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工艺过程
粗煤气经过高温和低温变换后, 经低温甲醇洗脱硫脱碳,再进入甲烷化装置。微量的CO和CO2与H2在甲烷化反应器内发生甲烷化反应,在脱除CO和CO2的过程中却产生了惰性气体(CH4),使得到的新鲜合成气中的惰性气体含量占到将近1%,并会在合成气循环中不断累积,造成循环气中惰性气体含量越来越高, 必须经常弛放这部分气体, 以保持回路中惰性气体的体积分数维持在一个合理的水平。而为了回收弛放气中的有效气体, 就需要建氢回收装置, 这无疑增加了装置的投资。
(3)甲烷化和液氮洗工艺的比较
与液氮洗相比, 甲烷化工艺运行费用较高, 主要表现在两个方面。
① 蒸汽的消耗:以300 kt/ a合成氨计算, 采用甲烷化工艺, 变换汽气比为1155, 变换系统每小时应补入蒸汽125t; 而采用液氮洗流程, 变换汽气比为01808, 变换系统每小时应补充蒸汽65 t, 液氮洗工艺比甲烷化工艺变换系统少用蒸汽60 t/h, 按每年运行8 000 h计, 采用液氮洗工艺比采用甲烷化工艺年节汽480kt。
② 甲烷化要在有催化剂存在的条件下才能进行, 因此需要消耗催化剂。
采用甲烷化工艺会使合成气中带入较多的甲烷,尤其对于大型合成氨厂来说, 空速很大,系统内允许的甲烷体积分数较低,一般为8%~9%,因此放空量很大。尽管对弛放气中的氢进行了回收, 但仍有大量的氢气被放掉(或是用作燃烧气),这无疑是较大的浪费(按精制气中甲烷体积分数为017%计,每天至少损失合成氨10t,还不包括压缩机的电耗)。而采用液氮洗工艺, 合成系统惰性气体体积分数不到1%,不需要放空。
采用甲烷化工艺,后面需要配氢回收装置,甲烷化工艺和氢回收装置配合使用, 增加了合成系统尤其是合成气压缩系统的负荷。采用甲烷化工艺对合成系统的影响(精制气中CH4的体积分数为017%左右,氨分离器后放空量为14 000~12 000 m3 /h,放空气中NH3的体积分数为2%~3%):循环气量增大, 合成回路设计尺寸增大; 除高压机循环量增大外, 高压机打新鲜气量增加10% (功率大增) ; 配套膜分离回收装置投资费用高, 回收率仅80%, 有效气体(H2 +N2 ) 损失大; 产生的大量氨水不好处理,增加了管理难度。
甲烷化工艺串在低温甲醇洗后, 不利于能源的综合利用。出低温甲醇洗的气体温度为- 56~ - 63 ℃,此气体入甲烷化炉前需加热至290 ℃以上; 出甲烷化气体温度为320~350 ℃,需经换热器降温至200~180 ℃, 再经水冷却器降温至40 ℃后入压缩机。入口气温度调整需经变换工段加热甲烷化气体,工艺路线不合理, 循环量大。
液氮洗串在低温甲醇洗后具有以下优点:
①出低温甲醇洗气体温度为-56 ~ - 63℃,直接进入液氮洗, 气体温度低, 起到了预冷的作用, 液氮洗为低温甲醇洗提供大量冷源, 出液氮洗第二块板翅式换热器气体温度为- 103℃,直接冷却低温甲醇洗系统;
②冷量消耗低,300 kt/ a合成氨装置液氮洗冷量损耗折小时电耗为200 kW˙h;
③ 联合操作经济性强。液氮来源于空分装置, 氮肥厂将工艺装置与空分装置组成联合系统, 可直接由空分装置抽取液氮作为液氮洗冷源, 不仅简化了流程, 减少了设备, 而且节省了投资, 降低了运行成本。同时空分还为低温甲醇洗提供汽提气, 可得到< (CO2 ) = 76%的CO2 气体。
(4)总结
甲烷化工艺虽然有不少优点, 但是该工艺的使用有一定的局限性, 对变换工艺CO的变换深度有一定要求, 适用于原料气中CO和CO2 体积分数小于018%的合成气精制; 另外, 甲烷化过程中消耗了部分有效气,且由于有甲烷产生, 使得氨合成系统的弛放气量增加。总的来说, 采用甲烷化工艺, 其前工序的变换、后工序的氨合成能耗较高, 投资也高。液氮洗工艺特点是精制气纯度高、能耗低、操作费用少、无污染, 虽然投资相对较高, 但在设有空分装置和上游配置有低温甲醇洗脱除CO2和H2 S等酸性气体的企业, 合成气精制配置液氮洗流程非常合理, 而且由于精制气体质量好,对氨合成系统十分有利, 可降低氨合成能耗。上述2种脱除合成气中微量CO的工艺各有优缺点, 具体采用哪种工艺,还要根据上下游工况、投资等情况综合评定后决定。
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