膜分離富氧空氣強化二段轉(zhuǎn)化爐的布朗合成氨造氣工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種烴類蒸汽轉(zhuǎn)化制取合成氨原料氣的布朗造氣工藝，屬于化學肥料 工業(yè)領域。該工藝利用膜分離富氧空氣強化二段爐中的蒸汽重整過程，在保證甲烷轉(zhuǎn)化所 需熱量的同時，使低溫變換氣氫氮比更接近合成氨氫氮比（H2:N2= 3 : 1)，降低合成氣 精制能耗，并提高精制尾氣的甲烷濃度，實現(xiàn)循環(huán)利用，從而降低布朗合成氨造氣工藝的生 產(chǎn)成本。
【背景技術】
[0002] 氨是非常重要的無機化工產(chǎn)品，2013年我國合成氨產(chǎn)量達到5745萬噸，超過全球 產(chǎn)量的1/4,其中80%用于生產(chǎn)肥料，20%作為化工原料，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。同 時，合成氨也是一個大噸位、高能耗、低效益的產(chǎn)業(yè)。降低生產(chǎn)過程的能耗和物耗，是整個合 成氨工業(yè)一直追逐的目標，是提高企業(yè)經(jīng)濟效益的重要途徑，對國民經(jīng)濟狀況、社會發(fā)展水 平和我國能源資源現(xiàn)狀都有非常重要的影響。
[0003] 目前，大型合成氨裝置主要采用美國凱洛格（Kellogg)、丹麥托普索(T〇pS0e)、英 國帝國化學（ICI)、美國布朗（Braun)和德國伍德（Uhde-AMV)等工藝。其中，布朗工藝具有 以下幾方面的特點：1)在二段爐加入空氣，提高蒸汽重整效率，降低一段爐的負荷與設備 投資，減少天然氣用量；2)通過深冷分離過程深度脫除氬氣、甲烷及多余的氮氣，制取高純 度的合成氨原料氣，減少馳放氣，提高合成效率；3)將造氣工段與氨合成工段完全分開，在 提高造氣工段靈活性的同時，保障氨合成階段穩(wěn)定運行。由于以上優(yōu)點，布朗合成氨工藝在 國內(nèi)外已經(jīng)得到廣泛的應用。
[0004] 在布朗合成氨工藝的造氣工段，輸入二段爐的空氣主要有兩方面的用途：1)與一 段爐來的原料氣發(fā)生燃燒反應，迅速將二段爐溫度提高至800°c左右，為二段爐內(nèi)甲烷的轉(zhuǎn) 化提供熱量；2)為合成氣的生產(chǎn)提供氮氣，滿足合成氨過程的需要。根據(jù)上述用途，二段爐 的空氣加入量必須同時滿足熱量平衡和物料平衡的需要。如果加入的空氣量不夠，二段爐 無法達到甲烷充分轉(zhuǎn)化所需要的溫度，大量甲烷得不到利用；如果加入的空氣量過多，造氣 工段的低溫變換氣的氫氮比遠低于合成氨需要的氫氮比（H2:N2= 3 : 1)，勢必增加深冷 分離裝置的負荷和運行成本，此外，精制尾氣中甲烷濃度偏低，只能作為燃料氣，難以有效 利用。
[0005] 根據(jù)國內(nèi)布朗合成氨生產(chǎn)裝置的數(shù)據(jù)，為了滿足二段轉(zhuǎn)化爐的溫度和熱量要求， 二段轉(zhuǎn)化爐中輸入的空氣量是理想化學計量（滿足理想氫氮比3 : 1的氮氣需求）的1.5 倍。在這種工況下，低溫變換氣的氫氮比約為2 : 1，遠低于合成氨工段需要的氫氮比，后 續(xù)的深冷分離過程還需要從中脫除近35%的氮氣。與此相對應，深冷分離過程輸出的精制 尾氣中大部分是氮氣，甲烷的含量只有16.0%左右（體積分數(shù)，下同），即使作為燃料氣，其 熱值也很難滿足實際生產(chǎn)的需要，需要與高品質(zhì)燃料氣混合使用。另外，經(jīng)過深度脫硫的甲 烷，由于工藝流程的局限被用作燃料氣，本身也是對分離過程的一種浪費。
[0006] 總的看來，打破二段轉(zhuǎn)化爐中空氣輸入量與二段爐溫度、低溫變換氣氫氮比之 間固定的關聯(lián)，成為降低布朗造氣工藝中深冷分離裝置的能耗、綜合利用深冷精制尾氣 的關鍵。造成上述關聯(lián)的主要原因是空氣中固定的氧氮比例，也就是固定的氧氣濃度 (20. 95 % )。顯然，通過氣體膜分離設備，改變輸入二段轉(zhuǎn)化爐中空氣的組成，就能夠?qū)崿F(xiàn)二 段轉(zhuǎn)化爐中熱量平衡與物料平衡之間的匹配，顯著降低布朗造氣工藝的生產(chǎn)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種膜分離富氧空氣強化二段轉(zhuǎn)化爐的布朗合成氨造氣 工藝。這種改進的造氣工藝，通過調(diào)整氧氣濃度，實現(xiàn)二段轉(zhuǎn)化爐中熱量平衡與物料平衡之 間的匹配，使低溫變換氣的氫氮比更接近合成氨原料氣的氫氮比，顯著降低造氣工藝中深 冷分離裝置的負荷和分離能耗，大幅提高深冷精制尾氣的甲烷含量，實現(xiàn)循環(huán)利用。此外， 這種改進工藝還能從源頭減少氮氣，提高二段轉(zhuǎn)化爐、高溫變換爐和低溫變換爐的加工能 力，降低甲烷轉(zhuǎn)化和一氧化碳變換的熱量消耗?？偟膩碚f，利用富氧空氣強化二段轉(zhuǎn)化爐的 布朗合成氨造氣工藝，能夠顯著降低合成氨生產(chǎn)裝置的能耗。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術方案如下：
[0009] -種膜分離富氧空氣強化二段轉(zhuǎn)化爐的布朗合成氨造氣工藝，
[0010]從空氣壓縮機（1)引出一股壓縮空氣（S-I)，壓縮空氣（S-I)在精密過濾器（2)中 脫除液霧和固體顆粒，通過預熱器（3)加熱至40~80°C，再進入膜分離系統(tǒng)（4);由于氧氣 在空氣分離膜中的滲透速率大于氮氣，在膜分離系統(tǒng)（4)的滲透側(cè)得到富氧空氣（S-2)。
[0011] 富氧空氣（S-2)依次經(jīng)過壓縮機（5)增壓和加熱器（6)升溫后進入二段轉(zhuǎn)化爐 (7) ，與一段轉(zhuǎn)化氣（S-3)發(fā)生反應；從空氣壓縮機（1)引出另一股壓縮空氣（S-4)直接進 入加熱器（6)升溫后進入二段轉(zhuǎn)化爐（7)，與一段轉(zhuǎn)化氣（S-3)發(fā)生反應，生成二段轉(zhuǎn)化氣 (S-5);富氧空氣（S-2)和壓縮空氣（S-4)的氧氣總量滿足二段轉(zhuǎn)化爐的升溫和反應要求。
[0012]二段轉(zhuǎn)化氣（S-5)進入一氧化碳變換系統(tǒng)（8)，依次經(jīng)過高溫變換和低溫變換后 獲得低溫變換氣（S-6);低溫變換氣（S-6)在吸收塔（9)中脫除大部分二氧化碳，隨后進 入甲烷化爐（10)中，將剩余的二氧化碳和一氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷和水，獲得甲烷化合成氣 (S-7)〇
[0013] 甲烷化合成氣（S-7)在脫水裝置（11)中深度脫水后進入深冷分離裝置（12)，分 離獲得高純度HjPN2，其中H2:N2^ 3 : 1，總含量大于99. 5%的合成氨原料氣（S-8)。 多余的氮氣和殘余的甲烷進入深冷精制尾氣（S-9)，與脫水裝置（11)產(chǎn)生的脫水系統(tǒng)尾氣 (S-10)合并，一起進入循環(huán)壓縮機（13)，升壓后返回二段轉(zhuǎn)化爐（7)，實現(xiàn)甲烷的循環(huán)合理 利用。
[0014] 本發(fā)明所述的空氣壓縮機（1)、加熱器（6)、二段轉(zhuǎn)化爐（7)、一氧化碳變換系統(tǒng) (8) 、吸收塔（9)、甲烷化爐（10)、脫水裝置（11)和深冷分離裝置（12)均為布朗合成氨造氣 工藝中已有的設備。
[0015] 本發(fā)明中所述的空氣分離膜，可以是玻璃態(tài)高分子或橡膠態(tài)高分子為選擇分離層 的膜組件，其組裝方式可以是中空纖維式、螺旋卷式或者板框式膜組件。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果：
[0017] 1)相比于現(xiàn)有布朗合成氨造氣工藝，本發(fā)明通過膜分離富氧空氣打破二段轉(zhuǎn)化爐 中熱量平衡與物料平衡的相互制約，實現(xiàn)二者之間的協(xié)調(diào)匹配，在滿足二段轉(zhuǎn)化爐的升溫 和反應要求的同時，使低溫變換氣的氫氮比更接近合成氨工段的要求，顯著降低造氣工藝 中深冷分離裝置的負荷和分離能耗，有利于降低合成氨生產(chǎn)成本；
[0018] 2)從源頭減少氮氣富余，提高二段轉(zhuǎn)化爐、高溫變換爐和低溫變換爐的加工能力， 降低甲烷轉(zhuǎn)化和一氧化碳變換的熱量消耗，提高合成氨的產(chǎn)能；
[0019] 3)減少深冷分離裝置的氮氣脫除量，提高精制尾氣的甲烷含量，將精制尾氣引入 二段轉(zhuǎn)化爐作為原料，實現(xiàn)循環(huán)利用，減少天然氣消耗，同時降低脫硫系統(tǒng)的負荷。
【附圖說明】
[0020] 圖1是膜分離富氧強化二段轉(zhuǎn)化爐的布朗合成氨造氣工藝原則流程圖。
[0021] 圖2是傳統(tǒng)的布朗合成氨造氣工藝原則流程圖。
[0022] 圖中：⑴空氣壓縮機；（2)精密過濾器；（3)預熱器；（4)膜分離系統(tǒng)；（5)壓縮 機；(6)加熱器；（7)二段轉(zhuǎn)化爐；(8) -氧化碳變換系統(tǒng)；(9)吸收塔；（10)甲烷化爐；（11) 脫水裝置；（12)深冷分離裝置；（13)循環(huán)壓縮機；（S-I)壓縮空氣；（S-2)富氧空氣；（S-3) 一段轉(zhuǎn)化氣；（S-4)壓縮空氣；（S-5)二段轉(zhuǎn)化氣；（S-6)低溫變換氣；（S-7)甲烷化合成氣； (S-8)合成氨原料氣；（S-9)深冷精制尾氣；(S-10)脫水系統(tǒng)尾氣。
【具體實施方式】
[0023] 以下結合技術方案和附圖詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0024] 實施例1
[0025] 采用傳統(tǒng)的布朗合成氨造氣工藝。
[0026] 空氣壓縮機（1)將空氣壓縮至3. 40MPaG;壓縮空氣（S-4)在加熱器（6)中升溫至 510°C進入二段轉(zhuǎn)化爐（7)，與一段轉(zhuǎn)化氣（S-3)反應。壓縮空氣（S-4)的流量為2490kmol/ h，組成如表1所示。進入二段轉(zhuǎn)化爐（7)的一段轉(zhuǎn)化氣（S-3)流量為6130kmol/h，組成見 表2中的詳細數(shù)據(jù)。按照上述化學計量比，二段轉(zhuǎn)化爐（7)的操作溫度可以控制在800°C左 右。
[0027]表1壓縮空氣的組成（％)
【主權項】
1. 一種膜分離富氧空氣強化二段轉(zhuǎn)化爐的布朗合成氨造氣工藝，其特征在于， 從空氣壓縮機（1)引出一股壓縮空氣（S-I)，壓縮空氣（S-I)在精密過濾器（2)中脫除 液霧和固體顆粒，通過預熱器（3)加熱至40~80°C，再進入膜分離系統(tǒng)（4);由于氧氣在空 氣分離膜中的滲透速率大于氮氣，在膜分離系統(tǒng)（4)的滲透側(cè)得到富氧空氣（S-2); 富氧空氣（S-2)依次經(jīng)過壓縮機（5)增壓和加熱器（6)升溫后進入二段轉(zhuǎn)化爐（7)，與 一段轉(zhuǎn)化氣（S-3)發(fā)生反應；從空氣壓縮機（1)引出另一股壓縮空氣（S-4)直接進入加熱 器（6)升溫后進入二段轉(zhuǎn)化爐（7)，與一段轉(zhuǎn)化氣（S-3)發(fā)生反應，生成二段轉(zhuǎn)化氣（S-5); 富氧空氣（S-2)和壓縮空氣（S-4)的氧氣總量滿足二段轉(zhuǎn)化爐的升溫和反應要求； 二段轉(zhuǎn)化氣（S-5)進入一氧化碳變換系統(tǒng)（8)，依次經(jīng)過高溫變換和低溫變換后獲得 低溫變換氣（S-6);低溫變換氣（S-6)在吸收塔（9)中脫除大部分二氧化碳，隨后進入甲烷 化爐（10)中，將剩余的二氧化碳和一氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷和水，獲得甲烷化合成氣（S-7); 甲烷化合成氣（S-7)在脫水裝置（11)中深度脫水后進入深冷分離裝置（12)，分離獲得 高純度HjPN2，其中H2: N2^ 3 : 1，總含量大于99. 5%的合成氨原料氣（S-8)。多余的 氮氣和殘余的甲烷進入深冷精制尾氣（S-9)，與脫水裝置（11)產(chǎn)生的脫水系統(tǒng)尾氣（S-10) 合并，一起進入循環(huán)壓縮機（13)，升壓后返回二段轉(zhuǎn)化爐（7)，實現(xiàn)甲烷的循環(huán)合理利用。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種膜分離富氧空氣強化二段轉(zhuǎn)化爐的布朗合成氨造氣工藝，屬于化學肥料工業(yè)領域。通過膜分離調(diào)整氧氣濃度，打破二段爐中空氣輸入量與爐溫、低溫變換氣氫氮比之間固定的關聯(lián)，實現(xiàn)熱量平衡與物料平衡之間的匹配。富氧強化工藝具有以下優(yōu)點：低溫變換氣的氫氮比更接近合成氨原料氣的氫氮比，顯著降低深冷分離裝置的負荷和分離能耗；從源頭減少氮氣富余，提高二段轉(zhuǎn)化爐、高/低溫變換爐的加工能力，提高合成氨的產(chǎn)能；減少深冷分離裝置的氮氣脫除量，大幅提高深冷精制尾氣的甲烷含量，作為造氣原料實現(xiàn)循環(huán)利用，減少天然氣消耗，降低脫硫負荷?？偟膩碚f，利用富氧空氣強化二段轉(zhuǎn)化爐的布朗合成氨造氣工藝，能夠顯著降低合成氨生產(chǎn)能耗。
【IPC分類】C01B3-36
【公開號】CN104876185
【申請?zhí)枴緾N201510250412
【發(fā)明人】阮雪華, 朱婷婷, 賀高紅, 焉曉明, 李保軍, 鄭文姬, 張寧
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月15日