[发明专利]生产氨的方法

说明书

本发明涉及以改进的热集成来由烃类原料生产氨的方法，其中烃类原料首先通过蒸汽重整转化为合成气，合成气随后转化为氨。本发明还涉及一种新的蒸汽过热器，特别适合用于该方法，尤其是用于具有至少2000MTPD生产能力的大型氨设备。

传统用于生产氨的设备通常分为两个主要的部分，重整部分，其中烃类原料如天然气在30至80巴、通常为30至40巴范围的压力下转化为含有氢气和氮气混合物的合成气，以及氨合成部分，其中具有合适比例氢气和氮气的合成气(氨合成气)在被压缩至120-200巴后催化转化为随后通过冷却而浓缩的氨。

在重整部分中，当利用带有初级、自热或次级重整器的传统工艺布置时，在高温例如在约1000℃或更高的温度下生产含有氢气的合成气。在所述重整器中产生的合成气必须要冷却，而这通常是通过将气体穿过许多废热锅炉或蒸汽过热器来实现。这些装置是昂贵而高度复杂的换热器，需要仔细设计以使与金属尘化、氢蚀和应力腐蚀有关的机械和材料的相关故障的风险最小化。特别地，重整部分中的蒸汽过热器是昂贵的装置，其中即使精心构建这些单元金属尘化也难以避免。当在重整部分中采用过热器时，金属尘化的风险实际上是固有的。

在氨合成部分中，由包含在合成气中的氢气和氮气的混合物催化生产氨。氨的转化发生在热量产生的条件下，其利用废热锅炉和任选地蒸汽过热器产生高压蒸汽，其进一步用于驱动氨合成部分的压缩器。在氨合成部分中的废热锅炉和蒸汽过热器也是昂贵而高度复杂的换热器，其被专门设计以使与氢蚀、渗氮和应力腐蚀有关的机械和材料的相关故障的风险最小化。废热锅炉尤其要遭受渗氮和应力腐蚀，因为这些单元通常安置在氨转化器的下游。

金属尘化、应力腐蚀和渗氮是灾难性的或者至少是严重形式的腐蚀，其必须通过适当的设计和材料选取避免。金属尘化通常发生在气体中存在一氧化碳的情况下，气体与金属接触且当金属的温度相当低时，通常400℃至800℃，更具体地500℃至750℃，与气体的相互作用导致金属分解为细颗粒。

在当来自气体中的氮气与金属接触，扩散到金属材料中并生成氮化物时发生金属渗氮。由此形成坚硬的表面层，其易于断裂并且在最坏的情况下断裂贯穿整个金属。因此，遭受渗氮的材料更加瞬时地变得易碎。渗氮层的厚度取决于温度、时间以及金属合金。通常认为薄金属板约380℃以上以及厚金属板400℃以上的金属温度会显著增加低合金碳钢的金属渗氮倾向。更高的温度下，需要材料如不锈钢或因科镍合金(Inconel)。

应力腐蚀代表当奥氏体材料如不锈钢接触到水时的风险，尤其是当水中含有杂质如氯时。当采用低合金碳钢时应力腐蚀的风险会更小。

随着设备被设计为生产2000，3000，5000MTPD或更多的氨，氨设备的生产能力稳定的提高，设计越来越大型的蒸汽过热器已经成为一个艰巨的挑战。在这些大型的氨设备中蒸汽过热器的规格是一个问题，因为在标准设计下过热器管板的直径和厚度变得仅仅是过大以致于它的生产在技术或经济上是行不通的。

这种安装大型设备的趋势也引发了为驱动设备中的压缩器提供蒸汽的必要性。这要求更高的蒸汽压力进而需要更高的蒸汽温度。结果是，不得不采用能够应对更高的蒸汽温度的用于蒸汽过热器的昂贵材料如锈钢或因科镍合金。

美国专利No.4,213,954记载了一种生产氨的方法，包括重整部分和氨合成部分。两个部分共用一个普通的汽包(steam drum)用作设备中重整和氨合成部分中废热锅炉的蒸汽分离单元。蒸汽，产生于重整部分，由此用于氨合成部分，而来自次级重整器的工艺气体经由废热锅炉和过热器一体的体系冷却。蒸汽也被用于膨胀机以回收能量。

美国专利No.4,545,976记载了一种通过减少蒸汽输出的烃类蒸汽重整以生产氨合成气的方法，其中采用一系列的蒸汽过热器冷却来自次级重整器的工艺气体。

我们的EP-A-1,610,081公开了一种用于蒸汽重整阶段下游附近的换热器。该换热器包括含有低合金碳钢管束的第一较冷加热区以及含有由耐高温和腐蚀的合金如奥氏体镍/氯/铁合金制成的管束的第二较热加热区。蒸汽穿过换热器的管程，而重整气(合成气)经过壳程。较冷和较热的加热区对于蒸汽流和重整气流均以串联连接。

本发明的一个目的在于提供一种生产氨的方法，其具有改进的热集成并对废热锅炉和特别是设备的蒸汽过热器中的金属尘化、渗氮和应力腐蚀具有降低的趋势。

本发明的另一个目的在于提供一种生产氨的方法，其具有通过减少蒸汽输出的改进的热集成，且其与现有技术的方法相比更具成本效益。

本发明的还一个目的在于提供一种方法，其稳定并且对氨部分的设备跳闸较不敏感。