蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨工藝探究

田玉虎

(甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團有限公司,甘肅 金昌 737000)

蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨工藝探究

田玉虎

(甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團有限公司,甘肅 金昌 737000)

由于我公司的合成氨生產(chǎn)成本偏高,致使聯(lián)堿等下游產(chǎn)品生產(chǎn)成本偏高,結(jié)合河西堡化工循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園蘭炭煤氣未進(jìn)行合理利用這一狀況,探究了以蘭炭煤氣為原料生產(chǎn)合成氨的工藝技術(shù),得出了該煤氣能夠生產(chǎn)合成氨而且能夠給公司和園區(qū)帶來良好的經(jīng)濟效益與環(huán)境效益。

蘭炭煤氣;合成氨;工藝

1 研究背景

甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團有限公司始建于1964年,經(jīng)過不斷發(fā)展已經(jīng)成為全國大型工業(yè)企業(yè)之一,先后填補了甘肅省合成氨、純堿、磷二銨等9項產(chǎn)品空白。公司構(gòu)建了以化肥為基礎(chǔ)、純堿為主導(dǎo)、相關(guān)經(jīng)營為輔的多元化企業(yè)集團發(fā)展架構(gòu)。作為公司龍頭的合成氨,公司一直使用無煙煤為原料。而近幾年,隨著無煙煤價格逐年上漲,公司已面臨原料價格增長、生產(chǎn)成本增加的嚴(yán)重問題,企業(yè)生存空間越來越小。如何獲得價格低廉的生產(chǎn)原料已經(jīng)成為公司合成氨及合成氨下游產(chǎn)品生存和發(fā)展的首要問題。

而同樣位于河西堡鎮(zhèn)的河西堡化工循環(huán)產(chǎn)業(yè)園,也面臨著環(huán)保問題。當(dāng)園區(qū)規(guī)劃的300萬t/a搗固焦和120萬t/a蘭炭兩個項目建成后,將有6.6億m3/a的焦?fàn)t煤氣和12億m3/a的蘭炭煤氣兩種廢氣產(chǎn)生。焦?fàn)t煤氣可以作為燃料或合成氨原料氣;而對于蘭炭煤氣,由于有效成分及熱值較低,只能通過“點天燈”的方式處理,不僅造成了資源的浪費,而且也給周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染,制約著園區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展。

為了解決合成氨原料的問題,同時解決園區(qū)廢氣排放,經(jīng)過專家多方的考察論證,并經(jīng)項目的可行性分析,得出了焦?fàn)t煤氣可以作為合成氨原料這一結(jié)論。依據(jù)這一結(jié)論以及對生產(chǎn)工藝等的深入探索研究,公司以園區(qū)搗鼓焦一期項目產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣為原料,建設(shè)20萬t/a合成氨項目,在一定程度上緩解了原料以及環(huán)境問題。

而對于成分與焦?fàn)t煤氣相似,且產(chǎn)生量更大的蘭炭煤氣,是否也能像焦?fàn)t煤氣一樣用于合成氨生產(chǎn),增加合成氨原料來源,并減小蘭炭煤氣對環(huán)境的污染,則是本文研究的主要內(nèi)容。

2 焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)合成氨工藝簡介

為了能夠完成蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨的工藝研究,我們簡要介紹我公司的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)合成氨工藝,希望能夠參考此成熟工藝完成本文研究工作。

2.1 氨的合成反應(yīng)

氨的合成反應(yīng)式為:

通過上述反應(yīng)式可以看出,控制好原料中N2和 H2的比例是制合成氨的關(guān)鍵[1]。

2.2 焦?fàn)t煤氣成分分析

我公司利用的焦?fàn)t煤氣成分如表1:

表1 焦?fàn)t煤氣成分表

根據(jù)上表可知,焦?fàn)t煤氣中有效成分(H2+ CO)為64%,而N2僅為4%。對比制合成氨反應(yīng)式,原料氣中氫多氮少,而且CH4含量高達(dá)26%,不可能將其直接用于合成氨生產(chǎn)工藝。該氣體成分與天然氣制合成氨一段轉(zhuǎn)化后的氣體成分比較相近,因此可以采用一定的工藝技術(shù)將其用于合成氨生產(chǎn)。

2.3 焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)合成氨工藝

根據(jù)焦?fàn)t煤氣的成分特點,山西省化工設(shè)計院采用蒸汽富氧轉(zhuǎn)化設(shè)計了焦?fàn)t煤氣制合成氨工藝技術(shù),并于2007年在山西侯馬豐喜集團華瑞公司成功建成了一套18萬t/a年合成氨的示范裝置。

我公司利用此工藝技術(shù),以搗固焦一期項目的焦?fàn)t煤氣為原料,設(shè)計完成了20萬t/a年合成氨的生產(chǎn)項目,目前該項目正處于建設(shè)過程中。該工藝技術(shù)以富氧轉(zhuǎn)化、甲烷化精制以及高壓氨合成等3項技術(shù)為核心,將焦?fàn)t煤氣經(jīng)管道送至生產(chǎn)裝置后,經(jīng)除焦鼓風(fēng)、壓縮、干法脫硫、富氧轉(zhuǎn)化、中串低變換、改良熱鉀堿脫碳、甲烷化、合成氣壓縮以及氨合成等工序即完成了合成氨的生產(chǎn)。

3 蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨工藝探究

3.1 蘭炭煤氣成分分析

本文研究的蘭炭煤氣的成分如表2:

表2 蘭炭煤氣成分表

通過成分表可知,蘭炭煤氣中的有效成分(H2+CO)僅為44.8%,而N2為38.1%,對比合成氨反應(yīng)原理,該氣體中明顯是氮多氫少。

3.2 蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨可行性分析

如果將蘭炭煤氣直接用于合成氨生產(chǎn)工藝,將會導(dǎo)致系統(tǒng)中氫氮比失調(diào);而且其中惰性成分——CH4含量又很高,此含量卻又達(dá)不到通過甲烷轉(zhuǎn)化方式將其用于合成氨生產(chǎn)的含量,因此這種方案不可行。

如果先將蘭炭煤氣中的有效成分分離出來,用于制合成氨工藝,則又會造成生產(chǎn)系統(tǒng)的合成氨生產(chǎn)能力偏小;即使能夠進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn),帶來的效益也會較差,因此這種方案也是不可行的。

綜上所述,如果想要將蘭炭煤氣作為合成氨的原料氣,只有通過向其中添加某些原料這一種方案才能達(dá)到生產(chǎn)要求。

按照這種思路并結(jié)合焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)合成氨的成功經(jīng)驗,本文提出了一種以蘭炭煤氣為主要原料生產(chǎn)合成氨的工藝。

3.3 蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨工藝技術(shù)方案

通過本文上述內(nèi)容的介紹可知,蘭炭煤氣中氮多氫少,而焦?fàn)t煤氣中氫多氮少;同時借鑒韓城市黑貓能源利用有限公司以焦?fàn)t煤氣、甲醇馳放氣為原料生產(chǎn)液氨的成功經(jīng)驗,我們總結(jié)出了自己的蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨的工藝技術(shù)路線[2]。

本工藝要依托在建的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)合成氨裝置中的轉(zhuǎn)化裝置,其具體思路為:將蘭炭煤氣中的甲烷及部分氮氣通過變壓吸附裝置分離出來,送至在建的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)合成氨裝置中進(jìn)行蒸汽富氧轉(zhuǎn)化;形成的轉(zhuǎn)化氣中由于氫的含量大大提高,將該轉(zhuǎn)化氣送回蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨裝置作為原料氣的一部分,加入到蘭炭煤氣中,從而使蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨裝置中氫氮比達(dá)到合理的水平;去除了蘭炭煤氣中多余的甲烷后,能夠保證合成氨生產(chǎn)的順利進(jìn)行;而送至轉(zhuǎn)化裝置中的部分氮氣則作為焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)合成氨裝置的部分氮源。

這種工藝一方面可以將蘭炭煤氣中的CH4、C2H4和C2H6等通過蒸汽富氧轉(zhuǎn)化全部轉(zhuǎn)化為氨合成的有效氣體,1摩爾的CH4經(jīng)過轉(zhuǎn)化可產(chǎn)生4摩爾的H2,即可以增加28.8%的 H2量,6億m3/a的蘭炭煤氣即可滿足新建一期20萬t/a合成氨項目;另一方面,經(jīng)過變壓吸附送至在建的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)合成氨裝置的氮氣,又解決了焦?fàn)t煤氣氮氣偏少的問題,可謂一舉兩得。

3.4 蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨工藝流程

利用蘭炭煤氣為原料,我們研究出自己的合成氨生產(chǎn)工藝路線,該工藝以變溫吸附脫苯萘、變壓吸附脫碳、變壓吸附脫氮及甲烷、高壓氨合成等技術(shù)為核心,具體工藝流程如圖1。

圖1 蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨工藝流程圖

3.5 蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨經(jīng)濟效益分析

按照我們提出的生產(chǎn)工藝,以化工園區(qū)產(chǎn)生的蘭炭煤氣為原料,能夠滿足新增20萬t/a合成氨的產(chǎn)能要求。通過該工藝的成本進(jìn)行分析計算得出,合成氨生產(chǎn)成本約為1288.0元/t,還不到白煤制合成氨生產(chǎn)成本的一半。如果液氨價格按2500元/t計,那么每年產(chǎn)生的利潤可望達(dá)到1億元人民幣,其經(jīng)濟效益非?？捎^。

4 結(jié) 論

本文探究了以蘭炭煤氣生產(chǎn)合成氨的工藝技術(shù),得出了蘭炭煤氣可以作為原料氣用于合成氨的生產(chǎn)這一結(jié)論,并提出了相應(yīng)的工藝路線。如果按照該工藝進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn),不僅能夠解決我公司合成氨生產(chǎn)成本偏高、經(jīng)濟效益差的問題,提高公司合成氨及下游聯(lián)堿產(chǎn)品的市場競爭能力,而且還能夠減輕甚至消除河西堡化工園區(qū)蘭炭生產(chǎn)裝置產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境的污染,實現(xiàn)蘭炭生產(chǎn)企業(yè)與以合成氨為龍頭的化工企業(yè)雙贏的局面,推動化工園區(qū)的循環(huán)經(jīng)濟建設(shè)。

[1] 王敏.合成氨生產(chǎn)中的廢氣與節(jié)能效益[J].甘肅化工,2000(3):131～133

[2] 顧維,謝全安.焦?fàn)t氣制甲醇馳放氣合成氨工藝研究[J].河北化工,2011,34(3):15～17.

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