[发明专利]一种天然气转化生产氨的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种天然气转化生产氨的方法及装置。

背景技术

合成氨工艺主要包括气化(转化)、变换、净化、氨合成四个过程，目前世界各大合成氨装置的生产工艺均是组合工艺，即各单元采用不同工艺，经过优化、合理的组合构成合成氨的生产工艺。

传统的合成氨工艺中一般都是采用两段加压蒸汽转化流程，目前的低能耗大型合成氨蒸汽工艺主要有Kellogg的MEAP工艺、Topsoe工艺、Braun的深冷净化工艺和Uhde-ICI-AMV工艺。

蒸汽转化法与部分氧化法相比，具有从水中获得氢气的优势，生成的有效气体要比传统的部分氧化法多1.45％，最新的天然气蒸汽转化法工艺制合成氨，在能量消耗角度上仍有明显优势。但天然气蒸汽转化需要燃气在换热管外加热提供需要的反应热，这就存在燃烧尾气排放带来的环境污染和热量损失；由于高的加热温度对炉管的材质要求较高，在设备上的一次性投资较大；且烧嘴燃烧系统的调节操作较为复杂。

天然气的非催化部分氧化工艺的设备相对简单，没有催化剂，投资低；而且操作方便，易于控制；热量交换直接在反应物料间完成，不需要外界供热，因此没有废气和废热的排放；而且反应后干气中二氧化碳的生成量比蒸汽转化法少40％。由于气化炉出口温度高，目前采用的激冷工艺造成的热量损失较大，能耗高；但如果不采用激冷工艺，直接回收高品位热量，对设备材质的要求高；同时部分氧化工艺需要装置配套空分单元。

目前先进的二段蒸汽转化工艺是与深冷净化配套使用的，在二段炉里加入过量50％的空气。空气中多余50％的氮跟随工艺气通过变换和脱碳，造成了气相负荷的浪费。另外空气中的氩进入工艺气后只有50％在深冷净化中脱除，剩余的部分进入合成回路，造成合成回路有弛放气排放，从而形成了氢的损失。

通过目前开发出的各种换热式蒸汽转化工艺的对比，可以看出以上工艺都是基于两段蒸汽转化基础上，利用的都是自热式二段蒸汽转化的反应热。虽然减少了一段蒸汽转化炉的加热燃料气，但由于热负荷不足，装置仍然需要增加一个前置直热式加热炉提供原料气、空气预热的热量，或者仍存在外热式常规一段蒸汽转化炉，装置仍然存在烟气的排放和热量损失。

一段蒸汽转化炉设备庞大，转化炉管为高温合金材料，一次投资昂贵。一段转化炉为间接加热炉，加热燃烧产生的废气有热量损失，并且对环境造成污染。

蒸汽转化法能够从水中获得工艺需要的氢，但是需要外界提供转化反应所需要的热量；部分氧化工艺的设备简单、投资低，而且气化炉出口工艺气具有较高的温度。将这两种工艺的优点结合起来，形成的工艺应具有流程简单、流程短、催化剂使用量少、能量利用合理、热效率高、操作简单、消耗低、国产化力度大、设备台数少、一次性投资低等优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然气转化生产氨的方法及装置，将蒸汽转化法与部分氧化法结合起来，实现能量的合理配置和低的原料消耗，即在部分氧化炉后配置蒸汽转化工艺，使部分氧化后的高温工艺气替代燃料气为蒸汽转化反应提供需要的热量。这样既充分利用了高温位的热量，又避免了常规蒸汽转换工艺的烟气排放带走的热量损失和环境污染。在原料分配上，70～80％的天然气进入两台气化炉，其余20～30％送入换热式蒸汽转化炉。

本发明所述的一种天然气转化生产氨的方法是经两段压缩后压力为6.52MPa(G)，温度为135.7℃、总硫10mg/l的天然气，其中质量70～80％与来自空分的氧气分别通过喷嘴进入两台气化炉，在气化炉的反应室进行部分氧化反应，以氧/天然气比来控制气化炉内的温度1100～1200℃，生成以H₂、CO、CO₂为原料的粗合成气和少量的甲烷；其余质量20～30％天然气进入换热式蒸汽转化炉；

从气化炉反应室出来的1050～1150℃的粗合成气和少量的甲烷直接进入后续的换热式转化炉，与换热式转化炉出口的800～900℃的20～30％的转化工艺气混合，混合后1000～1050℃的高温气体作为换热式转化炉蒸汽转化反应的加热热源；利用该温度把蒸汽转化的原料气加热至540～560℃，送入到换热式转化炉的转化管中进行反应，转化管出口的工艺气温度为850～880℃；