Реконструкция отделения конверсии

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПАТЕНТНЫХ И ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ. ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА И ОНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

 

1. Аналитический обзор патентных и литературных данных

 

Существующие традиционные технологии производств синтетического аммиака включают в себя следующие основные стадии производства: компримирование природного газа до 4,5 МПа и воздуха до 3,5 МПа центробежными компрессорами с приводом от паровых турбин; гидрирование органических серосоединений, содержащихся в природном газе, на алюмокобальтмолибденоновом катализаторе до сероводорода и поглощение его оксида цинка; паровая конверсия метана в трубчатой печи (первичный реформинг) под давлением до объемной доли метана в газе не более 12% и паровоздушная конверсия остаточного метана в шахтном конверторе (вторичный реформинг); двухступенчатая конверсия оксида углерода на среднетемпературном и низкотемпературном катализаторах; очистка конвертированного газа от диоксида углерода; тонкая очистка конвертированного газа от остаточной оксида и диоксида углерода метанированием на никелевом катализаторе; компримирование синтез-газа до давления центробежным компрессором с приводом от паровой турбины; синтез аммиака под давлением; захолаживание продукционного аммиака в абсорбционно-холодильных установках и выдача жидкого аммиака в изотермическое хранилище и потребителям.

Традиционные технологии обладают целым рядом недостатков: достаточно большой расход природного газа на производство 1 т аммиака; высокие температуры реформинга; значительное энергопотребление на стадии синтеза аммиака.

К концу 1970-х годов  уже было продемонстрировано несколько  важных технологических новшеств, которые  способствовали повышению эффективности  технологии аммиака. К ним, например, относятся внедрение криогенных агрегатов для рекуперации водорода из продувочных газов и методы удаления диоксида углерода с существенно сниженным энергопотреблением.  Были также внедрены две важные разработки для колонны синтеза аммиака; использование теплообмена вместо ввода холодного байпаса между слоями катализатора и использование маленьких частиц  катализатора, что позволило преодолеть диффузионное торможение.

Традиционные способы  повышения эффективности установки  заключались во внедрении дополнительных энергосберегающих приемов, например, рекуперации Н₂ и дополнительного количества тепла или ужесточение режимов

 

 

 

 

эксплуатации до допустимых технологией пределов (использование  более высоких температур реформинга или максимального давления при  синтезе).

В отличие от этих способов современные компании в области производства аммиака стремятся к повышению эффективности путем уменьшения подводимой энергии и смягчении, а не ужесточении, условий проведения процесса.

Так в процессе AMV компании ICI уменьшается отношение пар/углерод до 2,75–3,0 в первичный реформер и во вторичный реформер воздух подается с небольшим избытком /1–5/. Обычно этот избыток на 20% превышает стехиометрическое количество. Это влечет за собой всего лишь один незначительный нёдостаток, связанный с мощностью воздушного компрессор (менее 1 МВт для установки производительностью 1000 т/сутки), однако предоставляет ряд преимуществ:

– уменьшение размеров первичного реформера;

– смягчение условий  реформинга;

– способствует выводу инертных газов из контура синтеза.

Температура на выходе первичного реформера на 20–40°С ниже, чем в традиционной технологии, даже несмотря на малое паровое соотношение. Это существенно снижает размер и стоимость реформер.

Низкое паровое соотношение  в процессе AMV вносит свой вклад в небольшой размер системы пароснабжения; общее количество пара, которое подается в установку производительностью 1000 т/сутки, обычно оставляет 120 т/ч в час вместо 190 т/ч в час для установок традиционного типа. Это позволяет повысить эффективность и снизить капитальные затраты.

В таблице 1.1 приведены сравнительные характеристики типичных процессов реформинга по АМV-технологии компании IСI и по традиционной  технологии.

 Таблица 1.1

Сравнение процессов  реформинга по АМV-технологии компании IСI и по традиционной  технологии

Характеристика	AMV	Традиционная технология
Типичные режимы первичного реформера: Отношение пар/углерод Температура газа на выходе, °С Проскок метана, об. % в расчете на сухой газ	2,75-3,0 780 16	3,5 800-820 11
Типичные режимы вторичного реформера: Температура газа на выходе, °С Проскок метана, об. % в расчете на сухой газ	950 1	1000 0,3

В основе LCA-технологии компании ICI лежит использование реформинг-реактора с газовым обогревом (GHR) /6,7/. В новой технологии тепло реакции вторичного реформинга используется для обогрева реактора первичного реформинга посредством теплопередачи через трубки с катализатором. GHR занимает площадь на порядок меньше, чем камера сгорания традиционного реактора, работающая при атмосферном давлении; высота GHR в два раза меньше. Кроме того, здесь нет длинных, сложных коммуникаций, связывающих реактор с остальными частями установки, а также газовых бойлеров высокого давления и пароперегревателей.

Конструкция и размер GHR обеспечивают очень компактную и гибкую схему, позволяют значительно снизить протяженность высокотемпературных трубопроводов в зоне реактора. В GHR нет никаких горелок, отсутствуют какие-либо требования относительно работ по графику, поэтому не нужны ни платформы, ни другие системы доступа. Отсутствие высокотемпературных сжигателей в установке первичного реформинга значительно снижает выбросы NO_X в атмосферу по сравнению с традиционными реформинг-установками.

GHR собирается заранее, он незначительно отличается от установки вторичного реформинга, в противоположность установкам с традиционным обогревом, которые собираются на месте и требуют намного более сложной подготовительной работы.

Пуск обычной реформинг-установки  – это длительная процедура, состоящая  из нескольких стадий, многие из которых  зависят от запуска системы пара. Это приводит к увеличению расхода природного газа как сырья и как топлива. В LCA-процессе блок GHR/вторичный реформинг запускается в один прием. Технологический воздух как источник тепла, технологический газ и пар подаются вместе GHR в установку вторичного реформинга.

Отсутствие обогрева пламенем исключает необходимость стабилизации работы при высоких скоростях потоков на старте, как это приходится делать в традиционных установках для достижения хорошего распределения газа по трубкам. Перегревы из-за горелок также исключены. Поэтому нет опасности расплавления трубок. GHR может безопасно работать, даже если скорости потоков составляют 10% от проектных, пока остальное оборудование готовят к работе.

 Описанный метод запуска  в сочетании со значительно  сниженными расходами (потоков) заметно сокращает время, необходимое для приведение установки в рабочее состояние, и потери энергии из-за сбросов в атмосферу.

Прекращение подачи углеводородного  сырья в традиционном реформинге требует остановки технологического воздуха и ослабления первичного нагрева. В LCA-процессе линии сырья и воздуха взаимосвязаны, при неисправности одной из них другая прекращает работу автоматически, LCA-процесса можно повторить уже через 2-4 часа, это позволяет восстановить работу установки после нарушений гораздо быстрее и безопаснее, чем в традиционном процессе.

Использование катализатора вторичного реформинга с низкой термической  инерцией обеспечило простую конструкцию  GHR. Монолитная конфигурация обеспечивает низкий общий объем катализатора и минимальный вес катализатора и носителя.

Подробная схема GHR представлена на рис. 1.1. Для того, чтобы уменьшить размер установки, теплоперенос через трубы был интенсифицирован с помощью "труб-оболочек", которые окружали содержащие катализатор трубки и увеличивали теплоотдачу от горячего отходящего газа вторичного реформинга. Ребра на трубах тоже усиливали теплоотдачу.

 

Реформинг-установка  с газовым обогревом

 

Рис 1.1.

GHR может работать при давлении, превышающем нормальное давление реформинга, благодаря этому можно использовать компрессор синтез-газа более простой конструкции.

В метанаторе используется модификация стандартного катализатора метанирования ICI Katalco, активность которой выше, особенно при низких температурах. Объем катализатора в метанаторе составляет только 6 м³. Это дает объемную скорость более 10 600 час^-1, что более чем вдвое превосходит эту величину для обычной установки. Кроме высокой объемной скорости, метанатор обеспечивает достаточную низкотемпературную активность, поэтому можно при запуске подавать газ в установку при 170 °С, не опасаясь проскока СО в контур синтеза. Такая способность работать при низких температурах экономит время при запуске; малый объем необходимого катализатора способствует сокращению стоимости камеры.

Согласно технологии компании Haidor Topse /8/ в состав секции паровой

конверсии входят аппарат предварительной конверсии (по выбору – он дает большой эффект, когда сырьем служат пропан, бутан или нафта), трубчатая печь и агрегат паровоздушной конверсии. Трубчатая печь, конструкции фирмы Topse, имеет горелки в боковых стенках. Использование установки позволяет увеличить мощность производства.

По технологии компании Uhde Gmbh /8/  природный газ, обессеривают, смешивают с паром и конвертируют в реакторе паровой конверсии на никелевом катализаторе при температуре 800–850°С и давлении около 4 МПа. Паровой конвертор конструкции фирмы Uhde – это печь с потолочными горелками, трубами центробежного литья из высоколегированной стали и запатентованной «холодной выходной гребенкой», благодаря которой улучшена надежность установки. В реакторе паровоздушной конверсии технологический воздух смешивается с синтез-газом в специальном сопле, которое обеспечивает очень хорошее перемешивание воздуха и газа. Далее проводится охлаждение с выработкой и перегревом пара высокого давления. Эта стадия вносит вклад в достижение оптимального энергетического КПД процесса. Возможна переработка другого органического сырья - угля, масла, остатков или отдувочного газа синтеза метанола, но для этого нужно изменить головную часть схемы.

Главные особенности  процесса Kellogg Brown & Root /8/ – паровая конверсия в мягком режиме, паровоздушная конверсия в избытке воздуха. Углеводородное сырье после очистки от серы взаимодействует с паром в реакторе паровой конверсии, из которого выходит с температурой около 700ºС. Затем газовая смесь реагирует с избытком воздуха в реакторе паровоздушной конверсии, из которого выходит с температурой около 900ºС. Воздушный компрессор обычно имеет привод от паровой турбины, выхлопные газы которой поступают в печь паровой конверсии где, используются в качестве подогретого воздуха, подаваемого для сжигания топлива.

В /9/ патентуется способ переработки природного газа для производства аммиака, включающий отбор природного газа под давлением, дросселирование, сжигание в качестве топлива, нагревание газа, гидрирование газа, сероочистку по технологической схеме процесса реформинга агрегата синтеза аммиака, отличающийся тем, что дросселированию подвергают 30–45% природного газа, подаваемого под давлением 3,8–5,0 МПа, который направляется на сжигание в качестве топлива, а остальная часть природного газа после фильтрации от твердых механических примесей подается в подогреватель, где она нагревается до температуры 150–200ºС за счет тепла отходящих дымовых газов и направляется в огневой подогреватель системы гидро- и сероочистки, где нагревается до температуры 370–400ºС и далее подается на гидрирование и сероочистку по технологической схеме реформинга.

Преимуществом предлагаемого  процесса является значительная экономия энергоресурсов вследствие использования  новых: 1) количественных соотношений  в схеме дросселирования потоков  природного газа; 2) теплоносителя в  процессе предварительного подогрева. Кроме того, обеспечивается практически полное использование всех компонентов подаваемого на агрегат природного газа, т. к.  из схемы исключается процесс сепарации газового конденсата. При реализации схемы удалось исключить из процесса высокоэнергоемкие и требующие больших затрат на эксплуатацию и ремонт компрессор природного газа. При этом увеличилась надежность процесса, снизился расход пара на собственные нужды производства примерно на 20 т/ч и расход природного газа уменьшился на 290 нм³/ч.

В /10/ описывается способ получения синтез-газа для производства аммиака содержащий следующие этапы: подачу исходного газа в, по меньшей мере, одну пару реакторов для осуществления реформинга, при этом каждый реактор имеет сторону осуществления сжигания, а каждая пара реакторов соединена параллельно на стороне осуществления подачи топлива и последовательно на стороне осуществления сжигания, отличается тем, что температуру пламени, в каждой паре реакторов контролируют путем подачи избытка воздуха для сжигания в первый реактор из указанной пары реакторов и обедненного кислорода воздуха для сжигания во второй реактор указанной пары реакторов.

Целый ряд исследований направлен на совершенствование  оборудования действующего производства.

В /11/ предлагается использовать новый тип инжекционной горелки. Инжекционная горелка, содержащая внутренний и наружный кольцевые инжекторы с регуляторами расхода воздуха на входе, газоподводящую трубу, газораздаточный коллектор, газовыпускные сопла, отличающаяся тем, что содержит центральную обечайку, имеющую установленный на уровне выходного среза горелки торец, до которого доходит, не соприкасаясь с ним, газоподводящая труба, газораздаточный коллектор выполнен кольцевым, с установленными по окружности газовыпускньши соплами, а кольцевые инжекторы на выходе снабжены аксиальными поворотными лопатками (рис 1.2).