[发明专利]以天然气为原料的制氨装置的改进方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以天然气为原料的制氨装置的改进方法。本发明尤其描述一种当天然气的可用性受到限时提高制氨装置的生产力的方法。

背景技术

以天然气为原料的氨合成装置包括高压合成工段(也被叫做合成回路)和所谓的前端工段，所述前端工段实质上具有将天然气转化成适合于供应所述合成回路的气体的任务，所述气体即为包含所需化学计量比的氢气和氮气且不含杂质。

所述前端工段基本上包括天然气转化工段和处理工段，包含：一氧化碳至二氧化碳的转化(转移)、移除二氧化碳、甲烷化作用。所述转化工段通常包括供给有天然气和蒸汽的一段转化炉和二段转化炉，所述二段转化炉接收来自一段转化炉的部分地转化的气体和助燃的气流，如空气或氧气。

在一段转化炉中，甲烷与蒸汽发生催化反应生成一氧化碳(CO)和氢气(H2)。所述反应是吸热的并且由适当的热源支持。通常，一段转化炉包括辐射工段，在所述辐射工段中安装有内部填充合适的催化剂的管束。所述辐射工段包括一系列的供应有一部分可利用的天然气的燃烧器。燃烧加热所述管子并且提供转化所需的热量。在所述辐射工段下游，所述一段转化炉包括被称为对流工段的工段，所述对流工段实质上专门用于从烟气中回收热量。

离开一段转化炉的工艺气体通常具有约800℃的温度。来自一段转化炉的气体在二段转化炉中发生不完全燃烧，随后发生进一步的催化转化。

因此，天然气的供应实质上分为两种部分(quote)：第一种工艺部分和第二种燃料部分。所述工艺部分是被用作转化过程的反应物，也就是说，被供应至一段转化炉的管子然后被供应至二段转化炉；所述燃料部分通常包括直接产生转化热量，供应一段转化炉的辐射工段的燃烧器的一部分，以及被燃烧以生成机械功率的一部分，所述机械功率对于装置的运转是必需的。

尤其，所述机械功率主要对于驱动供应二段转化炉的空气压缩机和驱动供应高压合成回路的气体压缩机是很有必要的。例如，所述压缩机通常由蒸汽涡轮机驱动；蒸汽部分来源于以天然气的部分作为燃料的锅炉，部分通过热还原过程，特别地来自于转化炉的对流部分中的烟气的冷却。

用于生产氨气的工艺气体的量通过反应的化学计量比固定。燃料部分是不可忽略的，根据所述装置的效能，燃料部分占据天然气总的消耗量的约20-30％。

因此，确定制氨装置的单位消耗量是可能的，以生产的每吨氨，甲烷的低热值(LHV)的Gcal计算。所述消耗量包括在转化工段中实际转化的天然气的部分，和用来维持装置运行的作为燃料燃烧的部分。所述装置的最大生产力也能够被确定，而且通常以每天可以生产的氨的公吨数(每天公吨数，MTD)作为单位被表述。

在现有的此处所考虑的类型的制氨装置中，天然气的可用性直到现在是极其充足的。例如许多大型制氨装置被安置于表现为可利用大量天然气的地理区域。因此，主要致力于获得尽可能最高的生产力，所述生产力是由除了天燃气的可利用量之外的如装置各个工段的生产力的因素限制。

然而，近年来，可用于这些制氨装置的天然气的量的限制逐渐显现。在某些情况下，由于气田的产量的减少，限制源自客观的气体短缺；在其他情况下，所述限制源自商业的和/或经济的原因，像对可用于装置的合同份额的到期和/或涉及天然气的价格和需求的不同的方案。在这种情况下，面对天然气的有限的供应，必须解决如何保持或提高氨气的生产的问题。特别地，在不再有增加天然气的总的消耗量的可能性的情况下，开始需要提高所述装置的生产力，即产量。

已经有各种已知的改进现有制氨装置的方法，但是，它们主要以提高最大生产力的目的被设计。基本上，这些方法提出改进机器设备(涡轮机和压缩机)以提高效能；增加与现有的氨反应器并行的反应器(升压反应器)；增加热交换器的数量以提高热力学效率。但是，可以被看出，它们在相对较小的程度上，通常以3-4％，提高了单位消耗量。因此，在天然气的供应受到限制并且不能再增加的情况下，这些方法是不尽人意的。

这是由于大多数燃料气体用来加热一段转化炉和用来产生压缩机用机械功率的事实，并且这两种消耗的来源大体上与产量成正比。因此，产量的增加在相应的程度上需要气体的燃料部分的增加。因此，当气体充裕时，这些已知的工艺是有效的，但是，它们不适合用于解决上述的、面对天然气短缺的问题。

为了试图解决所述问题，已提出用电动机作为所述装置驱动器机器运行的蒸汽涡轮机。这种解决办法只适用于某些情况，即电能以足够的量可供使用并且电能利用不是天然气的来源生产。还应当指出的是，这不能导致令人满意的结果。