第３８卷第３期２０１２年６月化工设计通讯ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ・２７・以煤为原料新建合成氨装置的工艺组合徐建平（云南云天化国际化工红磷分公司，云南开远６６１６００）摘要：从合成氨原料出发．论述了煤在合成氨原料种类中的主要地位。根据不同的煤种和不同的条件选择煤气化的炉型｛把先进的低温甲醇洗、液氮洗净化流程与“小氮流程”作了一个简单比较。对于新建合成氨装置．提出根据不同气化方式、产品方案及净化方式，确定工艺组合方式．关键词：煤气化；净化；合成氨＃工艺组合中图分类号：ＴＱｌｌ３．２文献标志码：Ｂ文章编号：１００３—６４９０（２０１２）０３—００２７‘０７ＰｒｏｃｅｓｓｅｓＣｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｆｏｒＮｅｗＡｍｍｏｎｉａＰｌａｎｔｗｉｔｈＣｏａｌＦｅｅｄｓｔｏｃｋＸＵＪｉａｎ—ｐｉｎｇ（ＲｅｄＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓＳｕｂｓｉｄｉａｒｙｏｆＹｕｎｎａｎＹｕｎｔｉａｎｈｕａＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｈｅｍｉｃａｌＣｏ．，Ｌｔｄ．。ＫａｉｙｕａｎＹｕｎｎａｎ６６１６００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｏｆａｍｍｏｎｉａ．ｅｌａｂｏｒａｔｅｔｈｅｐｒｅｄｏｍｉｎａｔｅｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｃｏａｌｉｎｓｏｍｅｋｉｎｄｓｏｆｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｔＯｐｒｏｄｕｃｅａｍｍｏｎｉａ．ＡｅｅｏｒｄｉｎｇｔＯｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏａｌｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｕｒｎａｃｅｓ，ｂｒｉｅｆｌｙｃｏｍｐａｒｅｗｉｔｈａｄｖａｎｃｅｄｒｅｃｔｉｓｏｌｐｒｏｃｅｓｓ，ｌｉｑｕｉｄｎｉｔｒｏｇｅｎｗａｓｈｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｓｍａｌｌａｍｍｏｎｉａｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｐｒｏｐｏｓｅｐｒｏｃｅｓｓｅｓｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｂａｓｅｄｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｎｅｗａｍｍｏｎｉａｐｌａｎｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ａｍｍｏｎｉａ；ｐｒｏｃｅｓｓｅｓｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄ１煤气化１．１合成氨的原料在国内．能用来做合成氨的原料有重油、天然气、焦炉气、焦炭、无烟煤、烟煤、褐煤．收稿日期：２０１２－０４—１７（１）重油随着国际油价的上升，重油作为合成氨的原料在１９９５年以后就已经淘汰。现在国内没有用重油作为合成氨原料的厂家。（２）焦炭每吨氨消耗焦炭１－４ｔ，随着焦炭价格的上升，现已经达到Ｉ８００元／ｔ，原料在作者简介：徐建平（１９６３－－），男，云南弥勒人，化工高级工程师，从事合成氨生产与管理３０年．现为云南云天化国际红磷分公司剐总。ｌＨ圳卅¨…Ｉ¨◆ｌ…◆Ｉｎ…Ⅲ◆ｌｌ¨．１－Ｊ．ＩｎＩ◆Ⅲ１．ⅢＩ．｜¨…¨…¨…ｌｌＩ．ＩＵｌ◆川卅＃Ｉ．｝¨１．ⅢＩ●ⅢＩ●¨¨．ＩＩ¨．Ｉ＂ｌ刊¨Ｉ州Ⅲ．Ｉ¨卜．㈨．１Ⅲ●Ⅲ…Ⅲ●Ⅲｌ●¨Ｉｌ●洲．ＩⅢ◆ＩⅢ◆｜ｍ◆ＩⅢ州ＩｌＩ．¨Ｉ…¨…１１Ｍ¨…Ｉ｛卜Ｈ¨ｈ……ｌ速。ｍ／ｓＷ。——下降管中气相的质量流量，ｋｇ／ｓＡ——摩擦因数，无因次；ｎ——下降管上端液面处混合流体的密度，ｋｇ／ｍ｜ｍ——下降管下端面进入氨水储罐处混合流体的密度，ｋｇ／ｍ｜参考文献：［１］壬志雅．自捧不凝气直接式蒸汽冷凝器下降管的设计［刀．化肥设计，２００６，４５（６）Ｉ２６～２８．［２］周肇义．化学工程手册（第１版）——第４篇．流体流动［Ｍ］．北京ｚ化学工业出版社，１９８９．［３］刘新伟．重力流譬道臂径设计［Ｊ］．化工设计，２００４。３３（２）：２０～２２．阳——下降管中混合流体的平均密度・ｋｇｌｍ＇所——稀氨水（或水）的密度，取ｐ＝１０００ｋｇ／ｒａ３阳——标准大气压下氨气的密度，ｋｇ／ｍ３～——下降管上端液面处氨气的密度，ｋｇ／ｍａ却——下降管下端面进入氨水储罐处氨气的密度，ｌ嘻／时［４］浙江大学主编．机械工程手册（第ｌ版）——第５篇．藏体力学ＥＭ］．北京：机械工业出舨社，１９８０．［５］（德）Ｌ．普朗特著．流体力学概论（第１版）［Ｍ］．郭永怀等译．北京：科学出版社，１９６６．［６３戴干策．化学工程手册（第２版）——第３篇．泷体藏动ＥＭ］．北京；化学工业出版社，１９９６．万方数据・２８・化工设计通讯第３８卷合成氨的成本中占到了２５２０元／ｔ。用焦炭作为合成氨原料的厂家从１９９０年开始就不断减少，现在国内用焦炭作为合成氨原料的厂家不超过５家，再过２年，估计会为零。（３）焦炉气用焦炉气作为合成氨的原料是较好的，但因为炼焦企业自身处理焦炉气中的成分要用蒸汽以及炼焦自身需要热量，每生产ｌｔ焦炭产生的３００～３５０ｍ３焦炉气焦化企业自身要用８０％以上，剩余的部分大多企业用火炬燃烧排放，只有在焦化企业集中的地方才能收集作为合成氨原料。国内以焦炉气为原料生产的合成氨只占合成氨总产量的２％。（４）天然气生产现场干净整洁。因受天然气供应的限制。国内只有为数不多的大型凯洛格流程合成氨装置以及四川的几套小装置在用。（５）煤我国的合成氨主要以煤为原料，产能在４２Ｍｔ／ａ以上（２０１０年全国合成氨总产量约５０Ｍｔ）。我国煤的储量丰富，分布面广，品种齐全。据中国第二次煤田预测资料，埋深在１０００ｍ以内的浅煤炭总资源量为２．６×１０”ｔ。中国煤炭资源的种类较多，在现有探明储量中，烟煤占７５％，无烟煤占１２％，褐煤占１３％。其中，原料煤占２７％。动力煤占７３％。动力煤主要分布在华北和西北，分别占全国的４６％和３８％，炼焦煤主要集中在华北，无烟煤主要集中在山西和贵州两省。中国煤炭质量，总的来看较好。已探明的储量中，灰分小于１０％的特低灰煤占２０％以上；硫分小于１％的低硫煤占６５％～７０％ｌ硫分１％～２％的占１５％～２０％。高硫煤主要集中在西南、中南地区。华东和华北地区上部煤层多低硫煤。下部多高硫煤。综上所述，以煤为原料生产合成氨是国内合成氨行业主要趋势。只有在少数情况下，才会用其他作为合成氨的原料。１．２煤气化的炉型以煤为原料生产合成氨是国内合成氨行业的必然，煤气化炉就成了以煤为原料生产合成氨的关键。（１）煤气化的炉型从温度、压力上来分，有高温（在煤的灰熔点以上２５０℃左右）高压（一般在４ＭＰａ左右）型、低温（在煤的灰熔点以下万方数据２００℃左右）低压（接近常压）型、低温高压型三种形式。高温高压型壳牌炉、航天炉、德士古炉、ＧＳＰ炉、二段炉、ＷＨＬ低温低压型灰熔聚炉、恩德炉、五步法固定床间歇制气炉低温高压型鲁奇炉、ＢＧＬ炉（２）煤气化的炉型从煤的状态上分为固定床、流化床和气流床三种。固定床五步法固定床问歇制气炉、鲁奇炉、ＢＧＬ炉流化床灰熔聚炉、恩德炉气流床壳牌炉、航天炉、德士古炉、ＧＳＰ炉、二段炉、ＷＨＬ（３）从氧气浓度上可分为空气间歇气化、富氧连续气化和纯氧连续气化三种。空气间隙气化五步法固定床间歇制气炉富氧连续气化灰熔聚炉、恩德炉、鲁奇炉、ＢＧＬ炉纯氧连续气化壳牌炉、航天炉、德士古炉、ＧＳＰ炉、二段炉、ＷＨＬ还有从喷嘴数量上可分为单喷嘴和多喷嘴，从进料形式上可分为干煤和水煤浆。但从目前看，无论如何就是上面的几种炉型。１．３煤气化炉的选择（１）气化后气体组成作为合成氨原料气，烟煤、无烟煤、褐煤气化后得到的气体成分不一致，但大致为表１～５几种情况。衰１壳牌妒、航天妒、ＧＳＰ炉、二段妒、ＷＩｌＬ气体成分裹３五步法固定床间歇制气炉气体成分第３期徐建平：以煤为原料新建合成氨装置的５－艺组合・２９・衰５德士古妒气体成分组分Ｈ２ＣＯＣＯｚＣＨ４Ｎｚ其他Ｖ／％３３４３２２０．１１．１０．８低温低压型气体中的有效气Ｈ：＋ＣＯ居中，Ｃ０。及ＣＨ；也比低温高压型好。低温高压型气体中的有效气Ｈｚ＋Ｃ０最低（不计ＣＨ。转化后），ＣＯ。及ＣＨ。量最高。高温高压型气体中的有效气Ｈｚ＋ＣＯ最高，００２及ＣＨ。最低，也就是说气体成分最好。（２）煤种对气化炉选择的影响一种气化炉型适应于一种或几种煤。壳牌炉、航天炉、ＧＳＰ炉、二段炉、ＷＨＬ几乎适应各种煤。灰熔聚炉、恩德炉、鲁奇炉、ＢＧＬ炉对褐煤较好。德士古炉只适应于成浆性好的煤种，要求成浆率达到６５％以上。五步法固定床间歇制气炉只适应于焦炭、无烟块煤或无烟粉煤成型的煤球、煤棒。（３）煤气化炉的选择根据建厂地的煤资源情况进行气化炉的选择。下面分别介绍各种炉型的大致优缺点。五步法固定床间歇制气炉国内合成氨生产中最成熟的煤气化方式。每年此方式气化生产的合成氨达４０Ｍｔ左右。优点是投资少见效快，工艺简单，无需空分。缺点是煤的利用率偏低，要用无烟煤或焦炭，现在国家政策是限制发展。单炉合成氨产能１５～２０ｋｔ／ａ（取决于炉径大小）。有效气体Ｈ：＋ＣＯ约为７０％。德士古炉优点是现场比较干净，缺点是所用的煤成浆率要在６５％以上，因此不宜用褐煤。定型炉单炉合成氨产能１００ｋｔ／ａ，每台投资约１亿元人民币。有效气体Ｈ：＋ＣＯ约为７６％。灰熔聚炉、恩德炉优点是投资省，约５０００万元人民币，比较适宜的煤种为褐煤。缺点是体积大，年产１００ｋｔ氨的炉子直径约为８ｍ，黑水较难处理。有效气休Ｈｚ＋ＣＯ约为７０％。鲁奇炉、ＢＧＬ炉优点是适宜褐煤。缺点是气体中的ＣＨ。高达１３％，必须再建甲烷部分氧化炉才能作为合成氨原料气；气体中焦油、酚类多，对后面净化系统要求高，黑水也较难处理；气体中Ｈ：＋ｃｏ约为６０％（不含甲烷转化后的影响）。万方数据壳牌炉国外技术，实现了单炉年产５００ｋｔ氨的大型化。优点是煤种适应广，煤利用率高。缺点是投资大；因为是单系列，合成氨系统的连续运行周期短。有效气体Ｈ：＋Ｃ０约为９０％。ＧＳＰ炉国内应用不多，到目前为止，建成投产的仅一台。航天炉国内技术，实现了单炉年产２００３００ｋｔ氨。优点是投资比国外技术省，不用从国外进口设备；煤种适应广，煤利用率高。缺点是超过年产３００ｋｔ氨时，可能要建二台炉。有效气体Ｈ２＋ＣＯ约为９０％。二段炉国内技术，实现了单炉年产２００３００ｋｔ氨。优点是投资比国外技术省，不用从国外进口设备；煤种适应广，煤利用率高。缺点是有在建的炉子，投产的不多。有效气体Ｈ。＋Ｃｏ约为９０％。ＷＨＬ还在概念阶段，五环公司在做工作。综上所述，哪一种炉型好是有条件的。在选择炉型时要根据煤种的供应，建厂场地大小，生产规模，投资额度和工厂综合能耗等条件综合考虑。能为工厂创造效益的炉型才是好的。变换现在基本上采用耐硫钴钼系深度变换，不再描述。低温甲醇、液氮洗是变换气在４ＭＰａ左右的压力和一５０℃左右的温度下，用甲醇脱除硫化氢、二氧化碳酸性气体后，再用液氮脱除一氧化碳，使气体中的一氧化碳和二氧化碳之和小于１５×ｌｏ～，达到氨合成需要的条件。甲醇和液氮经过再生后循环使用。甲醇再生释放出的气体中大部分为二氧化碳，还有硫化氢。如果是单纯生产液氨，此再生气可配氧气燃烧，硫化氢转化成二氧化硫再转化成三氧化硫，生产硫酸，尾气达标排放。如果企业是生产尿素，在气体进入变换系统前就要进行脱硫，从而使甲醇再生气中的硫含量减少，以利再生气作为尿素的原料使用。变换系统前脱除的硫用来生产单质硫出售。液氮再生气送火炬燃烧排放。低温甲醇、液氮洗流程被认为是合成氨流程２净化２．１低温甲醇、液氮洗流程・３０・化工设计通讯第３８卷在变换后到氨合成前气体净化的最佳流程。但在国内有其局限性。一是设备得进口，造成投资较大。二是生产中必须储备配件，否则出现问题等待国外进口影响太大。２．２了１５ＭＰａ。如要采用３０ＭＰａ压力等级，大多要采用多级往复式压缩机来完成，这样会增加工厂的电耗，是不经济的。“小氮”流程４合成氨新建装置各工序的工艺配置组合４．Ｉ高温高压煤气化以下四种组合（图１～４）是基于高温高压煤气为了节省投资，减少生产中受国外配件的影响，可用“小氮”流程代替低温甲醇、液氮洗流程。具体如下。脱碳在４ＭＰａ时，采用变压吸附脱碳，占地大，但操作简单容易。碳酸苯烯酯脱碳，电耗大且出系统的二氧化硫偏高。达０．５％左右，对后面的工序不利。ＮＨＤ脱碳，耗一定蒸汽。还有苯菲尔法等等。如果是单纯生产液氨，采用变压吸附脱碳，解吸气中的二氧化硫转化成三氧化硫生产硫酸后达标排放。如果企业是生产尿素，在气体进入变换系统前就要进行脱硫，变换后再对变换气脱硫。之后不论用何种脱碳方法，都可以得到较纯的二氧化碳供尿素生产用。精脱硫采用干法脱硫。过程为粗脱硫、加热、有机硫水解、降温、精脱硫等等。使气体中的总硫小于０．１×１０～。精制在１．５ＭＰａ下铜洗流程（属于限制型工艺），甲烷化或烃化流程（年产超过３００ｋｔ氨，目前还未有定型设备，因此在能力超过３００ｋｔ／ａ氨时，还是用低温甲醇、液氮洗流程或者把净化系统分成二个甚至几个系统为好）。净化系统省投资，适用才是合适的。３氨合成有１５ＭＰａ和３０ＭＰａ二种压力等级，因现在的大型合成氨装置采用离心式透平压缩机，排气压力多在１５ＭＰａ，因此合成压力大都采用万方数据化，可根据不同产品选用。全部以方框图表示。圈１最终产品是合成氨的。小氮净化”淹程圈２量终产品是合成氨的低温甲醇、液氟洗流程圈３最终产品是尿素的。小氯净化”漉程第３期徐建平：以煤为原料新建合成氨装置的工艺组合・３１・圈４最终产品是尿素的低沮甲尊、液氯洗流程４．２低温低压煤气化（图５～８）田５量终产品是台成氨的“小氯净化。藏程啊６■终产品是合成氯的低谴甲醇、液氨洗漉程万方数据・３２・化工设计通讯圈７量终产昌是尿素的。小氮净化”流程圈８量终产品是尿素的低温甲醇、液氯洗流程４．３低温高压煤气化（图９～１２）圈９■终产品是合成氯的。小氯净化”藏程万方数据第３８卷第３期徐建平：以煤为原料新建合成氨蓑置的工艺组合・３３・围１０最终产品是合成氨的低温甲醇、液氮洗流程圈１１最终产品是尿素的。小氮净化”流程田１２量终产品是尿素的低温甲醇、液氮洗瀛程５结论凳：荔釜荽票警裳篓篓羹？圣：曩塞？巍蹇塞葚方便等综合考虑。不能说哪种气化炉、净化流程、氨合成方案好，那样说是片面的，不科学的。具体哪种工艺万方数据以煤为原料新建合成氨装置的工艺组合
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
徐建平， XU Jian-ping
云南云天化国际化工红磷分公司,云南开远,661600化工设计通讯
Chemical Engineering Design Communications2012,38(3)
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