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1、基础培训专题 焦炉尾气生产合成氨的原理及过程二0一二年六月,绿色工厂 安全生产,概述,焦炭生产过程中副产大量的焦炉尾气，而焦炉煤气中含有丰富的氢气，H2体积分数约55%58%,目前焦炉煤气主要用作工业和民用燃料，宝贵的氢气资源未得到更好地利用，随着资源充分利用的循环经济需要，焦炉煤气尤其是其中H2的提取和利用成为焦炉煤气综合利用的发展方向。,焦炉尾气生产合成氨，就是以焦炉尾气为原料，采用现代分离的新工艺技术，实现焦炉尾气的净化和组分分离。获得高纯度氢气和富甲烷气。,富甲烷气返回焦化厂作为回炉气或燃气。高纯氢气用作合成氨的原料。高纯氮气由空分装置提供。,氮气以3:1的比例合成为液氨。化学反应方程
2、式：3H2+N2 2NH3,高温、高压,催化剂,合成氨生产工艺路线,工艺流程简图,气柜,预处理,提氢,鼓风机,空分制氮氮气,焦炉尾气,焦炉气压缩机,焦炉气压缩机,氨合成,充装站,氨球罐,氢气,氢氮气,液氨,液氨,富甲烷气,解吸气,气柜,气柜是储存焦炉尾气的容器，它起到稳压和缓冲作用。,气柜,焦炉尾气,送后工序,鼓风机,鼓风机：给气体加压并将气体输送到后工序（预处理工序）,鼓风机,气柜来焦炉尾气,焦炉尾气送到预处理工序,预处理（TSA变温吸附）,将焦炉尾气中的煤焦油、氨、硫、笨、奈等杂质去除。,工艺流程示意图,预处理塔四台,加热器,纯净焦炉尾气去焦炉尾气压缩机,蒸汽,冷凝水,富甲烷气,再生气去焦
3、化厂,鼓风机来,变温吸附介质特性,来自焦炉气柜压力约3KPa、温度30的焦炉气经焦炉气预处理压缩机加压至35KPa、80，进入固定管板间接水冷器冷却至40，进入TSA变温吸附粗脱装置，在粗脱塔内，分别除去焦油、硫化物、苯、奈等杂质。,经过变温吸附后的纯净的焦炉尾气送至焦炉尾气压缩机 焦炉尾气压缩机,变压吸附提氢(PSA),利用变压吸附装置，将焦炉尾气中的氢气提取出来，提氢后的气体（富甲烷气）送回焦化厂作为燃烧气。,提氢装置,变压吸附提氢工艺原理及过程简介,变压吸附是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。,此技术于1
4、962年实现工业规模的制氢；进入上世纪七十年代后，变压吸附技术获得了迅速的发展，装置数量剧增，规模不断增大，使用范围越来越广，工艺不断完善，成本不断下降，逐渐成为一种主要的、高效节能的气体分离技术。,变压吸附提氢的工艺原理,变压吸附从本质上来说属于物理吸附，其特点是：吸附过程中没有化学反应，吸附过程进行的很快，参与吸附的各种物质间动态平衡在瞬间即可完成；并且重要的一点是：这种吸附理论上说是完全可逆的。,由焦化过程产生的焦炉煤气，往往有很多种气体组成，成分复杂，选择合理的分离工艺，对正常的生产运行至关重要。之所以选择变压吸附提氢工艺，主要是因为吸附剂在整个物理吸附过程中所具有两个性质。,对焦炉煤
5、气中各个组分的吸附能力不同；吸附质在吸附剂上的吸附容量随吸附质的分压上升而增加，随吸附温度上升而下降。利用吸附剂的第一个性质，可实现对焦炉煤气中杂质组分的优先吸附。利用吸附剂的第二个性质，可实现吸附剂在低温、高压下吸附，而在高温、低压下解吸再生，从而构成吸附剂的吸附和再生循环，达到连续分离提纯氢气的目的。,组分 吸附能力 弱 氢气 氧气、氩气 氮气、一氧化碳 甲烷 二氧化碳、乙烷 乙烯、丙烷 异丁烷、丙烯、戊烷 丁烯 硫化氢、硫醇 戊烯 苯、甲苯 水 强,变压吸附提氢工艺流程简图,变压吸附提氢工艺流程简述,有预处理（变温吸附）来的纯净焦炉尾气经焦炉气压缩机加压至1.7MPa，冷却及除油水后进入
6、PSA-1（一级提氢）工序,在装置的吸附塔中，吸附剂选择吸附的条件下一次性除去甲烷等大部分杂质，获得纯度大于83%的粗氢气。83%的粗氢气送入PSA-2（二级提氢）工序，在装置的吸附塔中，吸附剂选择吸附的条件下一次性除去除氢气外的杂质，获得纯度大于99.99%的氢气。,从变压吸附工序出来的氢气含有微量的氧气，而氧气对合成氨催化剂有毒害作用，因此还要进一步净化。本装置的脱氧方式，是采用Ba催化剂，在催化剂的作用下，氧和氢生成水，然后氢气经脱水干燥后达到指标送往合成氨系统。经过提氢后的富甲烷气送回焦化厂作为燃烧气。,空分制氮,空分制氮、制氧装置,空分制氮工艺原理及过程简介,空分制氮工艺原理 N2在
7、自然界中分布很广，是空气的主要成分，主要以单质分子氮的形式存在于大气之中。在干燥空气中，N2的体积占空气的78.03%。因此，空气是制取氮气的最大原料库，它取之不尽，用之不竭。工业用氮气的制取总是以空气为原料，将其中的O2和N2分离而获得，其方法主要有：,低温精馏法(深冷法)变压吸附法：利用固体吸附剂（分子筛、活性炭、硅胶、铝胶）对气体混合物中某些特定的组分吸附能力的差异进行的一种分离方法。薄膜渗透法：利用有机聚合膜对气体混合物的渗透选择性。,低温精馏法已有近90年历史，工业上大规模生产氧、氮以此法最为经济，在空气分离方法中占有牢固统治地位。本公司空分制氮就是采用的低温精馏法(深冷法)，其工艺
8、原理是：用深冷法根据原料空气中各组分沸点不同，经加压、预冷、纯化，并利用大部分由透平膨胀机提供的冷量使之液化再进行精馏从而分别获得所需的氧、氮等各种产品。,空分制氮工艺流程简图,空分制氮工艺过程简述,空气压缩：原料工艺空气经吸入口吸入，通过自洁式空气过滤器过滤后进入离心式空气压缩机，压缩至0.7MPa(A)，经压缩机末级冷却到 40后进入预冷机组。空气预冷：空气经过空气预冷机组冷却后的温度为8左右，经水分离器分离去空气中的游离态的水分后进入空气纯化器。,空气纯化：空气纯化器在8下吸附掉原料空气中所残留的水分、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物。纯化器系统中的吸附器由两只立式容器组成，当一只运行时，另一
9、只则由来自冷箱中的污氮通过电加热器加热后进行再生。净化 后的原料空气进入分馏塔。,产品制取：从纯化系统来的压缩空气进入分馏塔内的主换热器，压缩空气在主换热器内由返流的产品氮气和污氮气冷却到液化温度，部分液化后进入精馏塔的底部，在精馏塔内进行精馏分离。在分馏塔中，上升气体与下流液体充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加纯化，到塔顶以后变成纯氮。一部分纯氮进入精馏塔顶部的冷凝蒸发器被冷凝，冷凝后一股进入冷凝器后做为产品液氮输出，另一股作为精馏塔的回流液，在气氮冷凝的同时，冷凝蒸发器中的富氧液空汽化成为污氮气去过冷器；,另部分纯氮气经主换热器换热后出冷箱进入氮气缓冲罐，再经氮气压缩机加压至
10、1.6MPa后作为产品送往氨合成工序。冷量制取：液空从精馏塔底部取出，经过冷凝器后节流进入冷凝蒸发器，蒸发后的污氮气经过冷凝器进入主换热器预热到一定的温度后抽出进入膨胀机组，膨胀制冷后进入主换热器将冷量传递给进塔的空气后出塔，作为纯化器再生气。,氢氮气压缩机,将混合后的氢氮气（3:1）加压到满足氨合成所需要的压力（15MPa）。,氨合成装置（1）,氨合成装置（2）,合成塔运输,氨合成工艺原理及过程简介,氨合成工艺原理 氨合成工序的任务是将合格的氢氮气合成为氨（HN3），其原理就是在高温、高压并有催化剂存在的条件下氢和氮进行氨合成反应。根据合成反应器所采用的压力、温度和催化剂型号不同，氨的合成方
11、法可以分为低压法、中压法和高压法三种，我公司采用的是低压法（15.0Mpa）。,氮气以3:1的比例合成为液氨。化学反应方程式：3H2+N2 2NH3,高温、高压,催化剂,由于受反应平衡的影响，氮、氢混合气体不可能全部转化为氨，一般仅能获得25左右的氨含量。通常采用冷冻的方法将已经合成的氨分离，然后在未反应的氢、氮混合气中连续补充一定量的新鲜气继续进行循环反应。,氨合成工艺流程简图,氨合成工艺过程简述,本氨合成系统工艺流程按功能分为预热、反应余热回收、冷却分离等四个连续循环的单元。预热单元 来自界外的合成原料气氢气(T=40,P=1.5MPa)和来自空分 的氮气(T=40,P=1.5MPa)进入
12、合成界区后经调节阀比例调节（以N2:H2=1:3为基准）后，在管道内混合，,分别进入三台联合压缩机的新鲜气压缩段（共三级）升压至13.8MPa，经压缩机中间冷却器冷至40后与系统来的循环气(T=28.5,P=13.8MPa)进入三台联合压缩机的循环气压缩段（一级）升压至15.0MPa。,联合压缩机四级出口气汇总进入油分离器，分离油水后的合成气分为两路进入 氨合成系统。入塔气总线循环压缩机油分离器出口至塔前热交换器冷气入 口，经加热至180进合成塔。一次冷气循环压缩机油分离器出口至合成塔塔壁，用以控制塔外壳壁温。,反应单元 一次冷气出口直接进入塔前热交换器壳程中段与入塔总线气体混合，加热至180
13、后分成四股气进入合成塔内反应：第一股作为合成主线由塔底二进气进入下部换热器的壳程换热后从中心管上升，从零米进入一段催化剂层反应；,一股用作调节床层零米温度冷付线由塔顶进入；一股用作冷却气由塔顶进入中心换热器调节第一径向层进口温度，换热后与中心管上升的主气混合后进入零米；一股用作冷激气调节第二径向层进口温度。反应后355的二出气出塔。,余热回收单元 合成塔 355的出塔气进入废热锅炉换热，副产1.8MPa的中压饱和蒸汽，温度降至230，然后进入锅炉水预热器换热，将25的锅炉给水加热至104,出塔气温度降至215,再进入塔前热交换器，与入塔的气体换热，温度降到80以下进入水冷器。,冷却分离单元 离
14、开塔前热交换器的合成气经水冷器冷却后温度降至37，经过冷交换器，温度降至26进入一级氨分离器分离液氨，分离后的气体进入一级氨冷器经冰机系统来的液氨（T=40,P=1.6MPa）通过专用调节阀减压至0.4MPa蒸发冷至10后进入二级氨冷器,经二级氨冷器来的低温液氨（T=3,P=0.4MPa）通过专用调节阀减压至0.15MPa蒸发冷至-6；,最后经二级氨分离器分氨后的气体经冷交换器回收冷量后，回联合压缩机入口加压进入下一轮循环。二级分离器来的液氨产品进入闪蒸槽，出来的闪蒸气送回联合压缩机一段进口，液氨产品(T=15,P=2.5MPa)送入氨球储存。,其它辅助单元 冷冻系统,冷冻系统的任务及原理：冷
15、冻系统就是将气氨经氨压缩机（冰机）压缩到一定的压力，使气在常温下经冷却后，冷凝为液氨，再将液氨输送给合成系统的氨冷凝器，在氨冷凝器中吸热气化为气氨，气氨回到冷冻系统，组成一个循环系统。,气氨的液化包括气氨的压缩和冷凝。气氨在常压下的冷凝温度为-33.35，因此在常压下，气氨不能用常温水使其冷凝为液氨。氨的冷凝温度随压力的提高而升高，当压力提高到1.6 MPa时，冷凝温度为40，高于一般的冷却水温度，可以用2535的常温水冷却，使之液化。,冷冻系统的工艺流程简图,从合成工段送来的液氨（压力：1.6MPa）进入氨球罐，本装置设置的液氨球罐的容积为3000m3，正常生产中液氨球罐的充装量小于储槽容积的85%，氨球罐出口来的液氨经充装泵升压后送往充装站。充装站设四个充装鹤管，可同时充装四台槽车。槽车气相返回氨球罐，槽车通过电子汽车衡计量称重。,液氨储存及充装,氨球罐,液氨储存及充装流程简图,图片展示 压缩机剖面图,电气控制台,主控制室,控制系统主画面,配电室,配电室,取样分析,努力学习和工作 创造美好未来,谢 谢！,
