节能合成氨工艺与热泵法脱碳

　　节能合成氨工艺与热泵法脱碳陈宗华（兰州化工机械及自动化研究设计院，甘肃兰州，730060）合成氨的生产过程需要消耗大量的能量。怎样大限度地降低合成氨生产能耗，一直是合成氨生产厂家需要考虑的永恒课题。随着世界能源紧张状况的进一步加剧，各种能源价格将越来越高，因此节能降耗将成为各个企业降低产品成本、提高市场竞争力的强有力措施。作为节能手段的热泵技术，则是的降低能耗、提高能源利用率的热门技术之一。本文将研究节能合成氨工艺及其主要节能措施，并重点论述热泵法脱碳的巨大节能效益。

　　1节能合成氨工艺传统的合成氨工艺流程能耗普遍偏高，为了降低能耗，必须在制气、净化和合成三大块分别采取节能措施。一般采用下列措施可以节能提高转化反应效率。具体可提高一段转化炉的操作压力（选用较好的炉管）并选用较好的催化剂。

　　2）降低水碳比，以节省大量蒸汽。

　　3）将一段转化炉的较多转化负荷留给二段转化炉完成。

　　6）降低压缩费用。可采用新型合成塔内件，以降低压降；也可采用好的催化剂，以便在低压力下操作。

　　7）从合成回路的弛放气中回收H2，以节省原料等。

　　由于具体节能措施的不同，从而产生了各种各样的节能合成氨工艺，例如布朗工艺、英国ICI的AMV工艺、低能耗凯洛格工艺、丹麦托普索工艺、埃克森工艺、德国伍德工艺、德国林德工艺、美国PARC工艺、印度PDIL工艺等。

　　下面将重点介绍有代表性的以天然气为原料1.1布朗工艺美国布朗工艺设计吨氨能耗为28GJ，其核心技术是采用过量空气、燃气轮机、热泵脱碳、深冷净化、友好操作和分子筛干燥，其主要特点如下：1）轻度的一段转化和二段转化炉用过量空气。一段转化炉水碳比2 7，出口0H4约30，温度694工压力3.OMPa；二段转化炉过量空气50，将产生可利用的大量热量。由于较多的转化负荷都转移到二段转化炉（放热反应）来完成，以致一段转化炉（吸热反应）内的工况缓和多了，从而减少了燃料耗能损失并延长了设备的寿命。

　　°C的燃气轮机尾气供一段转化炉燃烧用。

　　3）采用四级喷射闪蒸、第五级为蒸汽压缩机抽吸闪蒸的低能苯菲尔脱碳工艺（简称热泵法脱碳工艺）。

　　4）在甲烷化后的主流程上设置冷箱，终净化合成气，并分离过剩N2（简称深冷净化）。

　　5）采用3台轴向绝热式氨合成塔串联，分别串3台废热锅炉，氨净值高，副产125MPa高压蒸汽（简称合成塔友好操作）。

　　英国ICI的AMV工艺采用了布朗工艺和凯洛格工艺的部分先进技术设计吨氨能耗为28.27GJ，其主要特点是：1）原料气用工艺冷凝液饱和（利用高变气余热）减少工艺蒸汽用量。

　　2）轻度的一段转化炉和二段转化炉加过量空气。一段转化炉水碳比2. 5，出口CH4为学流体机械专业，获研究生硕士学位，现任兰州化工机械及自动化研究设计院化工机器研究部副部长兼压缩机研究所所长，的布朗T艺、狒工艺和低能耗凯洛格工艺。工程师，已斗技论文30多篇电话731酵陈宗华。节能合成氨工艺与热泵法脱碳16.3温度804°Q压力42MPa二段转化炉过量空气25.此措施大大减少了燃料气用量和蒸汽用量。

　　3）以燃气轮机驱动空压机。含2 15.8、550°C的燃气轮机尾气供一段转化炉燃烧用，回收了余热，节省了燃料。

　　3）改进一段转化炉的设计。采用大炉管，减少炉管根数；采用陶瓷纤维隔热材料，减少热损失。

　　收喷射闪蒸半贫液的低能耗苯菲尔脱碳（改良苯菲尔法）。

　　4）采用了四级喷射闪蒸、第五级为蒸汽压缩机抽吸闪蒸的低能耗苯菲尔脱碳工艺。

　　1型氨合成催化剂，故合成回路操作压力低（只有10. 2MPa），降低了合成气压缩机的能耗。

　　6）采用深冷净化流程（但与布朗工艺不同）。

　　新鲜气没有直接进入深冷系统（冷箱），而是从循环气中抽出一部分进入深冷系统，以深冷分离的方法从循环气中分离出过剩N2、回收H2，调节循环气中的氢氮比。

　　1.3低能耗凯洛格工艺低能耗凯洛格工艺的设计吨氨能耗为29GJ，其主要特点如下：1）改进转化条件。一段转化炉出口压力提高到35MPa出口温度降到793C入炉管混合气温度提高到621C；二段转化炉工艺空气温度提高到850C 5）采用分子筛脱除新鲜气中的H2O和微量C2，使新鲜气能直接进入合成塔入口。

　　6）采用新型层间换热器的卧式合成塔。

　　7）采用四级氨冷和组合式氨冷器。

　　8）采用普里森装置回收弛放气中的吐。

　　9）采用燃气轮机驱动空压机，高2的高温燃气轮机尾气供一段转化炉燃烧用。

　　2热泵法脱碳系统在大多数节能合成氨工艺（如布朗工艺、AMV工艺）中，采用热泵法脱碳是其主要的节能措施之一。传统的典型法脱碳工艺（为二段吸收、二段再生），每立方米CO2热耗为50241J；采用蒸汽喷射泵后的喷射法脱碳工艺每立方米C2热耗为33491J，比典型法节能33采用蒸汽压缩机后的热泵法脱碳工艺每立方米CO2热耗为19641J，比典型法节能61.显然，热泵法节能效果比喷射2）增设燃烧空气预热器，回收烟气余热，使法更显著。

　　排烟温度降到149C热泵法脱碳的工艺流程（见）是针对二段吸收、二段再生的典型法基本流程的缺点改进而来。从典型法可以看出，贫液从再生塔底直接出来，用于吸收塔则嫌温度高，若不冷却，必然会导致热量损失；而低变气出口温度也较高。因此，可以利用低变气为热源，以冷凝液为介质，设置低压锅炉产生约0.4MPa（G）蒸汽，并使此蒸汽通过闪蒸槽和蒸汽压缩机，此蒸汽和从再生塔底部出来大氮肥的贫液在闪蒸槽闪蒸出的二次蒸汽一起通过蒸汽压缩机加压后送到再生塔底部。这样通过回收低变气和贫液的热量，既使再生塔得到的蒸汽量增加（增加了再生能量，调整了溶液的浓度）溶液再生更完全，又使贫液在通过闪蒸槽后温度降低（此时贫液温度适用于吸收塔中部，去吸收塔顶部仍需再冷却，通过降低温度保证吸收塔顶部原料气的净化率）。吸收塔底部出来的富液（转化度为0.75~0.9，压力约2.5MPa）在通过水力涡轮机（带动贫液泵）回收能量后，压力降低（接近常压）直接引到再生塔顶，由于富液压力降低，温度也有所下降，富液中C2和水蒸汽在再生塔顶部就有部分被闪蒸出来（经冷却、分离后分别得到CO2和冷凝液，冷凝液须泵回到再生塔顶部）然后富液沿再生塔填料下流，与自下而上的蒸汽逆流接触，同时进行传质和传热，液相中C2不断被汽提出来，碱液从而得到再生成为贫液，后贫液从再生塔底部流出，通过闪蒸槽降温后分两路分别进入吸收塔的中部和顶部。

　　显然，热泵法脱碳工艺的核心是采用蒸汽压缩机，通过蒸汽压缩机的抽吸和加压，以消耗较小机械能的代价，获得了大量的再生所需热量，并很好地回收了低变气和贫液的热量，达到了能量综合利用和节能降耗的双重目的。热泵装置中的蒸汽压缩机又称热压缩机，一般为离心式压缩机。表1分别列出了布朗工艺和AMV工艺中应用的离心式蒸汽压缩机的主要技术参数。由于热泵法脱碳工艺中的蒸汽压缩机是一种压缩以水蒸汽（含少量⑴2）为主要介质的离心式压缩机，且转速较高，因此设计计算时必须考虑介质压缩因子、介质腐蚀性、高温、振动、强度等因素，以期达到设备高效、可靠、安全、长周期运行的目的。

　　表1离心式蒸汽压缩机主要技术参数工艺布朗工艺AMV工艺压缩介质进口压力/MPa（A）进口温度/°c出口压力/MPa（A）出口温度/°c质量流量/kgDh1电机转速/r.min1电机功率/kW/ 3结论1）节能合成氨工艺一般在制气、净化和合成三大块分别采取回收余热、降低压缩费用、节省燃（原）料等主要节能措施，以显著降低能耗。

　　2）布朗工艺、AMV工艺、低能耗凯洛格工艺等大多数节能合成氨工艺都采用热泵法脱碳装置来节能，其脱碳节能比例占总节能的40左右。

　　3）热泵法脱碳比典型法节能61节能效果极其显著，建议国内各大型合成氨厂采用这一节能脱碳工艺技术。