合成氨尿素裝置減排CO2節(jié)能創(chuàng)新工藝發(fā)展前景探索

任海斌

摘 要：本文主要以合成氨尿素為立足點(diǎn)，闡述了其在CO2減排節(jié)能創(chuàng)新背景下的工藝發(fā)展前景進(jìn)行了詳細(xì)闡述，以此達(dá)到為相關(guān)人員提供借鑒、建議，進(jìn)而促進(jìn)合成氨尿素更好發(fā)展的目的。

關(guān)鍵詞：合成氨;尿素;節(jié)能;創(chuàng)新工藝

1 工藝設(shè)計(jì)前景分析

立足生產(chǎn)能力角度來講，每年所需的合成氨尿素裝置合成氨數(shù)量在10萬t，平均至每天其合成量為300t，僅每小時(shí)就能合成12.5t氨。對于合成尿素產(chǎn)品來講，其量產(chǎn)每年在17萬t左右，平均每天合成尿素產(chǎn)品為510t。在合成氨的過程中，其壓力應(yīng)穩(wěn)定在24MPa，而對于尿素來講，其壓力相較于氨來講要低，為22MPa。

2 創(chuàng)新節(jié)能設(shè)備及技術(shù)前景分析

對合成氨尿素裝置深入了解可知，其底部燒嘴是用于蒸汽轉(zhuǎn)化的筒狀爐，由于其沒有引風(fēng)機(jī)裝置，所以其主要采用上煙道的方式，確保爐的熱效率保持在90%以上。天然氣原料在冷凝液和熱水同步作用下會處于飽和狀態(tài)，蒸汽也由此形成，使得工藝蒸汽大大縮減。在CO一次等溫變換下，固有的低變和中變將會通過整合轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮巫儞Q，之后借助冷凝液作用達(dá)到去除反應(yīng)熱的目的，不僅天然氣蒸汽獲得了熱源，而且熱能低位利用率也顯著提升。

在聯(lián)尿脫除過程中主要應(yīng)用的是變換氣的方式，這時(shí)CO2會以合成尿素氣提劑“身份”存在，一方面實(shí)現(xiàn)對尿液中甲胺的分解，另一方面將尿素生產(chǎn)過程中的尿素原料CO2進(jìn)行壓縮，從而使合成氨里CO2從中脫除出來，化學(xué)再生溶劑也能得到有效的節(jié)約。同時(shí)，在對新鮮合成器進(jìn)行脫水處理時(shí)可以采用分子篩來完成，這樣可以有效消除氧化作用下的微量毒物且免去了冷凍分氨的步驟，與以往原有回路相比，大約會有20%的氣體會直接與氨合成，在此背景下，入塔氣氨和循環(huán)氣會明顯降低，而分氨提升，進(jìn)而縮減了冷凍功和壓縮功。對于處于gc軸的徑向塔而言，其會被當(dāng)做合成氨的重要裝置，之后利用微型顆粒催化劑，促進(jìn)了氨凈值和反應(yīng)熱的同步提升。這時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)蒸汽總量可達(dá)到1000kg/t，比以往方式節(jié)約了超過0.7吉焦的噸氨。在平衡、對稱和雙列壓縮機(jī)整合運(yùn)用下，不僅縮減了壓縮機(jī)的投入數(shù)量，而且設(shè)備工作效率也大大提升。此外，想要使換熱設(shè)備傳熱效率提升至更高，翅片管型轉(zhuǎn)化換熱爐未嘗不是一種很好的選擇，可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備造價(jià)、提升熱能利用率的雙重目的。

3 工藝單元組成前景分析

一是，富氧自然轉(zhuǎn)化、換熱轉(zhuǎn)化及圓筒顱內(nèi)蒸汽轉(zhuǎn)化是構(gòu)成三段換熱轉(zhuǎn)化的三個(gè)核心要素;二是，原料天然氣飽和塔會將天然氣作為首要蒸汽轉(zhuǎn)化的對象，之后通過與冷凝液的相互作用形成蒸汽，從而達(dá)到縮減工藝消耗蒸汽的目的;三是，就CO一次等溫變化來講，其是低變和中變的合并、融合，而采用省略中變設(shè)備、熱回收設(shè)備和換熱設(shè)備的方式，變換流程就不會像以往那么繁瑣，熱能利用回收率也得到了優(yōu)化。同時(shí)，簡化流程還能夠使中變過程中的鐵路催化劑更快速的還原與升溫，有效避免了以往因放硫不充分而引發(fā)中變中的銅基催化劑中毒情況;四是，要把握住變換氣聯(lián)尿的過程，促使高溫變換氣向尿素氣提劑的轉(zhuǎn)變，保證尿液中甲胺得到應(yīng)有的分解和尿液濃度的標(biāo)準(zhǔn)度。也正是上述四個(gè)工藝單元，是尿素生產(chǎn)過程中必不可缺的過程。

4 工藝流程前景分析

4.1 生產(chǎn)合成氣的流程

天然氣轉(zhuǎn)化時(shí)需要將其置于圓筒爐當(dāng)中，在經(jīng)過脫硫槽后直接汽提飽和塔當(dāng)中，在此背景下，原本干燥的原料氣因受到熱水噴淋作用很快達(dá)到飽和程度。這時(shí)，需要在水碳比例3：1引導(dǎo)下，將蒸汽置于其中進(jìn)行有效的補(bǔ)充，確保其滿足相應(yīng)的比例標(biāo)準(zhǔn)。接著，還要將重點(diǎn)放在流段加熱上，根據(jù)流向不同將其分成三路，即二段爐、換熱轉(zhuǎn)化器以及圓筒爐管，從鎳催化劑借力順利完成換熱轉(zhuǎn)化。針對富氧空氣進(jìn)行預(yù)熱處理，添置爐頂位置，借助混合器的作用將其進(jìn)行混合，以此保證爐上半部分空間充分燃燒，并達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)高溫，然后催化劑床是實(shí)現(xiàn)其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。通常經(jīng)過二段爐作用轉(zhuǎn)化的氣體其出爐溫度在980℃左右，隨后要將此氣體再次置于換熱轉(zhuǎn)化器當(dāng)中，以廢鍋副產(chǎn)蒸汽方式為輔助將其冷卻，冷卻溫度保持在200-230℃為宜，這也是能夠放入一次等溫變換爐的重要標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)過程中，觸媒管會受到一定的影響而出現(xiàn)變換反應(yīng)熱，這時(shí)為了達(dá)到清除這一反應(yīng)的目的，可以使用熱水，從而使CO放熱反應(yīng)基于低溫環(huán)境下進(jìn)行。對于變換氣CO含量，其大約在0.4%左右，而溫度范圍為200-220℃。如果其所處壓力條件為5MPa，那么變換氣將會直接進(jìn)入到變換氣聯(lián)尿汽提塔內(nèi)，CO2接收到變換氣會發(fā)生凈化反應(yīng)，H2+N2氣也由此形成，在外力作用下返回至甲烷工序中。此外，以甲烷工序?yàn)檩o助而生成的H2+N2氣會在壓縮工序完成后的基礎(chǔ)上進(jìn)入到氨合成系統(tǒng)當(dāng)中。

4.2 聯(lián)尿的流程

首先，尿素生產(chǎn)過程中的變換氣汽提工作需要將合成氨內(nèi)CO2去除，之后將尿素和合成氨進(jìn)行融合，這也是開展尿素一體化生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)水溶液尿素裝置進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，合成氨尿素在降低CO2壓縮機(jī)消耗、再生熱能需求等方面都具有突出作用，這與變換氣中H2+N2有著直接關(guān)系，H2+N2能夠?qū)⑽矚馓幚硐到y(tǒng)安全性提升到更高的層次上。

其次，聯(lián)尿生產(chǎn)也是促進(jìn)氣體合成塔內(nèi)尿素熔融物的有效措施，一方面能夠?qū)H3和CO2從甲胺液里迅速分解，另一方面也能從中獲取尿素產(chǎn)品。汽提塔是吸收、冷卻變換氣的蟲咬裝置，無論是NH3、CO2向甲胺液的轉(zhuǎn)變還是泵向尿素合成塔的輸送都是借助汽提塔完成的。而吸收塔中，可以將H2+N2作為替代壓縮尿素CO2及合成氨CO2去除的重要措施，通過這樣一個(gè)過程，具體實(shí)施環(huán)節(jié)也能得到相應(yīng)的縮減?；?MPa環(huán)境下汽提變換氣可以促進(jìn)甲胺分解率及總氨蒸出率的提升，其具有的流程簡單等優(yōu)勢也是水溶液法不可比擬的。

4.3 生產(chǎn)基本原則

合成氨尿素的天然氣創(chuàng)新生產(chǎn)制作技術(shù)在各大國家都獲得了廣泛的應(yīng)用，主要原因是該技術(shù)簡便快捷、流程少、周期短，并且也不會應(yīng)用較多機(jī)械設(shè)備，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。在過去，生產(chǎn)制作尿素通常會經(jīng)歷兩大環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)是要把合成氨當(dāng)做中間產(chǎn)品，并將其放置在液氨儲罐中予以保存，生產(chǎn)尿素時(shí)將其當(dāng)做原材料使用。需要注意的是，在生產(chǎn)尿素的過程中一定要將合成氨中的二氧化碳（CO2）予以徹底排除，之后方可進(jìn)行加熱、二次生成、壓縮，才能成為生產(chǎn)尿素的原材料。在尿素的生產(chǎn)過程中，從天然氣投料到尿素生產(chǎn)完畢一般需要10-20d的時(shí)間，而應(yīng)用天然氣創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)可以將該環(huán)節(jié)縮短6-8d左右。比如：我國某生產(chǎn)企業(yè)在制作合成氨尿素時(shí)就應(yīng)用了天然氣創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)，具體操作流程為：①該企業(yè)直接將切換蒸汽、升高空氣溫度替換了原本的用氮?dú)忾_工裝置;②在變換環(huán)節(jié)還對經(jīng)過烘烤的催化劑進(jìn)行了合理應(yīng)用，同時(shí)在氨合成階段也對預(yù)還原的催化劑進(jìn)行了應(yīng)用。較為常見的催化劑有甲烷化鎳觸媒、轉(zhuǎn)化鎳觸媒、氨合成鐵觸媒、變換銅基觸媒等。無論是變換還是轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，都需要切換蒸汽、升高空氣溫度，然后倒入天然氣原料其會發(fā)生還原反應(yīng)，從而生成轉(zhuǎn)化氣可應(yīng)用在H2還原氣體的配置上;③一般情況下，變換階段和轉(zhuǎn)化階段的升溫還原共需要3d時(shí)間，甲烷化和聯(lián)尿脫碳環(huán)節(jié)需要1d，氨合成催化劑的還原過程及升溫過程需要2d，總生成時(shí)間是7d，該企業(yè)生產(chǎn)合成氨尿素的時(shí)間得到了明顯的減少。

5 結(jié)束語

總的來講，以CO2減排創(chuàng)新節(jié)能為背景討論合成氨尿素的工藝前景是極具現(xiàn)實(shí)意義的。從事該工作的人員應(yīng)做到對現(xiàn)下情況的充分把握，做到對氨尿素工藝設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)備和技術(shù)等多方面發(fā)展前景的了解，這不僅是減排CO2節(jié)能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，而且也是促進(jìn)我國氨肥工業(yè)穩(wěn)健發(fā)展的基礎(chǔ)所在。

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