某天然氣制氨廠合成氣工藝的節(jié)能技術(shù)研究

2019-03-04 19:23:11王勇中科瑞奧能源科技重慶有限公司

節(jié)能與環(huán)保 2019年8期

文_王勇中科瑞奧能源科技（重慶）有限公司

1 天然氣制合成氣工藝

1.1 合成氣原料

合成氣主要組分為CO和H2，在化學(xué)工業(yè)中具有極為重要的地位。合成氣可以生產(chǎn)一系列的化學(xué)品，如氨、甲醇、費(fèi)托合成產(chǎn)品等。

合成氣的原料范圍很廣，可由煤或焦炭等固體燃料氣化產(chǎn)生，也可由天然氣和石腦油等輕質(zhì)烴類制取，還可由重油經(jīng)部分氧化法生產(chǎn)。隨著天然氣蒸汽化制取合成氣工藝穩(wěn)定性、投資、環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)，成為制取合成氣的主要技術(shù)路線。

1.2 天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化制氣及凈化工藝

天然氣蒸汽轉(zhuǎn)化法的基本原理是，甲烷與水蒸汽在催化劑及高溫條件下，反應(yīng)生成CO、CO2、H2，或少量CH4等。

目前，出CO2在合成氨中是一個(gè)比較重要的工藝環(huán)節(jié)，其能耗約占總能耗的10%左右，因此，脫出CO2工藝的能耗高低，對(duì)氨廠總能耗的影響很大。脫除二氧化碳的常用的方法有低溫甲醇法、改良熱鉀堿法、活性MDEA法、變壓吸附（PSA）法等。因活性MDEA溶液脫碳具有較好的穩(wěn)定性，不易降解，揮發(fā)少，同時(shí)在吸收CO2同時(shí)對(duì)于硫化氫等酸性氣體的吸收功效，以及對(duì)于非極性氣體H2、N2等氣體的溶解度低，因此凈化氣損失小，而且基本對(duì)碳鋼設(shè)備無腐蝕，目前已成為工業(yè)化脫碳的主流工藝。

2 某天然氣制氨廠生產(chǎn)情況

2.1 生產(chǎn)流程

某廠采用天然氣為原料年產(chǎn)40萬(wàn)t合成氨生產(chǎn)裝置。其工藝流程是將水碳摩爾比為3.5，510℃的天然氣與水蒸氣混合物在鎳催化劑作用下，于管式固定床反應(yīng)器中完成轉(zhuǎn)化反應(yīng)（一段轉(zhuǎn)化）制取合成氣。為降低一段轉(zhuǎn)化爐出口氣中的CH4含量及向合成氣中補(bǔ)氮，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換反應(yīng)的同時(shí)采用以空氣為原料，在固定床絕熱催化劑反應(yīng)器中進(jìn)行耦合氧化反應(yīng)（二段轉(zhuǎn)化），使出口氣中CH4含量進(jìn)一步降低至0.2%，然后經(jīng)高溫串低溫變換，MDEA法脫碳和甲烷化凈化得到38℃、2.5MPa新鮮原料氣，經(jīng)原料氣壓縮機(jī)壓縮至6.3MPa（172℃），再與脫碳后氣體換熱、水冷、氨冷降溫至8℃進(jìn)入高壓缸壓縮機(jī)并與循環(huán)氣在最后一級(jí)別葉輪處混合，出高壓缸14.8MPa、68℃氣體依次經(jīng)過水冷、三級(jí)氨冷、分氨，與出塔氣換熱至141℃進(jìn)入合成塔，制得產(chǎn)品氨。

2.2 廠區(qū)原料氣供應(yīng)及動(dòng)力工程

廠區(qū)生產(chǎn)所用天然氣由主管網(wǎng)天然氣管道直接輸送至廠界，其中天然氣一部分輸送至工藝區(qū)作為生產(chǎn)原料，一部分用作鍋爐燃料，以生產(chǎn)高溫高壓透平蒸汽，用以驅(qū)動(dòng)高壓透平離心壓縮機(jī)，同時(shí)富產(chǎn)蒸汽用于工藝生產(chǎn)需要。原料天然氣管網(wǎng)壓力為4.2MPa（G），用作鍋爐燃料的天然氣須經(jīng)過減壓閥減壓至0.7MPa（G），供鍋爐安全穩(wěn)定燃燒，用作燃料的天然氣使用量為2.4萬(wàn)Nm3/h。廠區(qū)自建蒸汽站供應(yīng)飽和水蒸汽用于原料供應(yīng)和生產(chǎn)需要。

3 合成氣工藝儲(chǔ)能及節(jié)能技術(shù)研究

3.1 天然氣壓差能及回收利用技術(shù)

該廠管道天然氣由管網(wǎng)4.2MPa（G），節(jié)流至0.7MPa（G），具有較大壓差，且流量達(dá)2.4萬(wàn)Nm3/h。生產(chǎn)中對(duì)于天然氣超過工藝要求壓力，其實(shí)際處置措施僅用減壓器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，造成天然氣壓差能極大浪費(fèi)。同時(shí)因減壓閥減壓后，天然氣溫度降溫，將造成管道及閥門結(jié)霜，還需用額外用熱水復(fù)溫，造成額外能源消耗。

在天然氣膨脹對(duì)外做功的同時(shí)會(huì)因內(nèi)能的降低造成工質(zhì)降溫，由此產(chǎn)生低溫的冷量可供使用。為避免膨脹過程中避免形成凝液，保證膨脹機(jī)的穩(wěn)定正常運(yùn)行，需要對(duì)膨脹比和天然氣進(jìn)出入口溫度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，保證膨脹后出口溫度高于0℃。

3.2 脫碳MDEA溶液水力能及回收利用技術(shù)

合成氣經(jīng)低溫變換爐出口氣經(jīng)低變氣廢鍋、低變氣再沸器，低變氣/脫鹽水預(yù)熱器回收熱量后，溫度降低到約75℃。合成氣經(jīng)變換后，進(jìn)入CO2吸收塔，在吸收塔中與MDEA溶液逆流接觸，分兩段完成CO2吸收。CO2吸收塔頂氣體經(jīng)水冷器冷卻、分離冷凝后去甲烷化。吸收CO2后的MDEA溶液（富液）具有較高的壓頭，經(jīng)減壓閥后，進(jìn)入富液閃蒸洗滌塔，閥前壓力為2.0～2.8MPa，閥后壓力為0.5～0.8MPa，MDEA富液循環(huán)流量為700～850m3/h。

對(duì)于MDEA溶液富液的操作條件，閥前壓力為2.0～2.8MPa，閥后壓力為0.5～0.8MPa，MDEA富液循環(huán)流量為700～850m3/h。其MDEA富液自塔頂與CO2逆向交換后含有較大壓頭能量，對(duì)于液體壓頭能量的利用一般通過水力透平對(duì)工藝流程中產(chǎn)生的高壓液體進(jìn)行再利用，一般采用逆運(yùn)行泵來充當(dāng)透平回收液體能量。

4 節(jié)能工藝設(shè)計(jì)及計(jì)算

4.1 天然氣壓差發(fā)電及冷能利用設(shè)計(jì)

（1）利用流程設(shè)計(jì)

為提高其入口端天然氣溫度和焓值，以便提高膨脹對(duì)外做功，同時(shí)保證燃料天然氣在膨脹后溫度不過低。

對(duì)經(jīng)膨脹后低溫天然氣與空調(diào)冷凍水進(jìn)行換熱，空調(diào)冷凍水溫度被降低，天然氣經(jīng)空調(diào)冷凍水復(fù)溫后再經(jīng)富裕蒸汽復(fù)溫至80℃后進(jìn)入鍋爐燃燒。

(2) 設(shè)計(jì)條件

天然氣額定流量24000Nm3/h，初始?jí)毫?.2MPa（G），減壓后為0.7MPa（G），天然氣質(zhì)量氣體質(zhì)量符合GB17820-1999中二類氣要求，主要組分為CH497%，CO21.5%，N21.5%，天然氣溫度為室溫，按照年均溫度18℃。空調(diào)冷凍水回水溫度20℃，壓力0.6MPa。余熱蒸汽溫度150℃，壓力0.4MPa。對(duì)主要辦公區(qū)的冷負(fù)荷調(diào)研，按照120～150W/m2的制冷量標(biāo)準(zhǔn)，辦公區(qū)1300m2的需要，制冷量約需156000W。

（3）設(shè)計(jì)及計(jì)算

透平膨脹機(jī)采用油軸承膨脹機(jī)，發(fā)電裝置配套主要設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)按照修正軸功900kW為基礎(chǔ)進(jìn)行核算和選型。配套管殼式預(yù)熱器、發(fā)電機(jī)、PLC超速及電氣保護(hù)系統(tǒng)。核算變速器、發(fā)電機(jī)等中間能量傳遞裝置運(yùn)行效率等因素，利用天然氣壓差能每小時(shí)將產(chǎn)生810kWh的電量，所發(fā)電量直接供廠區(qū)設(shè)備使用。

同時(shí)天然氣內(nèi)能使溫度降至約5℃，通過和冷凍水的熱交換，使得空調(diào)冷凍水降至10℃。低溫冷凍水經(jīng)泵送至辦公區(qū)各風(fēng)機(jī)盤管處。經(jīng)計(jì)算通過天然氣膨脹制冷產(chǎn)生冷量143500W，可基本滿足辦公區(qū)制冷需求。

天然氣被空調(diào)冷凍水復(fù)溫至約18℃，再經(jīng)余熱蒸汽復(fù)溫至約80℃，然后直接進(jìn)入鍋爐燃燒，實(shí)現(xiàn)燃?xì)飧邷厝紵?/p>

4.2 MDEA富液水力能回收

（1）利用方式設(shè)計(jì)

因在脫碳工藝中，用作MDEA富液的調(diào)節(jié)閥前后壓差大，且循環(huán)的溶液量較大，擬采用水力透平來取代富液減壓閥，利用溶液壓力差驅(qū)動(dòng)水力透平機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)半貧液泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）設(shè)計(jì)條件

塔底富液壓力約2.8MPa，減壓后壓力0.7MPa，在操作溫度95℃下貧液密度約1230kg/m3，富液流量700～850m3/h。