工艺技术方案选择

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1、5-1 第五章 工艺技术方案选择5.1 合成氨工艺技术方案5.1.1 合成气原料路线确定的原则选择生产合成气的原料，可以从原料储量、现有生产能力、成本、投资费用与技术水平等来综合考虑。从技术水平上看，以煤或天然气、重油等为原料制合成气的生产工艺都比较成熟，国内外都有工业化装置在运转。油、气、 煤是生产合成气的三大主要原料， 由于不同国家和地区资源条件的差异，不同时期原料供应和价格的变化，合成气的原料路线也随之改变。国外多以油、 气为主，除南非等少数国家外，一般不以煤为原料。我国由于煤炭多、气少、缺油的能源结构及其他原因， 使以煤为原料建设合成气装置成为一种主要发展方向，本项目合成气配套装置所需

2、原料以煤为原料。5.1.2 煤气化工艺技术方案的比较和选择本方案在总结国内氮肥生产现有工艺流程的特点上，进一步采用氮肥行业各种节能、降耗措施，发挥建厂投资省，技术新，见效快的优势，力求做到设计切实可行，又安全，环保，先进，节能。5.1.2.1 煤气化在以煤为原料生产合成氨的工艺中，煤的处理及气化部分所占总投资比例较高，因而选择合适可靠的煤气化工艺对项目影响较大。工业上以煤为原料生产煤气已有百余年历史。煤气化工艺已从第一代常压煤气化工艺发展到第二代加压气化， 两代气化工艺之间有很大差异， 主要表现在早期的煤气化大都使用焦炭、 块煤和小粒煤为原料 , 随着采煤机械化程度提高， 粉煤量已占 50%以

3、上，这部分粉煤资源不能有效利用。针对第一代煤气化工艺的不足，煤气化工艺向原料粉煤化、气化压力加压化方向发展。特别是自20世纪80年代以后，随着“煤的洁净气化”和“煤气化联合循环发电”的发展，采用先进的气流床反应器、以粉煤为原料、大型化的加压气化工艺成功地实现了工业化，成为煤气化技术的主流。5-2 现在比较先进的第二代煤气化工艺技术主要有：荷兰壳牌公司的 SCGP 粉煤加压气化工艺、德国未来能源公司的GSP 粉煤加压气化工艺、美国德士古公司的水煤浆加压气化工艺、美国Dynegy公司的 Destec加压气化工艺、 德国Lurgi 公司的 Lurgi 碎煤加压气化工艺等。在水煤浆加压气化工艺中， 美

4、国Dynegy公司Destec工艺的技术指标较好， 但操作经验较少，商业应用不多。Texaco工艺在中国的化肥工业中有一些应用的业绩。Shell 公司的 SCGP 粉煤加压气化工艺，是近年发展起来的先进煤气化工艺之一，已被成功地用于荷兰联合循环发电工厂的商业运营。目前国内已有湖北双环、 广西柳化、大连大化、中石化湖北分公司、洞氮、安庆、云南天安、云南沾化、神华、河南永城、河南中原大化、大唐国际等多套装置在建或已投入运行。（一）德士古（ Texaco）水煤浆气化工艺Texaco水煤浆气化工艺为第二代先进煤气化技术。美国Texaco公司很早就开发了以天然气和重油为原料生产合成气技术，经多年研究以后

5、，推出了水煤浆气化工艺。该工艺采用水煤浆进料、 液态排渣、在气流床中加压气化， 水煤浆与纯氧在高温高压下反应生成煤气。国内引进的渭河、鲁南、上海焦化、淮南四套装置，现均已投运，Texaco水煤浆气化工艺具有如下特点：（1）对煤种有一定适应性。除了含水高的褐煤以外，各种烟煤、石油焦、煤加氢液化残渣均可作为气化原料，以年轻烟煤为主，对煤的粒度、粘结性、硫含量没有严格要求。但是，国内企业运行证实水煤浆气化对使用煤质仍有一定的选择性：气化用煤的灰熔点温度 t3 值低于 1350时有利于气化；煤中灰分含量不超过15% 为宜，越低越好，煤的热值高于 26000kJ/kg ，并有较好的成浆性能，使用能制成6

6、065% 浓度的水煤浆之煤种，才能使运行稳定，又较为经济，并能充分发挥技术优势。（2）气化压力高。 工业装置使用压力在 2.8 6.5MPa 之间，可根据使用煤气的用途加以选择。（3）气化技术成熟。制备的水煤浆可用隔膜泵来输送，操作安全又便于计量控制。气化炉为专门设计的热壁炉， 为维持13501400温度下反应， 燃烧室内由多层特种耐火砖砌筑。热回收有激冷和废锅两种类型，可以煤气用途加以选择。（4）合成气质量较好。 其有效组分（CO+H2）含量占 80% ，甲烷量 2mg/Nm3）的条件。目前国内研究开发气体精脱硫的单位较多，但以湖北化学研究所的精脱硫工艺影响力及使用范围最大， 占据大部份市场

7、。 就甲醇生产精脱硫而言， 该所配套的工艺流程有JTL1及JTL4两种，JTL1为脱硫（H2S ）有机硫水解脱硫 （H2S ），而JTL4工艺则为脱硫（ H2S ）转化吸收（有机硫）。本设计采用JTL1精脱硫工艺。此流程虽然流程较长，设备投资略大，但其运行费用低。5.2.2.5压缩目前中小型企业由于甲醇生产能力小，因而都采用往复式压缩机， 但随着生产能力增加，往复机的单机打气量小， 易损件多等缺点日益明显， 而离心式压缩机具有单机气量大，泄漏少，运转平稳无脉冲， 连续工作时间长、 运行平稳、机组占地面积小，易损件少， 维修少无需备用等优点。 如采用蒸汽透平驱动， 还具有减少一次能量转换损失等优

8、点。下面就压缩机的选择比较说明如下：由于循环气压缩机的流量大，而压比又比较小， 如果采用往复式压缩机， 所需台数多，压缩机的体积大，占地面积大，而且需要设置备机，总体价格与单台离心式压缩机相当。离心式压缩机和往复式压缩机相比，具有下列特点：易损件少，连续运行周期长，操作成本较低。占地面积小；多台往复式压缩机占地面积大。出口气体不含油； 往复式压缩机填料函和气缸的润滑均使用油润滑，使一部分油以油气的形式存在于介质中，直接危害系统的安全； 离心压缩机的润滑油和密封油不会进入压缩介质， 特别是采用干气密封时， 介质不会受到任何污染。流量均匀无脉动；往复式压缩机的出口流量和压力是瞬时变化的，这种变化，

9、5-37 会造成连接管道的振动，即使进出口安装缓冲器也无法完全消除。可以采用汽轮机驱动， 通过调节汽轮机的蒸汽量来调节转速，能够方便调节压缩机的流量。从以上比较可以看出， 离心式压缩机与往复式压缩机相比，设备投资略高 （均按国产化考虑），如加上厂房和安装费用，则往复式压缩机方案总投资要高于离心式压缩机方案。虽然离心式压缩机控制要求高，但运行成本低，连续运行时间长，对于要求连续操作性强的甲醇生产装置来说，是比较有利的。 同时，只要加强对制造厂质量控制，该压缩机已经实现国产化。因此，本工程一期建设 14万吨甲醇装置时， 原料气压缩机和合成循环气压缩机推荐各采用 1台蒸汽驱动联合式离心式压缩机。5.

10、2.2.6甲醇合成本工程甲醇合成工艺具有如下特点：(1) 本工程甲醇规模为14 万吨/年，从技术经济角度考虑采用低压法工艺，这样可节约电耗，节省投资，也无设备制造、运输上的困难。(2) 采用列管式等温合成反应器。目前，国内外已工业化的合成反应器型式比较多，总的趋势是向着醇净值高、 副产中压蒸汽、 投资省、操作控制灵活方便的方向发展。但任何一种合成反应器都难以兼备上述各种优点， 而是各有优势， 现将国内外已工业化的主要的几种合成反应器型式介绍如下：冷激式合成反应器冷激式合成反应器，设备结构简单，投资小，采用原料气冷激控制温度，不能回收高位能反应热，循环比大，操作费用高。开工需专设开工加热炉。列管

11、式等温合成反应器列管式等温合成反应器设备结构较复杂，材质要求高，投资比冷激式合成反应器高，但操作费用比冷激式合成反应器低。列管式等温合成反应器转化率高， 循环比小，设备尺寸小。以水进汽出方式从反应器移出反应热， 并可回收 3.54.0MPa 蒸汽约 11.4t/t 甲醇。床层温度易于控制，副产的中压蒸汽可用于甲醇精馏系统的热源，能耗较冷激式低。开工设备为蒸汽喷射器，无需设置开工加热炉。管壳冷管复合反应器5-38 管壳冷管复合反应器， 冷管环隙装 MGC 高活性、长寿命催化剂。 反应热回收、温度控制及开工操作等具有列管式等温合成反应器一样的优点，但操作费和能耗比列管式等温合成反应器低，设备造价与

12、之相近。多段径向流动等温反应器多段径向流动等温反应器，具有列管式等温合成反应器所有优点。使用ICI 催化剂，水走管内，催化剂装管外， 与列管式等温合成反应器相比， 有催化剂装卸更方便，径向流动，床层压降小（为0.05MPa）等优点。绕管式等温反应器绕管式等温反应器， 也具有列管式等温合成反应器之优点。由于其采用水走管内换热的绕管式结构， 冷热介质间的传热系数比列管式等温合成反应器大，所需换热面积小，单位反应器空间的催化剂装填量大，反应器尺寸小，催化剂装卸容易，但结构较复杂。冷管反应器冷管反应器的特点是在催化剂床层内设置换热器，利用合成反应热加热入塔气体，由于冷管效应， 相当部分催化剂活性较低，

13、 在相同条件下催化剂装填量比列管式等温合成反应器更多。 同时温度较低的冷气入塔与高温气体换热，加大了过程的不可逆程度，使甲醇合成反应热回收的数量、品位比列管式等温合成反应器更低。在选择合成反应器型式时要考虑的主要因素有三个：一是技术可靠性；二是投资；三是运行费用。 在上述六种已工业化的合成反应器型式中，冷激式合成反应器、 列管式等温合成反应器、 冷管反应器国内已掌握， 并有多项业绩； 而管壳冷管复合反应器、多段径向流动等温反应器、 绕管式等温反应器据报告是列管式等温合成反应器在某些方面的优化，由于国内尚未引进这些技术，对其可靠性、设备投资、专利费、运行费等尚需与国外专利公司技术交流并进行考察后

14、方能落实。因此，暂不考虑采用这三种反应器。此外，冷管反应器因醇净值低，热量回收方式不合理，也不考虑。只从国内已掌握的较为先进的冷激式合成反应器、列管式等温合成反应器中进行选择。虽然在全世界冷激式合成反应器业绩最多，但与列管式等温合成反应器相比，其差距是十分明显的。上述两种合成反应器技术特点见下表：5-39 冷激式合成反应器和列管式等温合成反应器技术特点比较序号项目冷激式合成反应器列管式等温合成反应器1 推出时间1966 年1971 年2 占世界低压法甲醇产量比例66% 27% 3 合成工段投资100（基准）113 4 循环压缩能耗100（基准）67 5 合成工段回收热能100（基准）136 6

15、 冷却水消耗100（基准）38 7 反应器形式多段原料气冷激，绝热床副产蒸汽移热，冷却列管式 等温床8 反应床层最大温差30 5068 （与冷侧温差）9 反应温度控制方式及特点原料气冷激，温度调节有滞后，在低负荷或负荷波 动时滞后更大水进汽出移热，蒸汽压力变化控温，调节灵敏，滞后较 小10 循环比6.0 5.0 11 开工操作设置开工加热炉无需开工加热炉综上述比较， 冷激式合成反应器醇净值较低、循环比较大。 列管式等温合成反应器醇净值较高，可回收3.54.0MPa 蒸汽 11.4tt 甲醇，能耗低。因此，本着技术上稳妥可靠、实用先进和节能的原则，推荐采用列管式等温合成反应器。(3) 采用离心式

16、循环气压缩机。(4) 采用脱盐水洗涤甲醇合成气中的甲醇蒸汽。5.2.2.7甲醇精馏甲醇精馏工艺主要有双塔流程和三塔流程两种，其主要区别在于： 三塔流程设置有一个加压操作（ P=0.60.7MPa）的主精馏塔。利用加压塔塔顶甲醇蒸汽冷凝热作为常压精馏塔塔底再沸器的热源，减少了蒸汽和冷却水消耗， 使得精馏过程中总的能耗可比双塔流程低20%30%。但是流程长，设备投资大，比两塔流程多15左右。双塔工艺虽然流程简单、装置投资省，但能耗高；而三塔精馏流程相对较长，但其能耗较双塔工艺低。从能耗和投资综合考虑，对大、中型甲醇精馏装置，三塔精馏工艺更有优势。本工程期和期阶段精馏设计规模为20 万吨/年，设计选用三塔流程以降低能耗。本工程甲醇精馏工艺具有如下特点：(1) 采用三塔流程。该流程利用加压精馏塔塔顶温度122的甲醇蒸汽作为常压精馏塔再沸器的热源，与双塔流程相比，每吨甲醇可节约蒸汽350kg。5-40 (2) 利用加压精馏塔再沸器中温度158的蒸汽冷凝液作为预精馏塔再沸器的热源，每吨甲醇可节约蒸汽100kg。(3)