CN112672975B - 用于合成氨的方法 - Google Patents

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Abstract

一种从烃原料合成氨的方法，其中，该方法包括重整烃原料以产生补充气体并将所述补充气体转化成氨，该方法在氨合成装置中进行，该氨合成装置需要用于运行的电功率并且还需要用于启动的启动功率(Ps)，其中，在氨装置内部产生第一电功率(P1)，并且输入第二电功率(P2)，其中，所述第二电功率等于或大于所述启动功率(Ps)。

Description

用于合成氨的方法
技术领域
本发明涉及氨的工业生产领域。
背景技术
氨的工业生产涉及通常在约80至300巴下运行的高压(HP)合成回路内包含氢气和氮气的合成气体(“补充气体(make-up gas)”)的催化反应。
通过转化烃原料(例如天然气)，在HP合成回路上游的前端工段中产生补充气体。
天然气转化成所述补充气体通常包括利用蒸汽的一级重整和利用空气的二级重整，从而获得原始合成气体，然后纯化所述原始气体。纯化通常包括将一氧化碳变换(shiftconversion)为二氧化碳、除去二氧化碳以及可选地甲烷化。
用于生产氨的装置还包括复杂的蒸汽系统，蒸汽系统包括蒸汽产生器和蒸汽使用器。蒸汽产生器从各种工艺物料流中回收工艺热，主要是从天然气到原始合成气体的转化(通常通过蒸汽重整)以及随后的纯化(通常是从变换)。主要的蒸汽使用器是大型气体压缩机(例如将补充气体的压力升高到合成回路的压力的合成气压缩机以及将空气压力从大气压升高到二级重整的压力的空气压缩机)的驱动涡轮机。
除上述大型气体压缩机外，氨装置通常还包含多个较小的辅助机器，例如小型压缩机、鼓风机和泵。在过去，这些较小的机器是由效率低的小型蒸汽涡轮机驱动的。例如，这些涡轮机的机械效率为30％至50％，从而导致相对较高的蒸汽消耗。
在一些现有的氨装置中，小型蒸汽涡轮机中的一些已被电动机取代，以降低运行成本，而在一些新的装置设计中，大多数或所有的较小机器都是电驱动的。在电驱动的配置中，通常由中央发电机提供必要的功率，该中央发电机由更大、效率更高的蒸汽涡轮机驱动，从而通过节省天然气来减少装置的能耗。这种涡轮机可以具有80％或更高的机械效率。此外，蒸汽涡轮机的尺寸越大，效率越高。通常，所述蒸汽涡轮机膨胀的蒸汽比发电机产生电功率所需的蒸汽更多，因为蒸汽涡轮机可以方便地驱动装置的主压缩机中的一者，并且通常驱动的是最大的主压缩机。
用于蒸汽发电机的蒸汽在装置中使用燃料能量产生。与多个较小的涡轮机相比，由于效率上的巨大差异、甚至考虑了由电动机的发电、分配和使用引起的功率损失，具有中央涡轮发电机的上述构造节省了大量燃料。此外，由于在装置中从燃料开始产生电，所以其成本低于从外部电网购买的成本。因此，存在明显的趋势使蒸汽涡轮发电机的尺寸最大化，从而从电气化和更高的机器效率中获得最大的收益。因此，现有技术教导了从来自工艺气体冷却的热回收中生成尽可能多的蒸汽，直到可以内部满足装置的所有电能消耗的程度。
在装置的前端，通过冷却工艺气体，可以在废热锅炉中方便地生成蒸汽。工艺气体主要是氢气和氮气的混合物，但也包含大量的一氧化碳。一氧化碳与高温一起可以潜在地导致金属粉尘，特别是在热交换器中。与诸如蒸汽过热器的气体-气体交换器相反，废热锅炉避免在金属粉尘危险区域工作。实际上，由于沸水几乎只交换潜热，因此沸水使金属零件的温度保持足够低的水平以避免金属粉尘。
在氨装置启动期间，发电机无法产生任何电能。实际上，为了连接到装置电网，发电机转速必须与电网频率匹配。启动通常是不稳定的，并且在不稳定状态下运行时，发电机转速不稳定，并且无法与电网连接。
另一方面，装置启动需要一定的电功率(这称为启动功率)输入。启动功率是执行预先确定的启动过程所需的功率。
由于在启动过程中发电机内部无法产生功率，因此需要从外部源(例如电网)输入启动功率。当涡轮发电机可以运转时，在装置的正常运转期间中止所述输入。
启动功率可包括以下(但不限于)所需的功率：(一个或多个)一级重整器鼓风机、蒸汽网泵(锅炉给水、工艺冷凝物和涡轮机冷凝物)、酸性气体去除单元泵、辅助蒸汽发电机、装置设施(例如冷却水回路)。
启动功率非常重要：启动功率的量级可与装置运行期间所需的功率相同。因此，在大型氨装置中，启动功率为几兆瓦。例如，每天生产3000吨氨的氨装置通常需要约40MW的电功率用于运行，并且需要约15MW用于启动。
在内部产生尽可能多的能量、在需要时从外部电网输入启动功率的现有技术的技术方案，试图有效地利用涡轮发电机中的蒸汽并减少总的燃料消耗；然而，现有技术的技术方案具有重要的缺点。
启动功率的需求是暂时的且不可预测的。例如，在意外关闭装置之后可能需要启动。在有限且不可预测的时期内输入如此大的功率(如果可用的话)是非常昂贵的。
在现有技术的装置中已经安装了驱动发电机的专用燃气发动机，以便给启动阶段供电，而不是从电网输入电能。然而，该技术方案并不令人满意。该技术方案避免了与启动时输入大量电功率有关的成本，但引入了与安装大型专用燃气发动机和发电机(仅用于启动)有关的另一成本。
因此，仍然需要找到一种在氨装置启动期间提供电能的技术方案，该技术方案易于实现并且成本低廉，同时仍然能够使该装置具有高效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述缺点和局限性。
该目的通过用于从烃原料合成氨的方法来实现，其中，该方法包括重整烃原料以产生补充气体并将所述补充气体转化成氨，该方法在氨合成装置中进行，该装置需要用于运行的预先确定的电功率并且需要用于启动的启动功率，并且该方法的特征在于，在氨装置内部产生第一量的电功率，以及从所述装置外部的电功率源输入第二量的电功率，其中，所述第二电功率等于或大于所述启动功率。
启动功率是该方法和相关装置的启动过程中所需的功率。启动过程确定过渡状态，在所述过渡状态中，装置从关闭状态过渡到稳态运行。同样，可以通过以下事实来确定启动过程：没有产生产物(在这种情况下为氨)，或者产生的产物在要求的规格外(例如，就纯度而言)。
稳态运行被确定为该方法的相关运行参数保持恒定或基本恒定的状态，即这些运行参数在有限范围内变化。所述运行参数可以包括例如该方法的相关步骤的温度和压力。同样，可以将稳态运行确定为产生的产物在所需规格内的状态。在稳态运行中，该过程可以根据标称容量(满负荷)或当以部分负荷运行时以不同的量输送氨。
启动功率可以包括向(一个或多个)一级重整器鼓风机、蒸汽网泵(锅炉给水、工艺冷凝物和涡轮机冷凝物)、酸性气体去除单元泵、辅助蒸汽发生器以及其他设施(例如冷却水回路)供应的功率。
优选地，所述第一电功率借助由蒸汽涡轮机运转的发电机内部产生，该发电机和涡轮机是所述氨装置的一部分。
优选地，等于或大于启动功率的所述第二电功率的输入每年占所述氨装置的运行时间的至少80％、优选地至少90％。
内部产生的电功率也用符号P1表示。从所述外部源输入的功率也用符号P2表示。启动功率也用符号Ps表示。根据本发明，所述输入的功率P2等于或大于启动功率Ps。
优选地，所述外部源是外部电路网。
本发明提供了从外部源输入的相对大量的电功率。因此，内部产生的电功率P1小于现有技术。
现有技术促使在氨过程中(通常在蒸汽涡轮机和发电机设备中)全部或基本全部地、内部产生运行所需的电功率输入。与现有技术相比，本发明提供了更少的蒸汽在与所述发电机连接的蒸汽涡轮机中膨胀。
因此，本发明具有以下优点：发电机和与所述发电机连接的蒸汽涡轮机较小；由于输入的功率P2满足启动过程的需要，因此与现有技术相比简化了启动过程；不需要专用的燃气发动机来产生启动功率；可以签订合同以从外部源输入固定量的电功率P2。
本发明的方法可以包括在蒸汽存在下的烃原料的一级重整步骤，以及由此获得的第一重整气体的二级重整步骤。一级重整步骤在燃烧的蒸汽重整器中进行。二级重整步骤包括：所述第一重整气体的至少一部分的空气燃烧的二级重整步骤；在一些实施方式中，部分的重整以与二级重整步骤串联或并联布置的气体加热重整(gas heated reforming，GHR)进行。
本发明的方法还可以包括：纯化原始产物气体，获得补充合成气体；在合成回路中将所述补充合成气体转化为氨。所述一级重整优选在至少790℃的温度和至少50巴的绝对压力下进行；所述二级重整步骤在相对于化学计量量基本上不存在过量空气的情况下进行，并且所述补充合成气体的H2与N2的摩尔比为2.5至3。
有利地，所述一级重整在充满催化剂的外部加热管束(催化管)中进行，并且所述温度和压力的值是指一级重整催化管出口处的工艺气体。
上述至少790℃的温度优选大于800℃、更优选大于810℃。
优选地，所述H2与N2的摩尔比为2.6至2.8。
空气的化学计量量应理解为在进入合成回路的补充气体中实现H2与N2的摩尔比为3所需的量，即，它基本上取决于所述补充气体中的氢气H2的量。基本上不存在过量空气应理解为导致H2与N2的摩尔比为2.5或更大的空气量。
根据优选的实施方式，包括一级重整和二级重整的重整过程以等于或大于2.9、优选大于3的总蒸汽-碳比率进行。该总蒸汽-碳比率表示重整过程中进入的蒸汽和碳的总比率。如此相对较高的蒸汽-碳比率有利于原料的转化。蒸汽-碳比率也与一次重整的升高的压力(即至少50巴绝对压力)具有协同作用。
根据优选的实施方式，所述原始产物气体的纯化包括在至少一个变换转化器中的高温变换(HTS)步骤。通过从各种工艺物料流(主要从一次重整和HTS)中热回收，将用于给料装置的蒸汽涡轮机的蒸汽和用在一级重整中的蒸汽(也称为工艺蒸汽)回收。
由于装置的部分功率输入是从外部源输入的，并且较少的蒸汽在驱动发电机的蒸汽涡轮机中膨胀，所以通过热回收产生的一些蒸汽有利地是过热的。用于所述蒸汽过热的热源是HTS之前或之后(即给料或离开HTS转化器)的工艺气体。该实施方式减少了前端工段中的蒸汽产生，因此减少了过量的蒸汽，否则由于重整过程的高压和相对较高的蒸汽-碳比率，蒸汽将过量。因此，蒸汽过热被最大化，从而使装置中的蒸汽产生最小化。
在另一个实施方式中，离开二级重整器的工艺气体中包含的热量方便地用于在气体加热的重整器中使部分的混合进料重整。以这种方式，相应地减少了装置中的蒸汽产生。
优选地，气体加热的重整与二级重整平行地布置，即，在气体加热的重整中重整的气体与在二级重整中重整的气体混合。替选地，可以将气体加热的重整与二级重整串联布置，即，将在气体加热的重整中重整的气体给料到二级重整。
特征为GHR的实施方式的优点包括：降低了燃烧的一级重整器的负荷，这是在生产氨方面达到高容量的优点；减少了蒸汽的产生，这对独立装置尤其有利。
用于蒸汽过热的工艺气体的温度优选高于400℃、更优选地高于450℃、甚至更优选地高于500℃。
优选地，补充合成气体转化为氨在回路压力下进行，该回路压力是一级重整催化管出口处的工艺气体的压力的2至3.5倍。所述回路压力被理解为回路的循环器的输送压力。更优选地，所述回路压力为100巴至200巴、甚至更优选为120巴至160巴。
因此，补充合成气体在合适的气体压缩机中被压缩至回路压力。优选地，主气体压缩机的输送被发送到回路的循环器的吸气口侧。由于部分压缩由循环器提供，因此这导致气体压缩机的负荷减少。对于给定的容量，压缩机吸收的功率相应降低。
优选地，所述气体压缩机由没有抽汽的冷凝蒸汽涡轮机驱动，并且所述涡轮机供给有中压蒸汽。所述涡轮机更简单且更便宜。术语“中等压力”是指比重整过程的压力高几巴的压力。
优选地，所述气体压缩机是具有一个压缩工段的单壳体机器。由于重整过程的压力相对较高，这是可能的。所述气体压缩机可以以较低的转速(每分钟转数)运行，效率更高并且具有简化的设计。这允许显著减少装置的占地面积和成本。
有利地，引导至二级重整的空气进料在由蒸汽涡轮机供电的空气压缩机中被压缩。在本发明的一些实施方式中，空气压缩机(代替合成气压缩机)成为最大的功率使用器。因此，可用的最高压力的蒸汽被用来驱动连接到所述空气压缩机的蒸汽涡轮机；由所述涡轮机排出的或从所述涡轮机抽出的蒸汽优选用于一级重整。
就该方法的效率而言，这是有利的，因为与合成气压缩相比，该方法可以更有效地实现空气压缩。这主要是由于在一些实施方式中可以使用整体齿轮式(integrally gearedturbomachine，IG)空气压缩机，该空气压缩机不适用于合成气体。
此外，蒸汽涡轮机可以容易地通过专用小齿轮轴以期望的转速连接至空气压缩机：因此，对连接至空气压缩机的蒸汽涡轮机的尺寸没有限制。
如所提到的，空气压缩机优选是整体齿轮式涡轮机(IG)。整体齿轮式涡轮机通常设计为以固定转速运行，并且通常受控地作用在吸气口安装的进气导叶(IGV)上。所述压缩机的效率受空气进料的体积流量波动的影响，这是由于白天和晚上、夏季和冬季之间的空气进料的温度波动。
为了在最大效率点附近工作并保持在IGV给定的控制范围内，可以在空气压缩机的吸气口将空气进料加热或冷却，从而将空气压缩机的入口温度保持在目标范围。
优选地，加热器和/或冷却器在空气压缩机的吸气口与空气过滤器集成在一起，以减少占地面积并节省成本。
该实施方式提供了一种有效的方法来适当地控制空气压缩机并保持压缩机在其最佳范围内运行，即确保最有效的性能。这是特别有利的，因为即使空气压缩机效率的很小变化也对整个装置的能耗产生重大影响。
根据优选的实施方式，补充合成气体转化为氨在两个串联布置的反应器中进行，使得第一反应器的流出物在第二反应器中进一步反应。
优选地，在进入第二反应器之前，将第一反应器的流出物在放置在两个反应器之间的合适的热交换器中冷却。这是有利的，因为通过冷却来自第一反应器的产物气体允许在所述热交换器中产生蒸汽。
该技术方案也是有利的，因为冷产物气体可以方便地用于冲洗第二转化器的压力容器。气体温度足够低，可以避开渗氮攻击区，从而确保第二反应器的安全运行。
本发明的另一方面是根据所附权利要求的合成氨的装置。
本发明的另一方面是一种运行氨装置的方法，其中，该氨装置需要用于运行的预先确定的功率并且需要用于启动的预先确定的启动功率，该方法的特征在于，在氨装置内部借助于由蒸汽涡轮机运转的装置的发电机产生第一量的电功率，以及从所述装置外部的电功率源输入第二量的电功率，其中，所述第二电功率等于或大于所述启动功率。

Claims (13)

1.一种从烃原料合成氨的方法，其中，所述方法包括重整所述烃原料以产生补充气体并将所述补充气体转化成氨，所述方法在氨合成装置中进行，所述氨合成装置需要用于运行的预先确定的电功率并且需要用于启动的启动功率Ps，所述方法的特征在于，在所述氨合成装置内部产生第一量的电功率P1，并且从所述氨合成装置外部的电功率源输入第二量的电功率P2，其中，所述第二量的电功率P2等于或大于所述启动功率Ps，并且其中，所述第一量的电功率P1借助于由蒸汽涡轮机运转的发电机在内部产生，所述发电机是所述氨合成装置的一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，等于或大于所述启动功率Ps的所述第二量的电功率P2的输入每年占所述氨合成装置的运行时间的至少80％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，等于或大于所述启动功率Ps的所述第二量的电功率P2的输入每年占所述氨合成装置的运行时间的至少90％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，重整所述烃原料用于产生所述补充气体包括：所述烃原料的至少一部分的利用蒸汽的一级重整的步骤，以获得第一部分重整气体，以及所述第一部分重整气体的空气燃烧的二级重整的步骤，由此获得原始产物气体，以及所述原始产物气体的纯化过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述一级重整在至少790℃的温度和至少50巴的绝对压力下进行；所述二级重整在相对于化学计量量基本上不存在过量空气的情况下进行，并且所述补充气体的H2与N2的摩尔比为2.5至3。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，重整过程以等于或大于2.9的总蒸汽-碳比率进行。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述原始产物气体的纯化包括在至少一个高温变换HTS转化器中的HTS步骤，并且其中，使通过来自所述一级重整或来自所述至少一个高温变换HTS转化器的热回收步骤产生的蒸汽过热，用于蒸汽过热的热源是给料或离开所述至少一个高温变换HTS转换器的工艺气体。
8.根据权利要求4所述的方法，包括在空气压缩机内压缩被引导至所述二级重整的空气进料，其中，将所述空气进料在所述空气压缩机的吸气口加热或冷却以使所述空气压缩机的入口温度维持在目标范围内。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述补充气体转化成氨在所述一级重整的压力的2.0至3.5倍的压力下进行，并且所述方法包括在气体压缩机中压缩所述补充气体的步骤，所述气体压缩机由没有抽汽的冷凝蒸汽涡轮机驱动。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，重整过程还包括：在气体加热的重整器中，在气体加热的重整步骤中重整带有蒸汽的所述烃原料的一部分，所述气体加热的重整器与所述空气燃烧的二级重整串联或并联。
11.一种用于根据权利要求1所述的方法从烃原料合成氨的装置，包括：
a)一级重整工段，适于在至少790℃的温度和至少50巴的压力下利用蒸汽重整烃原料，以获得第一重整气体，
b)空气燃烧的二级重整工段，适于所述第一重整气体的二级重整，以获得原始产物气体，
c)空气压缩机，其中，压缩用于所述二级重整工段的空气进料，
d)用于内部产生电功率的至少一个发电机，
e)蒸汽涡轮机，驱动所述空气压缩机和所述发电机，
f)所述原始产物气体的纯化工段，以获得补充气体，其中，所述纯化工段包括高温变换反应器和直接位于所述高温变换反应器上游或下游的蒸汽过热器，所述蒸汽过热器使通过冷却所述第一重整气体或所述高温变换反应器的流出物产生的至少一部分蒸汽过热，
g)包括合成回路的转化工段，用于将所述补充气体转化成氨，
所述装置需要启动功率，其中，所述发电机额定为产生小于所述装置用于运行所需的功率的功率，并且所述装置从外部源输入剩余的功率，输入的所述功率等于或大于所述装置的所述启动功率。
12.根据权利要求11所述的装置，包括与所述二级重整工段串联或并联的气体加热的重整器。
13.一种运行氨合成装置的方法，其中，所述氨合成装置需要用于运行的预先确定的功率并且需要用于启动的预先确定的启动功率Ps，所述方法的特征在于，在所述氨合成装置内部借助于所述氨合成装置的由蒸汽涡轮机运转的发电机来产生第一量的电功率P1，以及从所述氨合成装置外部的电功率源输入第二量的电功率P2，其中，所述第二量的电功率P2等于或大于所述启动功率Ps。
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