方式，在燃气轮机乏气的余热回收段中设置烟道加热器，使重质油加压气化工序采用废热锅炉流程，氨合成过程中的反应热应尽量用于副产高压蒸汽而不用于预热锅炉水，充分回收变换工序的余热主要用于锅炉水的脱氧和预热。
使原料气增湿的方式的两种：一是重质油加压气化工序采用激冷流程，激冷后的原料气进入图3所示的洗涤系统，通过一、二级文丘里洗涤器、原料气洗涤塔，使水汽含量至60%左右，直接进入变换工序;一是采用废锅流程，出了废锅而夹带较多固体杂质的原料气也必须通过洗涤系统，从原料气洗涤塔顶部引出的原料气仅含水汽22-25%，原来是配入足量蒸汽而进入变换工序，现在改为进入图4所示的饱和段。在饱和段原料气被从顶部引入的接近沸点的热水所加热并增湿至含水汽50-60%，然后导入变换工序。饱和段最好设在原料气洗涤塔的上方，也可以并排设计。
图4流程在效果上是利用燃气轮机较低位余热来取代能级较高的次高压蒸汽，而腾出次高压蒸汽用于发生动力或作他用;相对于激冷流程而言，则是利用较低位的热能来取代高位热能，而腾出高位热能在废热锅炉中产生高压蒸汽，用于发生动力或他用，从而达到明显的节能效果。
本发明由燃气轮机直接提供的动力量以500KW·h/t氨左右为佳。较好的方案是用2台燃气轮机来分别驱动空气分离工序的空气压缩机和氮气压缩机，或者再用一台较小型的燃气轮机来驱动冷冻压缩机。燃气轮机的燃料可以直接使用馏出油，也可以使用由重质油气化生成的原料气。
燃料采用馏出油时，燃气轮机余热回收流程如图5所示。按此流程用于预热变换循环水的热量点燃气轮机乏气总余热量的40%左右。这部分热量由于热位较低，本难于充分回收利用，而本发明即将之予以利用，达到了节能的效果。
燃料采用重质油气化生成的原料气，燃气轮机余热回收流程如图6所示，其流程与图5所示的流程相仿，所不同的是：由于原料气压力远高于燃气轮机所需的人口压力，其多余的位能应予以回收以提高过程总效率。本发明先使已经过洗涤（必要时脱硫）的粗原料气通过余热回收段中的盘管而被预热至330℃以上，再通过膨胀机降压至略高于燃气轮机所需压力，再作为燃料气引入燃气轮机。膨胀机得到的动力用于驱动工艺过程中较大型的泵或发电机。
采用本发明技术，合成吨氨能量消耗指标见下表：
原材料      单位 燃料为馏出油 燃料为原料气
单耗 能耗GJ 单耗 能耗GJ
原燃料重油      t 0.732 30.810 0.933 39.270
密封柴油        t 0.035 1.517 0.045 1.950
石脑油          t 0.144 6.482 0.007 0.315
甲醇           kg 0.4 0.008 0.4 0.008
脱盐水          t 3.0 0.022 3.0 0.022
循环水          t 232.8 0.682 264.5 0.775
动力        KW·h -255.6 -3.026 -366.6 -4.341
蒸汽(2.5MPa)    t -1.32 -4.039 -1.32 -4.039
合计 32.456 33.960
燃料为原料气时，虽然合成氨的成本较低，但因需增大空气分离、重质油加压气化、炭黑萃取三个工序的生产能力30%左右，使全系统投资相应增长10%，吨氨能耗较燃料为馏出油高约1.5GJ，因此采用馏出油为燃料较为理想。
采用本技术合成氨，在基本上不增加投资的情况下，使生产吨氨能耗由44GJ降至32.5GJ、33.960GJ，总油耗由现有生产装置的1266kg降至911kg，实属低能耗制氨技术。
本发明还适用于以重质油为原料制取合成气进而生产甲醇等化工产品、以煤为原料而采用部分氧化法制取原料气进而生产氨、甲醇等化工产品的过程中。

Claims (2)

1、低能耗重质油制氨技术，重质油在气化炉内进行不完全燃烧生成富含氢和一氧化碳的原料气及少量碳黑，然后被增湿并除去碳黑、再进入变换工序，即把一氧化碳变换成氢和二氧化碳，变换气经过低温甲醇洗和液氮洗净化工序分出二氧化碳和脱去各种杂质气，并配入适量氮气而变成纯净的含氮合成气，最后在高压下合成氨，其特征在于由气化炉出来的富含氢和一氧化碳的原料气及少量碳黑，经过文丘里洗涤器，从下段分出含灰热水，再进入原料气洗涤塔，洗去残余灰分，从原料气洗涤塔顶部引出的原料气仅含水汽22-25%，再将其引入饱和段，在饱和段通过被从顶部引入的接近沸点的热水加热并增湿至含水汽50-60%，而后导入变换工序，燃气轮机的乏气被导至燃烧室，与氮洗尾气及少量重质油混合燃烧，从燃烧室出来的热气先用于过热工艺过程副产的饱和蒸汽，再通过余热回收段的烟道加热器，然后用于预热其他工艺物料，使降温至175℃以下放空，主要由烟道加热器加热的热水导入饱和段，从饱和段下方排出的较低温的热水，大部分由循环泵循环，少部分引往原料气洗涤塔，作炭黑萃取及洗涤系统的补充水，变换工序的余热使锅炉水脱氧并预热后，导入重质油气化工序和氨合成工序的废热锅炉，而产生高压饱和蒸汽，通过余热回收段中的加热盘管被过热后，导往蒸气轮机而发生动力，用于驱动工艺过程中的其他压缩机以及发电机，并抽出中低压蒸汽供工艺过程自用，多余的蒸汽进一步膨胀后通过冷凝器被冷凝。
2、根据权利要求1所述的技术，其特征在于燃气轮机的燃料可为馏出油或重质油气化后生成的原料气。
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