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1、本科毕业设计设计题目：年产13万吨合成氨项目变换工段工艺设计（CO进口27.4%） 学 院： 化学与化工学 专 业： 化学工程与工艺 摘要氨是无机化工业的重要原料，合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业的一个非常重要的部分。本设计是以煤为原料年产十三万吨合成氨工艺设计，主要阐述了国内外合成氨工业的现状及发展趋势以及工艺流程、参数的确定和选择，论述了建厂的选址；介绍了氨变换工序的各种流程并确定本设计全低变的流程。工艺计算部分主要包括转化段和变换段的物料衡算、热量衡算、平衡温距及空速计算。设备计算部分主要是高变炉催化剂用量的具体计算，并根据设计任务做了转化和变换
2、工序带控制点的工艺流程图。关键词：合成氨、变换工序、全低变 AbstractAmmonia is an important raw material of inorganic chemical industry, synthetic ammonia industry occupies a very important position in the national economy, ammonia and ammonia processing industry has become a very important part of the modern chemical industry.T
3、he design is based on coal as raw material with an annual output of one hundred and thirty thousand tons of synthetic ammonia process design,Mainly describes the identification and selection of current situation and development trend of synthetic ammonia industry at home and abroad, and process para
4、meters, discusses the construction site；introduces the process of ammonia transformation process and to determine the design of all low temperature shift process. Process calculation of material balance consists of conversion and conversioncalculation, heat balance, balance temperature distance and
5、velocitycalculation. Equipment calculation part is mainly calculated variablefurnace catalyst, process flow diagrams and the transformation andtransformation process with the control points according to the design task.Key words:Synthetic ammonia, commutation process, the low-temperature shift proce
6、ss第一章 总论1.1 设计项目年产13万吨合成氨项目变换工段工艺设计（CO进口27.4%）1.2 产品介绍1.2.1 氨的物化性质氨（英语：Ammonia，或称氨气、阿摩尼亚或无水氨，分子式为NH3）是一种无色气体，有强烈的刺激气味。极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨。液氨为无色液体，25时其密度为0.6028kg/l，标准大气压下沸点为-33.4，它是一种有腐蚀性、有毒的物质；极易挥发成气氨，具有强烈的刺激性，对人体能引起腐蚀和窒息作用，与空气混合浓度达到15%17%范围时，形成爆炸混合气体。介于液氨的以上性质，储存时要用专门的液氨储罐，用液氨槽车装运或液氨瓶充装。1.2.
7、2 产品氨的规格产品为液氨，其中氨含量为99.8% ，残留物含量为0.2%。表1.1合成氨指标示意表指标名称一级品二级品氨（NH3）含量 99.8 99.5水份油含量 0.2 0.51.2.3 原料的来源及规格生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。各个合成氨厂原料的选择受多方面因素制约，尤其是厂区附近资源分布情况。鉴于我国能源结构、储量、供应和消耗情况，加之厂所处位置西北地区煤矿丰富，所以本合成氨厂选用煤为原料，采用宁夏宁东地区煤炭为原料。1.2.4 氨的用途氨是最为重要的基础化工产品之一，主要用于制造氮肥和复合肥料，用量约占世界产量的12。同时也是能源消耗的大户，世界
8、上大约有10%的能源用于生产合成氨。化肥是农业的主要肥料，而其中的氮肥又是农业上应用最广泛的一种化学肥料，其生产规模、技术装备水平、产品数量，都居于化肥工业之首，在国民经济中占有极其重要的地位。各种氮肥生产是以合成氨为主要原料的，因此，合成氨工业的发展标志着氮肥工业的水平。以氨为主要原料可以制造尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵等氮素肥料。还可以将氨加工制成各种含氮复合肥料。此外，液氨本身就是一种高效氮素肥料，可以直接施用，一些国家已大量使用液氨。可见，合成氨工业是氮肥工业的基础，对农业增产起着重要的作用。氨也是重要的工业原料，广泛用于制药、炼油、纯碱、合成纤维、合成树脂、含氮无机盐等工业
9、部门。将氨氧化可以制成硝酸，而硝酸又是生产炸药、染料等产品的重要原料。现代国防工业和尖端技术也都与氨合成工业有密切关系，如生产火箭的推进剂和氧化剂，同样也离不开氨。此外，氨还是常用的冷冻剂。合成氨工业的快速发展，也促进和带动了许多科学技术的发展，催化技术、特殊金属材料、固体燃料气化、烃类燃料的合理利用等。同时，尿素和甲醇的合成、石油加氢、高压聚合等工业，也是在合成氨工业的基础上发展出来的。所以合成氨工业在国民经济中占有十分重要的地位，氨及氨加工工业已成为现代化学工业的一个非常重要的部分。1.3设计项目的必要性1.3.1 合成氨工业发展概况世界合成氨技术的发展，经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能
10、耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。根据合成氨技术发展的情况分析，未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期，改善经济性”的基本目标，进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发。(1)大型化、集成化、自动化，形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。以Uhde公司的“双压法氨合成工艺”和Kellogg公司的“基于钌基催化剂KAAP工艺”，将会在氨合成工艺的大型化方面发挥重要的作用。氨合成工艺单元主要以增加氨合成转化率(提高氨净值)，降低合成压力、减小合
11、成回路压降、合理利用能量为主，开发气体分布更加均匀、阻力更小、结构更加合理的合成塔及其内件；开发低压、高活性合成催化剂，实现“等压合成”。(2)以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整，是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。生产过程中不生成或很少生成副产物、废物实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。提高生产运转的可靠性，延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。有利于“提高装置生产运转率、延长运行周期”的技术，包括工艺优化技术、先进控制
12、技术等将越来越受到重视。1.3.2 我国合成氨技术的基本状况目前合成氨总生产能力为4500万吨/年寿右，氮肥工业已基本满足了国内需求，在与国际接轨后，具各与国际合成氨产品竞争的能力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。(一)大型氮肥装置。我国目前有大型合成氨装置共计34套，生产能力约1000万吨/年，其中。游产品除l套装置生产硝艘磷肥之外，均为尿素。按照原料类型分，以天然气为原料的17套，以轻油为原料的6套，以重油为原料的9套，以煤为原料的2套。(二)中、小型氮肥装置。我国目前有中型合成氨装置55套，生产能力约为500万吨/年，其中，副产品主要是尿素和硝酸铵，其中以煤、焦为原料
13、的装置有34套，以渣油为原料的装置有9套，以气为原料的装置育12套，目前有小型合成氨装置700多套，生产能力约为3000万吨/年，其下游产品原来主要足碳酸氢铵，现有112套经过改造生产尿素，原料以煤，焦为主，其中以煤，焦为原料的占96%，以气为原料的仅占4%。(三)合成氨技术未来的发展趋势。a.大型化、集成化、自动化。形成经济规模的生产中心，低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。单系列合成氨装置生产能力将从2000T/D提高至40005000T/D，以天燃气为原料制氨吨氨能耗已经接近一理论水平。今后难以有较大幅度的降低，但以油，煤为原料制氨，降低能耗还可以有所作为。b.以“油改气
14、”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产”和再加工为核心的产品结构调整，是合成氨装置“改善经济性”，增强竞争力的有效途径，全球原油供应处于减递模式，正处于总递减曲线的中点，预计到2010的原油将出现自然短缺，需用其他能源补充。c.实施与环境友好的清洁牛产是未来合成氨装置的必然和惟的选择。生产过程中不牛成或很少生成副产物，废物，实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋生成熟和不断完善。d.提高生产运转的可靠性，延长运行周期是末来合成氨装置“改善经济性，增强竞争力”的必要保证。有利于“提高装置牛产运转率，延长运行周期的技术，包括工艺优化技术，先进控制技术等将越来越受到重视。1.3.3 合成氨
15、在我国市场情况及发展前景据资料统计:1997 年世界合成氨年产量达103.9Mt。2000年产量将达111.8Mt。其化肥用氨分别占氨产量的81.7%和82.6%。我国1996年合成氨产量已达30.64Mt，2000年将达36Mt，2020 年将增加至45Mt。即今后20年间将增加到现在的1.5倍。因而合成氨的持续健康发展还有相当长的路要走。未来我国合成氨氮肥的实物产量将会超过石油和钢铁。合成氨工业在国民经济中举足轻重。农业生产，“有收无收在于水，收多收少在于肥”。所以，合成氨工业是农业的基础。它的发展将对国民经济的发展产生重大影响。因此，我国现有众多的化肥生产装置应成为改造扩建增产的基础。我
16、国七十至九十年代先后重复引进30 多套大化肥装置，耗费巨额资金，在提高了化肥生产技术水平的同时，也受到国外的制约。今后应利用国内开发和消化吸收引进的工艺技术，自力更生，立足国内，走出一条具有中国特色的社会主义民族工业的发展道路。过去引进建设一套大型化肥装置，耗资数十亿元。当今走老厂改造扩建的道路，可使投资节省1/22/3。节省的巨额资金，用作农田水利建设和农产品深加工，将在加速农村经济发展，提高农民生活水平，缩小城乡差距起着重要用。1.4 厂址选择厂址：宁夏宁东煤化工基地宁东能源化工基地位于陕、甘、宁、蒙毗邻地区，西与自治区首府银川市隔黄河相望（相距约43km），东与开发中的陕北能源重化工基地
17、毗邻。地理坐标：东经10621391065634，北纬370448381741。东以鸳鸯湖、马家滩、萌城矿区的边界为限；西接白芨滩东界，延伸到积家井、韦州矿区西界；南至韦州矿区和萌城矿区的最南端延省界的连接线；北邻内蒙古自治区鄂托克前旗。范围涉及兴庆区、灵武市、盐池县、同心县、红寺堡开发区等5个市县（区）。将厂区设置在这里还有如下几点优势：a.煤炭资源优势宁东煤田已探明储量270多亿吨，居全国第六位，占全区已探明储量的87%，煤田地质条件好，开采条件佳，采掘成本低，且煤质优，是优良的动力和气化用煤。 b.水资源优势基地位于黄河东畔，中心区距黄河仅35公里左右，2003年底开工建设的宁东供水工程
18、，预计2005年5月建成通水，总供水量为15970万立方米，能为基地提供充足的水源保障。c.交通优势四通八达的道路交通是基地的一大突出优势，银川-青岛高速公路及307国道横贯基地；大古铁路连接包兰、宝中铁路与京包、陇海线连通可辐射全国，已建设完成的太原-中卫-银川铁路又形成一条横穿基地的外运大通道；银川河东机场距基地中心区仅30公里，每日航班达50余次，通往北京、上海、广州、西安、太原、济南、青岛、兰州等重要城市。d.土地资源优势基地处于荒山丘陵地带，地形平缓，地势开阔，有成片的发展用地，为工业建设提供了广阔的土地资源。e.区位优势基地位于陕、甘、宁、蒙毗邻地区，西与自治区首府银川市隔黄河相望
19、，东与开发中的陕北能源重化工基地毗邻，易形成产业互补，资源共享，其生产、生活条件俱佳。f.电力优势宁夏目前无拉闸限电之虞，2004年宁夏电网统调装机容量达到366万千瓦，而且基地规划建设的八大电厂将形成千万千瓦级的火电基地，这些都将为基地提供充足的电力供应。气候特点：宁东能源化工基地地处大陆腹地，远离海洋，属中温带大陆性干旱气候区，其特点表现为冬长夏短，降水量小，春秋多风沙，蒸发量大，日照时数长。要气象资料如下：年平均气温 8.8极端最高气温 41.4极端最低气温 -28.0年平均相对湿度 57%年平均降水量 203.4mm一日最大降水量 95.4mm年最低蒸发量 911.9mm年平均蒸发量
20、1774.4mm年平均大气压 89.0kPa最大积雪深度 130mm多年最大冻土深度 1090mm年平均风速 2.6m/s最大风速 18m/s冬季主导风向 N夏季主导风向 ES全年最小频率风向 EN平均雷暴日数 15.8d最多雷暴日数 30d平均沙尘暴日数 6.8d最多沙尘暴日数 50d1.5 合成氨厂工艺路线选择1.5.1 煤气化炉的选择以煤为原料生产合成氨工艺中，煤气化所消耗的能源约占合成氨全部能耗的70 ，因此应择优选择适合企业情况及当地煤源情况的煤气化工艺。煤气化是以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或纯氧）、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为
21、气体燃料的过程。煤的气化类型可归纳为五种基本类型：自热式的水蒸气气化、外热式水蒸气气化、煤的加氢气化、煤的水蒸气气化和加氢气化结合制造代用天然气、煤的水蒸气气化和甲烷化相结合制造代用天然气。(1)固定床煤气化工艺技术我国固定床煤气化工艺主要为常压固定床间歇气化、常压固定床富氧连续气化和鲁奇加压气化技术。a.常压固定床间歇气化技术该技术是我国目前合成氨企业应用最广泛的煤气化技术，要求原料条件较为苛刻，以块状无烟煤或焦炭为原料，气化剂为空气和水蒸气，在常压下生成原料气。该技术建设投资少、工艺控制简单、运行稳定，但存在原料利用率低、能耗高、单炉产气量低以及吹风气对周围环境污染严重等问题，为逐步淘汰的
22、落后工艺。国家不主张新建企业采用此煤气化技术。b.常压固定床富氧连续气化技术该技术是从常压固定床间歇气化技术发展过来的。其特点是，采用富氧为气化剂，原料为8mm-10mm小粒度无烟煤或焦炭以及各种粉煤加工而成的型煤和劣质煤，提高了进厂原料利用率，具有流程简单、生产稳定、设备维修量低、宜于操作、对大气污染小的优点，是国家提倡发展的煤气化技术。据相关资料显示，采用富氧连续气化的“l830”工程，设计吨氨耗焦炭w(c)=701.314t，比间歇气化技术下降0.2t-0.3t；排渣含炭量由20-25降至10左右，单炉产量提高1倍，吹风气不外排，无污染。但该技术需要富氧，一次性投资较高，增加电耗。目前，
23、国内采用该技术生产合成氨的企业有安徽淮化集团公司、河南平顶山化肥厂、福建三明化工有限公司等。c.鲁奇加压气化技术该技术采用移动床，气固相逆流接触，炉体采用水夹套式，产生的蒸汽作为气化剂的一部分返回气化炉。气化剂为蒸汽和氧气。原料可以采用褐煤、弱黏结性和不黏结煤，炉径可达5000 mm。该工艺要求原料煤热稳定性高、化学活性好、灰熔点高；产生的煤气发热量高，焦油及杂质含量高(质量分数约为1)，甲烷质量分数约10，而且废水治理较复杂，不适合用于制合成气，适合用于制城市煤气和燃料气。目前，国内应用该技术的有山西化肥厂。(2) 流化床煤气化工艺技术a.灰熔聚流化床粉煤气化技术该技术由中国科学院山西煤炭化
24、学研究所开发，具有自主知识产权。灰熔聚流化床核心设备-气化炉结构简单，在炉内一次实现煤的破黏、脱挥发分、气化、灰团聚及分离、焦油及酚类的裂解，具有气化强度高、炭利用率高、产品气中不含焦油和酚等优点。该技术煤种适应性宽，可以气化褐煤、低化学活性的烟煤和无烟煤、石油焦和6mm-8mm以下的碎煤，但气体CH4含量较高。b.恩德炉粉煤气化技术该技术是在德国温克勒煤气化技术的基础上进行改进完善后形成的实用新型技术。其装置特点是，气化强度较大，取消了炉算，以喷嘴代之布风喷入气化剂，使粉煤沸腾流化，流化床内气固相接触较好，强化了传热和传质过程；适应煤种宽，可气化褐煤和长焰煤，要求原料为不黏结和弱黏结，可气化
25、高灰熔点的煤，气化温度可达1050左右，且炉内温度分布均匀，在900950以上；原料中挥发分受热迅速分解，焦油和高碳氢化合物等裂解比较完全，煤气中焦油、酚类含量较低。目前，该技术在黑龙江宁安化肥厂、通辽梅花生物科技有限公司等企业应用。(3) 气流床煤气化工艺技术a. 德士古粉煤气化技术德士古水煤浆加压气化过程属于气流床并流反应过程。德士古气化炉的特点是，单炉生产能力大，能使用除褐煤以外的各种灰渣的黏度一温度特性合适的粉煤，适用煤种较宽；本法所制得的煤气中甲烷及烃类含量极低，最适宜用作合成气；德士古气化法系在加压下操作，它可配不同的合成工艺进行等压操作；工艺过程中所产生的“三废”较其他工艺少，且
26、易于处理。若用本法气化高灰熔点的煤，需添加助燃剂，克服排渣困难，且增加耗氧量。德士古气化法可使用较多的煤种，但需制成水煤浆进行气化，其优点是加料方便和稳定，缺点是与干法加料相比氧耗高。褐煤、高灰分煤不适用此法。目前，国内山东兖矿鲁南化肥厂、盘锦中润化工有限公司等l0余家企业应用该技术。b.多喷嘴对置式水煤浆气化技术该技术属气流床气化技术，由华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂共同开发，具有自主知识产权。该工艺煤种适应性强，对煤种的灰分和含硫量没有特殊要求，只要求灰熔点1350。经过20多年的开发研究，现已完全成熟，工艺指标先进，易于大规模化。目前，我国鲁南化肥厂、渭河化肥厂、淮南化肥厂应用该技术生产合
27、成氨和甲醇。c.壳牌干煤粉加压气化技术该煤气化工艺简称SCGP，是第2代煤气化技术。该技术对煤种适应性广泛，可气化褐煤、烟煤、无烟煤、石油焦及高灰熔点的煤，人炉煤为干粉煤。该气化炉采用水冷壁，气化温度l4001600，气化压力3.0 MPa，可以气化高灰熔点的煤，但需添加助溶剂。该技术在国外用于联合循环发电。我国引进该技术用于合成氨和甲醇，但是生产不太稳定，而且投资是德士古气化装置的2倍，维修费用较大，废热回收较复杂。目前，岳阳中石化壳牌煤气化有限公司、云南沾化有限责任公司、柳州化学工业集团引进该技术生产合成氨。d.GSP干煤粉加压气化技术该技术属于气流床加压气化技术，人炉煤为干粉煤。据介绍，
28、可气化高灰熔点的煤，但需要添加助剂。目前，只有气化褐煤的业绩，没有长期气化高灰熔点、高灰分煤的业绩。e.四喷嘴对置式干粉煤和两段式干粉煤加压气化技术四喷嘴对置式干粉煤加压气化技术是由华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司合作开发的具有自主知识产权的煤气化技术。两段式干粉煤加压气化技术是西安热工研究院有限公司开发成功的，也是具有自主知识产权的煤气化技术。考虑到宁东地区煤种较为复杂，决定采用采用连续富氧造气，其优势有以下几条：1)可通过调整富氧的浓度使合成氨副产甲醇的醇氨比随意调节，较小的投人便可提高合成氨工业副产甲醇产量；2)采用粉煤制型煤代替块煤，合成氨原料煤的来源更加广泛，使原料
29、成本大幅度降低；3)取消了间歇气化吹风阶段，减少了吹风气对环境的污染；4)产气量较大，比煤耗、比氧耗、比蒸汽耗均较低。1.5.2 本设计造气原理煤(焦)在一定温度和压力下进行气化反应，主要反应为：C(固)+O2=CO2 (1)C(固)+CO2=2CO (2)C(固)+H2O=CO+H2 (3)反应式(1)为炭的氧化燃烧，研究表明当在800以上时，反应几乎是不可逆地自左向右进行，其反应速度已超过动力学控制的极限，而属于扩散控制。在炭块表面O2浓度、O2和CO2流速增加气化反应即增加。当温度在800以下时。燃烧反应减慢，直接受到温度高低影响，属于动力学控制。当氧化层温度为11001200时(以燃料
30、的灰熔点决定操作温度)，空气中O2全部反应完了的时间约为0.050.1s。1.5.3 本设计造气工艺流程原料焦炭经破碎、筛分后，由皮带运输机送到煤气发生炉顶部焦炭料仓里，由加料斗经自动加焦机定时连续加入固定层煤气发生炉。蒸汽和富氧空气连续进入炉中，焦炭和富氧空气进行不完全燃烧产生大量的热量，温度升高，供蒸汽在炽热的炭中分解。制得半水煤气。自空气鼓气机来的空气与空分系统来的99以上氧气同时进入混合罐混合成50一55左右的富氧空气，混合后的富氧空气与来自蒸汽过热器的蒸汽再次混合进入煤气发生炉炉底(混合气温度110140)，与炉中的碳反应生成半水煤气从炉顶出来进入废热锅炉，将半水煤气由约700(75
31、0)降至280左右。经过过热蒸汽预热器再次回收热量后约170进入洗气箱、煤气洗涤塔，将半水煤气冷却至35送往气柜，经缓冲后进入泡沫除尘器。经过泡沫除尘后送入电滤器将其焦油和灰尘脱除至3mg/m3(标)以下，送入煤气压缩系统。废锅副产2.5MPa蒸汽外送，造气炉夹套付产0.04MPa(表)蒸汽供造气自用。造气用蒸汽除夹套付产汽外，由空分空压机透平背压汽供给，这样节省电耗，蒸汽利用合理，制氧成本降低。工艺流程见下图图 1.1 富氧连续气化工艺流程图1.6 原料气的净化1.6.1脱硫从制气炉制取的粗原料气，含有一些硫的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂中毒，都必须在氨合成工序前加以脱除，习惯上称为
32、“脱硫”。常见脱硫方法：（1）栲胶法(TV法)：TV法是我国特有的脱硫技术，是目前国内使用厂家最多的脱硫方法之一，主要分碱性栲胶脱硫(以栲胶和偏钒酸钠作催化剂)和氨法栲胶(以氨代替碱)2种。栲胶是由植物的果皮、叶和茎干经水萃液熬制而成，主要成份是丹宁。由于来源不同，丹宁组成也不同，但都是由化学结构十分复杂的多羟基芳烃化合物组成，具有酚式或醌式结构。TV法的特点：栲胶资源丰富，价廉易得，运行费用比改良蒽醌二磺酸钠法（ADA法)低；无硫堵塔问题；栲胶既是氧化剂又是钒的配合剂；溶液组成比改良ADA法简单；栲胶脱硫液对设备腐蚀性小；栲胶需要熟化预处理。（2）PDS法：PDS脱硫催化剂是酞菁钴磺酸盐金属
33、有机化合物的混和物，主要成份是双核酞菁钴磺酸盐。在碱性溶液条件下：由PDS、碱性物质和助催化剂3种成份组成。PDS法工艺特点：PDS目前在工业上一般还是与ADA、栲胶法配合使用，只需在原脱硫液中加入微量PDS即可，因此消耗费用很低；PDS活性好，用量少；生成的单质硫易分离，一般不会发生硫堵；在脱除H2S的同时能脱除部分有机硫；PDS无毒，脱硫液对设备不腐蚀；PDS亦可单独使用，可以不加钒，副反应少，无废液排放。（3）低温甲醇洗法：该工艺以冷甲醇为吸收溶剂，利用甲醇在低温下对酸性气体溶解度极大的优良特性，脱除原料气中的酸性气体。该工艺气体净化度高，选择性好，气体的脱硫和脱碳可在同一个塔内分段、选
34、择性地进行。低温甲醇洗脱硫、脱碳技术特点如下：a.溶剂在低温下对CO2、H2S、COS等酸性气体吸收能力极强，溶液循环量小，功耗少；b.溶剂不氧化、不降解，有很好的化学和热稳定性；c.净化气质量好，净化度高，CO220ppm，H2S0.1ppm。d.溶剂不起泡；e.具有选择性吸收H2S、COS和CO2的特性，可分开脱除和再生；f.溶剂廉价易得，但甲醇有毒，对操作和维修要求严格。低温甲醇洗可以脱除气体中多种杂质，在30到70的低温下，甲醇可以同时脱除气体中的H2S、COS、CS2、RSR、C4H4S、CO2、HCN、NH3、芳香烃、粗汽油等杂质，因为该方法可以高效除掉原料气中的硫化物和原料气变换
35、后的气体中的CO2。鉴于低温甲醇洗工艺不但可以脱除原料气中的硫化物，同时可以脱去原料气中的CO2，所以脱硫和脱碳都选择低温甲醇洗的工艺，主要介绍见脱碳部分。1.6.2变换见重点设计工序（变换工序）部分的生产方法选择论证。1.6.3脱碳粗原料气经变换工序以后除含有氢、氮外，还含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷等组分，其中二氧化碳含量最多。二氧化碳是氨合成催化剂的毒物，在将原料气送入氨合成塔之前必须将二氧化碳脱除掉。此外，二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料，可以回收利用，回收成本。因此，变换气中二氧化碳的脱除必须兼顾到这两个方面。脱除原料气中二氧化碳的过程称为脱碳。脱碳的方法很多，大部分是溶
36、剂吸收法。根据吸收剂性质的不同，可分为物理吸收法、化学吸收法和物理化学吸收法三大类。物理吸收法一般用水和有机溶剂为吸收剂，吸收后的溶液可以有效地用减压闪蒸使大部分二氧化碳解吸。常用的方法有加压水洗法、低温甲醇法和聚乙二醇二甲醚法等。化学吸收法大多是用碱性溶液为吸收剂中和酸性气体二氧化碳，采用加热再生，释放出溶液中的二氧化碳。常用的方法有氨水法和改良热钾碱法等。物理化学吸收法兼有物理吸收和化学吸收的特点，方法有环丁砜法和甲基二甲醇胺法等。（1）常见的脱碳方法最常用的物理吸收方法为低温甲醇法和变压吸附法，最常用的化学吸收方法为改良热钾碱法，最常用的物理化学洗为甲基二甲醇胺法（MEDA法）。a.变压
37、吸附法：与传统的湿法脱碳装置相比，变压吸附脱碳技术装置具有能耗低、流程简单、自动化程度高、开停车方便、操作成本低、净化气不需要预处理等优点。b.改良热钾碱法：改良热钾碱法具有以下特点：净化度高，技术成熟，生产稳定可靠，溶剂来源广，价格低廉，但是吸收能力受到碱浓度限制，对设备腐蚀大，且二氧化碳再生耗热量较大。c.甲基二甲醇胺法（MEDA法）：甲基二甲醇胺法（MEDA法）是德国BASF公司20世纪80年代开发的一种低能耗脱碳工艺。该法吸收效果好，能使净化气中的二氧化碳降至100ml/m3，溶液热稳定性好，不降解，挥发性小，对碳钢设备腐蚀性小。MEDA法的工艺流程有一段吸收流程和二段吸收流程，其中二
38、段流程吸收工艺虽然能耗低但是投资费用大。d.低温甲醇法低温甲醇法对二氧化碳净化度高，二氧化碳在甲醇中的溶解度较高，溶液循环量小，能耗低，吸收剂本身不起泡，不腐蚀设备；但是低温操作条件对设备材质要求高，为了回收冷量，换热设备会增多，因此流程会较复杂，而且甲醇有毒，对废水需要进行处理。典型的低温甲醇洗工艺有林德(Linde)公司的一步法和鲁奇(Lurgi)公司的两步法低温甲醇洗技术。两步法就是原料气在经CO变换之前先脱硫，变换之后再脱除二氧化碳，可写成“脱硫一变换一脱碳”的形式。也就是说鲁奇两步法低温甲醇洗工艺可以同时满足脱硫和脱碳的功能，减少设备投入和运行成本，所以本设计选择低温甲醇洗工艺进行脱
39、碳处理。低温甲醇法工艺原理：图1.2是两步法吸收原料气中H2S和CO2的低温甲醇洗流程图，原料气首先经过预冷器和氨冷器将温度冷却至吸收温度后进入第一吸收塔T1，在第一吸收塔T1中首先进行原料气的脱硫。由于原料气中存在一定量的水分，原料气经预冷器预冷时水分有可能结冰。为防止冻结，同时将原料气中的水分分离出来，向原料气中喷入一小股甲醇液体。已经过第一吸收塔T1脱除了硫化物的原料气从塔顶出来后进入一氧化碳变换装置，得到合适C/H的变换气。变换气经换热冷却后进入第二吸收塔T2，在此脱除变换气中的CO2。第一吸收塔T1塔底出来的富甲醇经降压闪蒸后得到闪蒸气相(主要是H2、CO和少量H2S)和富含大量H2
40、S的甲醇，闪蒸气相进入原料气循环使用，而塔底富含大量H2S的甲醇进入硫化氢再生塔，在此加热煮沸富甲醇使甲醇完全再生，塔底贫甲醇经换热冷却后进入CO2再生塔，为CO2解吸提供甲醇蒸汽。第二吸收塔T2塔底出来的富甲醇经降压闪蒸后得到闪蒸气相(主要是H2、CO和少量CO2)和富含大量(CO2的甲醇，闪蒸气相进入原料气循环使用，富含大量CO2的甲醇进入CO2再生塔上塔，用氮气汽提再生。CO2气体从CO2再生塔上塔塔顶出来被回收，塔底贫甲醇一部分进入第一吸收塔T1作为吸收剂使用，另一部分甲醇进入CO2再生塔下塔。来自CO2再生塔下塔塔底的贫甲醇进入第二吸收塔T2顶部。图1.2 原料气中H2S和CO2的低
41、温甲醇洗流程图1.6.4精制经变换工序和脱碳工序后的原料气中尚含有少量的一氧化碳和二氧化碳。为了防止过量的一氧化碳和二氧化碳对氨合成催化剂的毒害，在将原料气送往合成系统以前，必须对其作最后的净化处理，通常将此过程称之为原料气的“精制”。工业生产上一般有以下几种精制方法：铜氨液洗涤法、甲烷化法、液氮洗涤法、以及近年来开发成功的新技术醇烃化工艺。精制方法介绍及选择a.铜氨液洗涤法：铜洗法精制原料气方法消耗高，主要表现在运行、维修、操作费用高，物料消耗大，铜液在净化过程吸收了CO和CO2，同时亦溶解了原料气H2，致使原料气耗损，这是不可取的。即使设置了再生回收，仍然存在着气体的损失，且精制度较低。铜
42、洗法精制原料气方法还有个最大的缺陷就在于环境污染严重，不符合设计环保要求。b.甲烷化法：用甲烷化脱除原料气中的CO和CO2可大幅度简化生产流程，降低建设和操作费用，操作也较平稳，运行费用不足铜洗的20%，占地面积也较铜洗装置要少。该法存在的不足之处也是会损耗原料气H2，而且甲烷化后甲烷含量增加，造成氨合成放空量增大，甲烷化还要求变换中CO含量0.3%，(CO+CO2)0.7%，以控制催化剂床层的温度，(CO+CO2)含量指标的要求对以煤为原料固定层气化的中小氮肥较为苛刻，所以较难普及。c.液氮洗涤法：液氮洗涤法的不仅能脱除CO和CO2，还能脱除CH4和Ar，但是由于此方法需要液氮，选用该技术时
43、必须考虑液氮的来源。通常与设有空气分离装置的重油部分气化、烟煤加压气化制备合成气的工艺技术结合使用，以获得充足的液体氮来源。本设计采用以煤为原料的富氧连续气化技术，而液氮洗涤法需要富氧气化制气，与设计相符。d.醇烃化工艺法：醇烃化工艺技术是将合成氨原料气的精制分两步进行。首先将CO和CO2进行甲醇化，使原料气进一步精制，然后将CO和CO2进行甲烷化，以达到原料气的最终精制。作为原料气进一步精制的甲醇化工艺，醇化后气体中CO和CO2的含量越少，甲烷化工艺的H2消耗越少，甲烷化后气体中的CH4才会越少，从而越有利于氨的合成。在保持触媒在最佳的活性范围条件下，甲醇合成反应的系统压力越高，越有利于提高
44、甲醇的合成率，降低醇化后气体中CO和CO2的含量。高压(31.4MPa)甲醇合成CO单程转化率达到90%以上，醇后出口气体中CO+CO2含量体积分数小于20010-6。原料气体中这样低的CO+CO2含量，使甲烷化反应原料气中的H2气几乎不被消耗，而CH4几乎没有增加，充分显示出高压醇化精制气体的优势。这种精制工艺技术克服了甲烷化工艺对原料气变换和脱碳工艺过程要求CO和CO2体积分数必须小于0.7%的缺点，可以降低因深度变换和深度脱碳引起的蒸汽消耗，使变换和脱碳的工艺过程控制更为宽松和容易，提高了总氨(含甲醇)生产过程总体的经济性。考虑到铜氨法污染环境大以及诸多缺点，不采用此法；本设计采用固定床
45、富氧连续技术制气，脱硫、脱碳采用低温甲醇法，当低温甲醇洗法脱除H2S、CO2与液氮洗脱除CO、CH4联合使用时，显得更加合理，当经甲醇洗净化后的气体温度在63下进入液氮洗时（5.2MPa），液氮洗系统冷量可以自身平衡更加节省冷冻过程的动力消耗，采用需要富氧制气的液氮洗涤法精制原料气。综合考虑后，本设计采用液氮洗涤法精制原料气。采用低温甲醇洗和液氮洗进行气体精制，一次性将气体中所有杂质包括H2S、CO2、CO、Ar、CH4等全部脱除，合成新鲜气中的惰性气含量小于10ppm，且不含水。由于气体精制程度很高，因而在合成回路中无弛放气，减少了气体损失，压缩功耗也较低。液氮洗涤法工艺特点液氮洗涤法原理：
46、液氮洗涤工艺是基于混合气体中各组分在不同的气体分压下冷凝的温度不同，混合气体中各组分在相同的溶液中溶解度不同，使混合气体中需分离的某种气体冷凝和溶解在所选择的溶液中，而得以从混合气体中分离。利用CO等惰性气体具有比氮的沸点高且易溶解于液态氮的特性液氮洗涤为物理过程以液氮为洗涤剂CO冷凝在液氮中而部分液氮蒸发到气相中作为合成氨的原料气。工艺流程介绍：从低温甲醇洗工序来的原料气首先进入分子筛吸附器的一组，将CO2、CH3OH、H2O等杂质除去后进入铝合金板翅式换热器E2，与液氮洗涤塔顶部来的净化气、塔底液以及闪蒸气回收氢逆流换热，冷却到一定温度后进入铝合金板翅式换热器E3继续冷却，换热后的气体进入液氮洗涤塔底部。在液氮洗涤塔中原料气用液氮洗涤，气体中CO、CH4、Ar等杂质被液氮溶解后得到精制气，从液氮洗涤塔顶出来经E3换热后，用比例调节方式对其进行粗配氮，然后进入E2回收冷量。换热到一定温度后分为两路，一路去甲醇洗工序回收冷量，然后返回液氮洗系统；另一路则经氮气冷却器E1换热后，与从甲醇洗工序回来