田玉虎

(甘肃金昌化学工业集团有限公司,甘肃 金昌 737000)

兰炭煤气生产合成氨工艺探究

田玉虎

(甘肃金昌化学工业集团有限公司,甘肃 金昌 737000)

由于我公司的合成氨生产成本偏高,致使联碱等下游产品生产成本偏高,结合河西堡化工循环经济产业园兰炭煤气未进行合理利用这一状况,探究了以兰炭煤气为原料生产合成氨的工艺技术,得出了该煤气能够生产合成氨而且能够给公司和园区带来良好的经济效益与环境效益。

兰炭煤气;合成氨;工艺

1 研究背景

甘肃金昌化学工业集团有限公司始建于1964年,经过不断发展已经成为全国大型工业企业之一,先后填补了甘肃省合成氨、纯碱、磷二铵等9项产品空白。公司构建了以化肥为基础、纯碱为主导、相关经营为辅的多元化企业集团发展架构。作为公司龙头的合成氨,公司一直使用无烟煤为原料。而近几年,随着无烟煤价格逐年上涨,公司已面临原料价格增长、生产成本增加的严重问题,企业生存空间越来越小。如何获得价格低廉的生产原料已经成为公司合成氨及合成氨下游产品生存和发展的首要问题。

而同样位于河西堡镇的河西堡化工循环产业园,也面临着环保问题。当园区规划的300万t/a捣固焦和120万t/a兰炭两个项目建成后,将有6.6亿m3/a的焦炉煤气和12亿m3/a的兰炭煤气两种废气产生。焦炉煤气可以作为燃料或合成氨原料气;而对于兰炭煤气,由于有效成分及热值较低,只能通过“点天灯”的方式处理,不仅造成了资源的浪费,而且也给周围环境造成了严重的污染,制约着园区的进一步发展。

为了解决合成氨原料的问题,同时解决园区废气排放,经过专家多方的考察论证,并经项目的可行性分析,得出了焦炉煤气可以作为合成氨原料这一结论。依据这一结论以及对生产工艺等的深入探索研究,公司以园区捣鼓焦一期项目产生的焦炉煤气为原料,建设20万t/a合成氨项目,在一定程度上缓解了原料以及环境问题。

而对于成分与焦炉煤气相似,且产生量更大的兰炭煤气,是否也能像焦炉煤气一样用于合成氨生产,增加合成氨原料来源,并减小兰炭煤气对环境的污染,则是本文研究的主要内容。

2 焦炉煤气生产合成氨工艺简介

为了能够完成兰炭煤气生产合成氨的工艺研究,我们简要介绍我公司的焦炉煤气生产合成氨工艺,希望能够参考此成熟工艺完成本文研究工作。

2.1 氨的合成反应

氨的合成反应式为:

通过上述反应式可以看出,控制好原料中N2和 H2的比例是制合成氨的关键[1]。

2.2 焦炉煤气成分分析

我公司利用的焦炉煤气成分如表1:

表1 焦炉煤气成分表

根据上表可知,焦炉煤气中有效成分(H2+ CO)为64%,而N2仅为4%。对比制合成氨反应式,原料气中氢多氮少,而且CH4含量高达26%,不可能将其直接用于合成氨生产工艺。该气体成分与天然气制合成氨一段转化后的气体成分比较相近,因此可以采用一定的工艺技术将其用于合成氨生产。

2.3 焦炉煤气生产合成氨工艺

根据焦炉煤气的成分特点,山西省化工设计院采用蒸汽富氧转化设计了焦炉煤气制合成氨工艺技术,并于2007年在山西侯马丰喜集团华瑞公司成功建成了一套18万t/a年合成氨的示范装置。

我公司利用此工艺技术,以捣固焦一期项目的焦炉煤气为原料,设计完成了20万t/a年合成氨的生产项目,目前该项目正处于建设过程中。该工艺技术以富氧转化、甲烷化精制以及高压氨合成等3项技术为核心,将焦炉煤气经管道送至生产装置后,经除焦鼓风、压缩、干法脱硫、富氧转化、中串低变换、改良热钾碱脱碳、甲烷化、合成气压缩以及氨合成等工序即完成了合成氨的生产。

3 兰炭煤气生产合成氨工艺探究

3.1 兰炭煤气成分分析

本文研究的兰炭煤气的成分如表2:

表2 兰炭煤气成分表

通过成分表可知,兰炭煤气中的有效成分(H2+CO)仅为44.8%,而N2为38.1%,对比合成氨反应原理,该气体中明显是氮多氢少。

3.2 兰炭煤气生产合成氨可行性分析

如果将兰炭煤气直接用于合成氨生产工艺,将会导致系统中氢氮比失调;而且其中惰性成分——CH4含量又很高,此含量却又达不到通过甲烷转化方式将其用于合成氨生产的含量,因此这种方案不可行。

如果先将兰炭煤气中的有效成分分离出来,用于制合成氨工艺,则又会造成生产系统的合成氨生产能力偏小;即使能够进行工业生产,带来的效益也会较差,因此这种方案也是不可行的。

综上所述,如果想要将兰炭煤气作为合成氨的原料气,只有通过向其中添加某些原料这一种方案才能达到生产要求。

按照这种思路并结合焦炉煤气生产合成氨的成功经验,本文提出了一种以兰炭煤气为主要原料生产合成氨的工艺。

3.3 兰炭煤气生产合成氨工艺技术方案

通过本文上述内容的介绍可知,兰炭煤气中氮多氢少,而焦炉煤气中氢多氮少;同时借鉴韩城市黑猫能源利用有限公司以焦炉煤气、甲醇驰放气为原料生产液氨的成功经验,我们总结出了自己的兰炭煤气生产合成氨的工艺技术路线[2]。

本工艺要依托在建的焦炉煤气生产合成氨装置中的转化装置,其具体思路为:将兰炭煤气中的甲烷及部分氮气通过变压吸附装置分离出来,送至在建的焦炉煤气生产合成氨装置中进行蒸汽富氧转化;形成的转化气中由于氢的含量大大提高,将该转化气送回兰炭煤气生产合成氨装置作为原料气的一部分,加入到兰炭煤气中,从而使兰炭煤气生产合成氨装置中氢氮比达到合理的水平;去除了兰炭煤气中多余的甲烷后,能够保证合成氨生产的顺利进行;而送至转化装置中的部分氮气则作为焦炉煤气生产合成氨装置的部分氮源。

这种工艺一方面可以将兰炭煤气中的CH4、C2H4和C2H6等通过蒸汽富氧转化全部转化为氨合成的有效气体,1摩尔的CH4经过转化可产生4摩尔的H2,即可以增加28.8%的 H2量,6亿m3/a的兰炭煤气即可满足新建一期20万t/a合成氨项目;另一方面,经过变压吸附送至在建的焦炉煤气生产合成氨装置的氮气,又解决了焦炉煤气氮气偏少的问题,可谓一举两得。

3.4 兰炭煤气生产合成氨工艺流程

利用兰炭煤气为原料,我们研究出自己的合成氨生产工艺路线,该工艺以变温吸附脱苯萘、变压吸附脱碳、变压吸附脱氮及甲烷、高压氨合成等技术为核心,具体工艺流程如图1。

图1 兰炭煤气生产合成氨工艺流程图

3.5 兰炭煤气生产合成氨经济效益分析

按照我们提出的生产工艺,以化工园区产生的兰炭煤气为原料,能够满足新增20万t/a合成氨的产能要求。通过该工艺的成本进行分析计算得出,合成氨生产成本约为1288.0元/t,还不到白煤制合成氨生产成本的一半。如果液氨价格按2500元/t计,那么每年产生的利润可望达到1亿元人民币,其经济效益非常可观。

4 结 论

本文探究了以兰炭煤气生产合成氨的工艺技术,得出了兰炭煤气可以作为原料气用于合成氨的生产这一结论,并提出了相应的工艺路线。如果按照该工艺进行工业生产,不仅能够解决我公司合成氨生产成本偏高、经济效益差的问题,提高公司合成氨及下游联碱产品的市场竞争能力,而且还能够减轻甚至消除河西堡化工园区兰炭生产装置产生的废气对环境的污染,实现兰炭生产企业与以合成氨为龙头的化工企业双赢的局面,推动化工园区的循环经济建设。

[1] 王敏.合成氨生产中的废气与节能效益[J].甘肃化工,2000(3):131～133

[2] 顾维,谢全安.焦炉气制甲醇驰放气合成氨工艺研究[J].河北化工,2011,34(3):15～17.

TQ113.24

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1005-8370(2011)04-17-03

2011-05-05