1、焦炉气合成氨尿素生产知识简介,吴云龙2010年10月,讲课内容目录,第一节 焦炉气为原料制合成氨第二节 尿素生产知识第三节 化肥装置的特点和管理,第一节 焦炉气为原料制合成氨,一、本装置原料焦炉气 1、焦炉气的组分的主要成分,2、焦炉气杂质含量,3、焦炉气进入合成氨装置界区的流量 25400 N/h,二、合成氨生产方块流程图,电捕焦油器,湿法脱硫,焦炉气压缩机,干法脱硫,转化,中温变换,低温变换,MDEA法脱碳,甲烷化,中压蒸汽,低压蒸汽,合成,合成气压缩机,冷冻,冰机,热回收系统,焦炉气,NH3产品,CO2副产品,氧气,氮气,说明：1、全流程分为造气、净化、合成三个部分2、生产余热利用，构成
2、全装置热回收系统,三、合成氨工艺流程简介,1、脱硫（1）概 述原料焦炉气中硫以多种形态从在，主要有两种：无机硫：硫化氢（H2S）有机硫：氧硫化碳（CO2）、二硫化碳（CS2）、硫醇（RSH）、噻吩（C4H4S）、硫醚（R-S-R）等、,（2）脱硫的目的 硫化物不仅腐蚀设备、管道，而且致使合成氨生产过程中所用的催化剂中毒，从而使氨产量下降，因此在焦炉气进转化工序去前必须脱除干净。,（3）本装置脱硫方法 本装置由于原料焦炉气中硫含量较高（H2S：1000mg/Nm3、有机硫500mg/Nm3），脱硫精度要求达到：总硫0.1ppm，针对这样的情况，设计的本装置脱硫方法为先采用ADAPDS法的湿法脱硫
3、，再采用干法脱硫。, 本装置湿法脱硫a.湿法脱硫装置是由ADAPDS湿法脱硫加氧化铁干法脱硫组成。b. 湿法脱硫的工艺流程,焦炉气流程 焦炉气 电捕焦油器 气柜 焦炉气压缩机一级缸 氧化铁脱硫槽 焦炉气压缩机二级缸 三级缸 四级缸 干法脱硫装置,脱硫溶液流程 脱硫塔底出口溶液 富液槽 富液泵 喷射氧化再生槽 空气 贫液 贫液槽 贫液泵脱硫塔（塔顶） 硫泡沫 硫泡沫槽 硫泡沫泵 熔硫釜 硫磺, 精脱硫a.目的脱除焦炉气中粗脱硫后少量的H2S(小于1mg/Nm3)和有机硫。,b. 流程方块示意图,铁钼预加氢反应器（2台）,铁钼加氢反应器（1台）,中温氧化锌脱硫槽（2台）,钴钼加氢反应器（1台）,氧
4、化锌脱硫槽（2台）,焦炉气送往转化工序 （总硫0.1ppm）,焦炉气（来自湿法脱硫后经焦炉气压缩机四级压缩，压 力3.75MPa，温度280）,2、转化（1）目的通过转化工序使焦炉气中轻质烃类（CH4、CmHn）与水蒸汽反应，得到制氨所需的氢气。（2）主要反应式 燃烧反应 转化反应,（3） 转化工艺流程,工艺冷凝液脱硫后焦炉气 饱和塔 加热炉辐射段转化炉 转化废锅 变换 纯氧（3.8Mpa，120） 中压蒸汽（ 4.2Mpa，31.7t/h）,3.14MPa，1006,3.1MPa，350,（4）转化工艺指标 转化炉出口气CH40.4%（5）转化催化剂甲烷的蒸汽转化反应即使在1000以上进行，
5、其反应速度也很缓慢，因此必须用催化剂来提高转化反应速度。转化催化剂有两个牌号： 上层 Z205（耐热催化剂） ; 下层 CN-20 这是因为转化炉温度很高，上部燃烧区12001250，下部催化剂层9001100，因此催化剂床层上部装填一层耐热性催化剂（即热保护剂），用量约占25。,两个牌号转化催化剂的活性组份都是NiO。因为只有镍催化剂中的金属镍才对甲烷的蒸汽转化具有活性，因此在使用转化催化剂前，必须使催化剂中NiO还原为金属Ni。还原反应如下：,（6）主要设备加热炉,说明：a. 加热炉为底烧式方箱炉，设两个辐射室，一个对流室。两个辐射室内各设一组加热盘管E1和E2，对流室内设四组加热盘管。b
6、.辐射室内烧嘴分四组设置，每排十个，共四十个。对流室顶部设置烧嘴两个。 c.加热炉燃料在正常生产情况下是氢回收装置产生的驰放气、氨回收工段的液氨闪蒸气，不足部分用焦炉气补充。 d.加热炉的烟气用引风机抽出。 炉膛内在正常生产情况下维持负压为-5mm水柱。,转化炉,说明: a.转化炉为一立式圆筒，壳体材质时碳钢。转化炉是合成氨所有装置温度最高的一台设备，碳钢壳体只耐压不抗热，因此转化炉内衬耐火材料，外壁设置水夹套。 b.转化炉顶部烧嘴，从侧壁进去炉内的焦炉气与从顶部进入炉内的氧气混合，在炉膛顶部燃烧。 c.炉内装填催化剂两层，上层时耐高温的Z205催化剂，下层是活性高的CN-20催化剂。,3、C
7、O变换（1）目的 变换工序的作用是使CO在有催化剂存在下与水蒸气作用生成H2和CO2，生成的H2能制氨，同时又脱除了毒物CO。（2）主要反应式 CO+H2O H2+CO2,催化剂,（3）流程：,中温变换炉,甲烷化预热器,锅炉给水预热器,低温变换炉,低压蒸汽废锅,副产0.4Mp，153低压蒸汽,CO3%,来自转化炉工艺气（3.1Mp，350）,CO0.3%,205,中压蒸汽,至脱碳再沸器,（4）工艺指标 a.中温变换出口气CO 3%; b.低温变换出口气CO0.3%。(5)变换催化剂中温变换催化剂： 本装置用型号B113-2的铁铬系催化剂。 a.组成：三氧化二铁（Fe2O3），助催化剂三氧化二铬
8、（Cr2O3）。,b.还原与氧化还原反应：氧化反应：,低温变换催化剂本装置用型号B205-1铜锌系低变催化剂a.组成：氧化铜（CuO）（2829%），助催化剂氧化锌（ZnO）（4751%）。b.低变催化剂的活性组份是Cu，所以使用前需进行还原还原反应：,4、 CO2脱除（1）目的 出变换的工艺气中CO2含量大约为19%，需经过脱碳工序后脱除绝大部分CO2 ，并将副产品CO2送尿素车间作为原料。（2）脱碳工艺 选用改良MDEA法脱碳,a. MDEA主要成分N甲基二乙醇胺，分子式：C5H13NO2 。分子结构式： CH2-CH2-OH CH3-N CH2-CH2-OH b.脱碳反应式,(3)工艺指
9、标 脱碳工序出口气中CO2 0.08%。(4)主要设备 静设备 吸收塔：型式分为上、下两段，塔内装填料。,。,再生塔：型式分为上、下两段，塔内装填料。,。,动设备：贫液泵2台、半贫液泵3台。5、甲烷化（1）目的a.它的任务是除去经变换和脱碳后工艺气体中残余的CO和CO2，得到合格的氢氮气送入合成工序；b.进甲烷化炉之前，工艺中配入来自空分的N2，使工艺气中氢氮比为3：1。,(2)主要反应式(3)工艺指标 甲烷化后工艺气中CO和CO2总量10ppm。,(4)工艺流程,甲烷化进/出口气换热器,甲烷化炉,甲烷化水冷器,分离器,270 ,冷凝液去转化工序饱和塔,CO+CO210ppm,H2:N2=3:
10、1 精炼气去合成气压缩机,40,300,净化气(来自低变出口),N2（来自空分9283m3/h）,（5）甲烷化催化剂 本装置用J103型甲烷化催化剂 a.组成：活性成分是氧化镍，载体为氧化铝，促进剂为氧化镁。外观为灰色。 b.催化剂的还原与氧化还原：甲烷化催化剂使用前必须将氧化镍还原成金属镍，才具有催化活性， 其反应如下：,氧化：还原态的甲烷化催化剂能与O2发生激烈的氧化反应，生成金属镍，同时放出大量热。 其反应如下：,(6)甲烷化出口气（即：新鲜气） a.组分,b.流量： 40700 Nm3/h,说明：如前所述，生产合成氨的原料-焦炉气流量是25400 Nm3/h ，至甲烷化出口的工艺气流量
11、达40700 Nm3/h，为什么气体流量增大了大约15000 Nm3/h ，这是因为在转化与变换工序生产中加入了水蒸气以及在甲烷化炉前工艺气中配入了氮气所致。,6 、压缩（1）目的 氨合成需要高的压力，氢氮气只有通过压缩才能提高压力；氨气只有通过压缩才能构成冷冻循环。（2）主要设备氢氮气压缩机 三缸四段18级叶轮离心式压缩机，转速16500rpm，汽轮机驱动。氨气压缩机（即冰机） 单缸三段9级叶轮离心式压缩机，转速12090rpm，电机驱动。,7、合成（1）目的 氨合成是氨生产的最后一道工序。它是整个合成氨流程中的核心部分。，氢气与氮气在高压、高温、铁催化剂存在的条件下合成为氨。（2）反应式
12、3H2+N2 2NH3 (放热),催化剂,（3）合成催化剂 a.催化剂主要成分：FeO、Fe2O3 助催化剂：Al2O3、K2O、CaO b. 还原 Fe3O4没有催化的性能，它必须还原成 -Fe才 具有活性。 还原反应式为： Fe3O4 +4H2 3Fe+4H2O,c.还原操作 氨合成催化剂装填量大，塔内分层装填，加上还原反应式一个可逆反应，为了减少还原生成的水汽在催化剂床层中反复氧化，还原期间必须严格控制水汽浓度。氨合成催化剂升温还原操作，它不是孤立地在合成塔内进行，它需要压缩岗位的合成气压缩机和氨气压缩机的运行配合，还涉及到冷冻系统。因此还原操作前必须先编制“氨合成催化剂升温还原方案”，
13、然后严格按方案实施还原操作。,（4）合成回路 从生产实践知，氨合成虽然在高压、高温、铁催化剂存在条件下进行，但它只能使1020%的H2与N2合成为氨，为使产品氨与未反应的气体分离，需要采用降温冷凝，从而构成合成循环回路。,合成回路图,合成塔,冷却与冷凝,循环机,氨分离器,15万Nm3/h,17万Nm3/h,-10,新鲜气（来自合成压缩机4万Nm3/h）高压缸,液氨14.7t/h,17.6万Nm3/h,（5）主要设备 合成塔是本装置压力最高的设备（操作压力15.0Mpa）。合成塔由外筒和内件构成，外筒净高20m，内件中催化剂分为四个床层：第一层为轴向式；第二、三、四层为径向式。塔内还装有两个换热
14、器。,8、冷冻（1）目的 如前所述，氨合成塔只能将一部分氢氮气合成为氨。为使产品氨与未反应的气体分离，一般都采用降温冷凝的方法。合成回路气体的温度降得越低，则分离就越完全。通常的冷却水是达不到这样的要求，因而需要有专门的制冷工序，即冷冻工序。 冷冻工序也是取出产品液氨的地方。,（2）什么是冷冻 所谓冷冻，就是指获取低于一般冷却水温的冷源（又称：冷冻剂），利用冷源使物料温度降到低于环境温度的操作。 冷冻需要能量，具体体现在一台压缩机上，必须由压缩机输出机械功。如以液氨作为冷源，则这台压缩机就是氨气压缩机（又称冰机）。,（3）冷冻基本原理 液体气化时要吸收热量，从而使被冷却的物料温度降到低于环境温
15、度。 例如：每公斤液氨蒸发时大约可吸收300kcal左右的热量。（4）冷冻循环 合成氨生产中的冷冻剂是由氨气压缩机（冰机）、氨冷凝器、节流阀及氨蒸发器（即氨冷器）组成，并构成一个冷冻循环。,氨冷凝器,冰 机,气氨,液氨,冷却水,氨蒸发器即：氨冷器,被冷却气体,节流阀,四、合成氨的辅助装置和公用工程,1、辅助装置（1）空分装置 提供合成氨生产所需要的原料之一 -氮气和提供合成氨转化工序所需要的氧气。 空分装置设计能力为氧气6000 Nm3/h,氮气13000 Nm3/h.空分工段附设的空压站设计能力为压缩空气200 Nm3/h，仪表空气800 Nm3/h（2）烟道气中回收CO2装置 从烟道气中回
16、收CO2 ，以弥补尿素车间所需原料CO2不足量。,2、公用工程（1）循环冷却水（2）除盐水（用作锅炉给水）（3）蒸汽（压力等级3.8、1.0、0.4MPa）（4）仪表空气（空分提供）（5）低压氮气（空分提供）,第二节 尿素生产知识,一、尿素的物理性质和用途 物理性质 尿素的化学名称叫碳酰二胺。分子式为CO(NH2)2，分子量为60.6。 纯尿素为无色、无味、无臭的针状或棱柱状结晶。 尿素的比重为1.335（20）. 尿素易溶于水。固体尿素加热到132.6时（1大气压下），开始熔化。,2、用途 （1）主要用作化肥。尿素分子中含氮量为 46.65%，是含氮量最高的固体氮肥。（其它氮肥有碳铵、硫铵、
17、硝铵等）。 （2）在高压、高温，或在有催化剂存在时， 尿素能缩合生成三聚氰胺； （3）尿素可用作饲料，作为蛋白质的补充品。,二、尿素生产的原料 1、液氨 浓度NH399.5%(W) H2O0.5% 油10ppm 2、 CO2 浓度CO2 98.5%(V) H21 %(V) 硫化物2mg/Nm3,三、尿素生产的化学反应式总反应式 ： 实际上，合成尿素分两步进行：第一步： 特点：可逆、强放热、反应速度快易达到平衡第二步： 特点：可逆、微放热、甲胺脱水的反应速度较慢，须延长时间达到平衡（所以，第二步反应为合成尿素过程中的控制反应）。,四、尿素生产的原料消耗量每吨尿素生产需要的NH3和CO2数量如下：
18、1、理论值： NH3 567Kg ， CO2 733 Kg2、实际值： NH3 580Kg ，CO2 770 Kg,五、尿素生产的主要工艺技术 尿素生产的主要工艺技术有：水溶液全循环法、全循环改良C法、 CO2汽提法、 NH3汽提法、ACES节能工艺。 鸿基公司尿素装置采用CO2气提法,六、 CO2气提法工艺方块流程图,液氨加压,CO2压缩,尿素合成,甲胺泵,中低压分解回收（循环）,CO2气提,蒸发与造粒,高压洗涤,液氨,高压液氨,CO2,甲胺液,成品尿素,NH3CO2,反应液,七、CO2气提法的主要生产工序（一） CO2气的压缩和液氨加压 CO2气和氨发生合成尿素的反应是在高压下进行的。而来
19、自合成氨装置的CO2气和液氨的压力都很低（ CO2气压力为0.020.05Mpa；液氨压力为2.0 Mpa），所以CO2和氨在进入高压合成塔之前，必须提高压力。,1. CO2气的压缩 CO2压缩机的任务是将进入尿素界区压力为0.020.05Mpa的CO2气经过压缩机加压至 14.7Mpa，送至高压系统。2、液氨加压 液氨泵的任务是将进入尿素界区压力为2.0Mpa的液氨加压至17.7Mpa，送至高压系统。,（二） CO2气提法高压系统,1.高压系统的生产任务是： （1）将高压CO2 （由CO2压缩机来）与高压液氨（从液氨泵来）在高压反应设备内发生化学反应得到尿素（以水溶液存在）； （2）用高压C
20、O2气提从尿素合成塔出来的溶液，将溶液中未反应的CO2 、 NH3分离掉，并在与尿素合成相同的压力下回收再利用； （3）洗涤从尿素合成塔出来的气体，冷凝吸收气体中的CO2与NH3 ，也在与尿素合成相同的压力下回收再利用；,2.完成上述生产任务的主要设备有高压甲胺冷凝器、尿素合成塔、气提塔与高压洗涤器。3.尿素合成塔的操作温度180185、操作压力13.7Mpa， CO2转换率大约为57%。,（三）CO2气提法循环系统,将从高压系统来的未反应的CO2与氨在中、低压下加以回收，并将回收后的溶液返回到高压系统循环使用，称为循环系统。 1. 循环系统的生产任务是： （1）在0.2 Mpa压力下，回收汽
21、提液中【含CO2 810%（W）、 NH3 6 8%（W）】未反应的CO2 、 NH3 ，此过程称为低压分解和低压吸收。,（2）在0.59Mpa压力下，完全回收高压洗涤器出口尾气中未被冷凝吸收的CO2 、NH3 ，该尾气中含CO2 32%（V）， NH3 35%（V），在尿素生产中又称中压吸收。（3）尿素溶液在蒸发系统中产生的蒸汽冷凝液（又称工艺冷凝液或稀碳铵溶液），其中尚含有少量的CO2 、 NH3与尿素，也要在循环系统中加以回收，该过程称解吸和水解。,2. 上述的三个部分组成了循环工艺。在此过程中回收了CO2与NH3得到甲胺液，经甲胺泵加压至15.9 Mpa返回到高压系统，实现了全循环的目
22、的。该甲胺液又称为低压甲胺液，含CO2 3435%（w）， NH3 3031%（w）。,3. 循环系统的主要设备循环系统包括分解和冷凝吸收两个工艺。分解工艺主要有精馏塔、闪蒸槽、解吸塔等设备；冷凝吸收工艺有中、低压吸收塔和低压甲胺冷凝器等设备。此外，还有尿素水解塔、循环加热换热器以及高压甲胺泵等液体输送设备。,（四）尿液的蒸发与造粒,尿液的蒸发与造粒是尿素生产过程中最后一道工序。 1.尿液的蒸发与造粒工序的生产任务是： 蒸发低压分解、闪蒸后的尿素溶液，在一、二段蒸发器中进行蒸发，最终浓缩成99.7%（w）的熔融尿素；然后将其用泵送至造粒塔顶的旋转喷头，由造粒塔顶喷洒下来，形成颗粒状的尿素，经传
23、输带送到尿素散装仓库存放和冷却；最后再送至包装楼装袋。,2. 尿液蒸发与造粒工序的主要设备 一、二段蒸发器、蒸汽喷射器、表面冷凝器、尿液泵、熔融泵、造粒塔。,第三节 化肥装置的特点和管理,1、无论合成氨还是尿素，工序多、流程长、高温高压、易燃易爆、有毒有害，生产难度高。 2、单系列生产。关键的设备基本上都只有一台，这样既节省了投资，又简化了操作。,一、化肥装置的特点,3、装置和工序的生产由DCS控制，自动化程度高，设置的保护连锁多。 4、具有一套较完整的热回收系统，把工艺过程的余热充分利用起来，产生中、低蒸汽，既提供了转动设备所需要的动力，又作为工艺蒸汽和加热介质。这样有利于降低合成氨成本。,
24、5、整个装置的各个工序构成一个有机的整体，而不是过去那样分成几个多少互相独立的车间或工段。任何一个局部工序的变化都会影响到全局，再加上关键设备系单系列，某一个工序的事故均有可能导致全厂停车。6、本装置对空分的依赖性特别强，本装置所需的氧气、氮气、仪表空气等都需要由空分提供。,二、管理,鉴于化肥装置具有以上这些特点，这套化肥装置对有关责能部门的日常管理、对操作和机、电、仪、分析等工种的职工技能和责任性，都提出了更高更严的要求。,为此，对鸿基焦化公司这套化肥装置的管理提出三点希望： 1、始终把组织装置长周期连续稳定安全运行作为发挥装置效能的主要途径。 2、始终把学习、掌握化肥装置的生产技术和技能放
25、在首位。 3、始终实行“预防为主”的管理方式。,当前，鸿基焦化公司干部和职工正在全力以赴、日日夜夜辛勤工作，为打通化肥装置全流程，早日生产出液氨和尿素产品而奋斗。在次，我也衷心祝愿“打通全流程出产品”的第一阶段目标早日顺利实现！,兄弟化肥厂的经验告诉我们：“开好装置不容易，管好装置更困难”。待第一目标实现后，装置在试车和开车过程中暴露的问题、缺陷和故障，都需要一并列表汇总，逐一分析原因，研究整改和完善化措施，尽早加以改进和优化。然后，装置再次开车投入生产后，就要千方百计为实现装置“安全、稳定、长周期、优化、满负荷”的第二阶段目标而不懈努力，使化肥装置为提高鸿基焦化公司的经济效益而发挥出更大的作用。,
