国产化大型化肥装置多联产项目工艺技术路线分析

化肥装置

Oct.2007化肥设计

Chem ical Fertilizer Design 第45卷　第5期2007年10月

国产化大型化肥装置多联产项目

工艺技术路线分析

吴　萍,李胜果

(滕州凤凰化肥有限公司,山东滕州　277527)

摘　要:围绕滕州凤凰化肥有限公司煤化工发展目标,简述了国产化大型化肥装置多联产项目的品种和规模,着重对多联产项目中的空分、气化、变换、净化、甲醇低压合成与精馏、硫回收、合成氨低压合成等工艺技术以及尿素装置、二甲醚装置生产技术进行了分析和比选。

关键词:国产化大型化肥装置;多联产项目;工艺技术;比选

中图分类号:T Q440.6　　　　文献标识码:B　　文章编号:1004-8901(2007)05-0052-05

Ana lyz i n g Process Technology L i n e for Co m b i n a ti ve Producti on Projects i n Large2si zed

Che m i ca l Fertili zer Pl an t be i n g Na ti vely M anufactured

WU Ping,L I Sheng2guo

(Tengzhou Fenghuang Che m ical Fertilizer Co m pany L td.,Tengzhou Shandong　277527　China)

Abstract:Author has described the p r oduct kinds and capacity for the multi2item combinati on p r oducti on p r ojects being natively manufactured con2 cerning the coal che m ical devel op ing target in Tengzhou fenghuang chem ical fertilizer p lant;e mphasized t o make an analysis,comparis on&selecti on f or the p r ocess technol ogy of air separati on,gasificati on,shifting,purificati on,l ow p ressure synthesis&fine distillati on f or methanol,sulfur recovery,l ow p ressure a mmonia synthesis etc;in the multi2ite m of co mbinati on pr oducti on pr ojects as well as the pr oducti on technol ogy of urea plant,di m ethyl ether device.

Key words:large2sized che m ical fertilizer p lant being natively designed&manufactured;multi2ite m of combinati on p r oducti on p r ojects:p r ocess technol ogy;comparis on&selecti on

滕州凤凰化肥有限公司是以山东滕州辰龙能源集团有限公司为主出资建立的化工企业。该集团公司拥有的滕南、滕北、官桥三大煤田蕴藏着丰富的煤炭资源,是国家级重点产煤基地。辰龙集团公司将依托丰富的煤炭资源和国产化大型化肥装置,实施大型化肥装置多联产项目,以大力发展煤化工,并形成产业规模。多联产项目的最终产品规模为:360kt/a甲醇、240kt/a合成氨、420kt/a尿素、100kt/a二甲醚和25MW发电项目。笔者现对多联产项目的品种和规模、生产技术和工艺进行分析比选。

　多联产项目工艺流程

多联产项目的概略工艺流程:煤气化采用我国拥有自有知识产权的新型多喷嘴(对置式)水煤浆加压气化技术,并新建1套42000m3/h空分装置以提供气化用氧气和净化氮气;变换采用耐硫中变配气路线,变换气送至低温甲醇洗脱硫脱碳,而后气体送甲醇合成、甲醇精馏以生产36万t/a甲醇;甲醇合成采用先进的绝热等温型合成塔技术,甲醇

合成产生的弛放气采用膜分离技术回收氢气,回收的氢气送往合成氨净化变换工段生产合成氨;低温甲醇洗有2个水洗塔,流程中的CO

2

解析塔、H

2

S浓缩塔、甲醇再生塔、水分离塔共用;经过变换、低温甲醇洗净化后的合成氨净化气再经液氮洗,经压缩

机后生产合成氨;合成氨通过CO

2

气提法尿素装置生产尿素;甲醇净化气进入甲醇合成生成甲醇,粗甲醇经精馏后生产AAA级甲醇;若生产二甲醚时则将甲醇合成装置中的粗甲醇直接送入二甲醚合成系统,经精馏得到10万t/a二甲醚。国产化大型化肥装置多联产扩建项目全厂工艺流程见图1。

　空分装置的选择

经考察,选择K DON-42000/20000型空分装置。该装置采用全低压分子筛吸附、增压透平膨胀作者简介:吴萍(1968年-),女,山东曲阜人,1989年毕业于华东理工大学能源化工系煤化工专业,化学工程硕士,高级工程师,副总工程师,长期从事合成氨、合成甲醇的工艺技术管理工作。

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化肥装置

图1　多联产项目全厂工艺流程

机制冷、氧气内压缩的工艺流程。主要动设备,如增压透平膨胀机、高压液体泵、高压板式换热器选用国外著名公司产品。

(1)空气预冷系统　高效的空冷塔可减少冷冻水的用量;高效的规整填料水冷塔充分利用干燥污氮气的显热和潜热,降低冷却水温度,使装置能耗进一步降低。

(2)分子筛纯化系统　选用的分子筛纯化器须使用寿命长,再生能耗低。

(3)分馏塔系统　①采用高效主冷可使传热温差低,降低空压机出口压力,从而降低能耗;②过冷器采用合理的设计,以更好地回收低温冷量,提高提取率,降低能耗;③利用液空作精氩塔蒸发器热源及贫液空作精氩塔冷凝器冷源等合理的流路设计,以提高提取率,降低能耗;④上塔、氩塔采用规整填料塔,上塔规整填料及塔内件选用著名公司成熟产品,提高产品提取率,降低能耗。

　气化工艺技术选择

　气化压力

气化压力可选择2.8MPa、4MPa和6.5MPa,基于以下分析,选择6.5MPa。

(1)多联产项目包括合成氨和甲醇,甲醇操作压力为5MPa,气化压力选择6.5MPa可直接选用循环机,低压合成,节省能耗。

(2)气化压力高则生产合成氨的能耗低。以生产1000t/d合成氨为例,采用6.5MPa气化压力需要投资112000万元,合成氨能耗为45.18GJ/t,采用4.0MPa气化压力需投资114500万元,合成氨能耗为47.16GJ/t。

(3)6.5MPa比4.0MPa单炉制气能力高35%左右。

　加压技术

因装置以高硫煤为原料,故选择华东理工大学专利技术“新型多喷嘴(对置式)水煤浆加压气化技术”。

新型多喷嘴(对置式)水煤浆加压气化技术采用水煤浆进料,制成60%～65%浓度的水煤浆,在气流床中加压气化,水煤浆和氧气在高温高压下反应生成合成气,液态排渣。使用气化压力在6.5 MPa,气化温度在1300～1400℃,(CO+H2)体积分数达到80%。气化过程对环境影响较小。新型多喷嘴对置式粉煤加压气技术具有以下优点。

(1)新型多喷嘴对置式粉煤加压气化技术的投资约为壳牌干粉煤加压气化工艺(SCGP)投资的1/3,也低于GSP工艺。

(2)新型多喷嘴对置气化炉技术采用激冷流程,其气体被水蒸气饱和,水气比约为1.3～1.4,足以满足变换反应对水蒸气的需要,且流程按耐硫中串低设置比较顺畅。

(3)采用对置式气化炉,强化热质传递,有利于煤粉气化。单炉产气能力大,具有效率高、煤耗低和长周期运行的特点,煤气化碳转化率高于98%,合成气中有效成分φ(CO+H2)≥90%,冷煤气效率为83%。

(4)气化炉装置具有开车方便、操作灵活、投煤负荷增减自如的特点,尤其是气化炉装置可灵活地停下1对烧嘴而另1对烧嘴继续工作,不必立即停车,为保压操作和维修创造了有利条件。

(5)能高效生产富氢和一氧化碳的合成气,甲烷含量少,热值高;燃料可完全气化,不生成冷凝副产品,气体不含焦油、酚等污染物;炉灰渣可用作水泥的原料和建筑材料,三废处理简单,易于达到环境保护的要求;生产控制水平高,易于实现过程自动化及计算机控制。

(6)该工艺对煤种的适应范围较宽,能气化劣质褐煤,也可气化硬煤和焦煤。所制成的水煤浆气体组分体积分数为:φ(H

2

)=33.47%;φ(CO)= 50.67%;φ(CO2)=13.86%;φ(CH4)=0.03%;

φ(A r)=0.14%;φ(N

2

)=0.56%;φ(H

2

S)= 1.19%;φ(COS)=0.08%;φ(CH4)=0.03%。

　变换工艺技术选择

变换工序采用目前国内较为先进和成熟的部分变换加配气的工艺技术。鉴于水煤气中硫含量较高,故变换催化剂宜采用耐硫变换催化剂(QCS-01/03或QDB-01/03)。本工序主要是将一氧化碳转化为用于生产甲醇的合成气,煤气中的一氧化碳与水蒸气在变换催化剂的作用下发生变换反应转化成氢和二氧化碳,采用配气工艺使变换工段出口

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第5期吴　萍等　

国产化大型化肥装置多联产项目工艺技术路线分析

化肥装置

的合成气中CO体积分数约为20%(干基),且

φ(H

2

)/φ(CO)≈2.32,同时将部分有机硫转化成无机硫送至低温甲醇洗工段。

　气体净化工艺选择

目前,合成氨厂、甲醇厂中脱除H

2

S的方法有改良A.D.A法、栲胶法、G-V法、NHD法。脱除CO2的方法主要有改良热钾碱法、NHD法、MDEA

法、低温甲醇洗法(同时脱除H

2

S)等。对于粉煤加压气化所产生的水煤气可供选择的净化方法主要有低温甲醇洗和NHD脱硫脱碳。

　低温甲醇洗工艺

低温甲醇洗工艺具有以下主要特点:

(1)该工艺可以同时脱除原料气中的H

2

S、COS、RSH、CO2、HCN、NH3、NO以及石蜡烃、芳香烃、粗汽油等组分,且可同时脱水,使气体彻底干燥,所吸收的有用组分可以在甲醇再生过程中回收。

(2)气体的净化度很高,净化气中总的硫含量

可脱至0.1×10-6以下,CO

2

可脱至10×10-6以下。

(3)吸收的选择性比较高,H

2

S和CO2可在不同设备或在同一设备的不同部位分别吸收,在不同

设备和不同条件下分别回收。由于低温时H

2

S和CO2在甲醇中的溶解度都很大,所以吸收溶液的循环量较小,特别是当原料气压力比较高时尤为明

显。此外,低温下H

2

和CO等在甲醇中的溶解度都较低,甲醇的蒸汽压也很小,这就使有用气体和溶剂的损失保持在较低水平。

(4)甲醇的热稳定性和化学稳定性都较好,甲醇不会被有机硫、氰化物等组分所降解,在操作中甲醇不起泡、纯甲醇对设备和管道也不腐蚀,因此,设备与管道大部分可以用碳钢或耐低温的低合金钢。甲醇的黏度不大,在-30℃时,甲醇的黏度与常温水的黏度相当,因此,在低温下对传递过程有利。此外,甲醇比较便宜,容易获得。

(5)当低温甲醇洗和液氮洗联合使用时,该净化工艺就显得更加合理。液氮洗需要在-190℃左右的温度下进行,并要求气体彻底干燥,而低温甲醇洗的净化气就同时具有干燥和-60℃左右的特点,这就节省了投资和动力消耗。

(6)低温甲醇洗法属于物理吸收,在低温(-50～-60℃)下溶剂吸收能力大,溶液循环量小,气体净化度高,再生热耗少,操作费用低,能综

合脱除气体中的H

2

S、COS、CO2,溶液不起泡、不腐

蚀,H

2

S浓缩简单,在原料煤硫含量波动较大的情况

下,H

2S的浓度也可满足硫回收的要求。

　脱硫脱碳

NHD脱硫脱碳工艺是南京化工研究院开发并

在国内申请有专利权的净化方法,属于物理吸收,

能同时脱除CO

2

、H

2

S、H2O、HCN等杂质,对CO2及

H2S进行选择性吸收。该法净化度高,溶液无毒,饱

和蒸汽压低,溶剂损失小,再生热耗低,溶剂对碳钢

无腐蚀,大部分设备可以用碳钢制造。该法的缺点

是溶液吸收能力大大低于低温甲醇洗,故溶液循环

量大,对COS吸收能力差,脱CO

2

和H

2

S要分开进

行,因而设备多,流程复杂,而且吸收溶剂昂贵,首

次装填费用高,且日常操作费用高于低温甲醇洗。

尽管低温甲醇洗的投资费用高,但其日常消耗

能耗低,且处理的气体彻底,经综合考虑,选择了低

温甲醇洗的工艺。

　甲醇合成与精馏工艺选择

　甲醇合成

甲醇合成采用国内华东理工大学“管壳外冷2绝

热复合式固定床催化反应器”,2台并联,合成压力

5.43MPa。从合成回路来的循环气(5.08MPa、40

℃)进入循环气压缩机压缩(压缩至5.48MPa)后,

与从低温甲醇洗来的新鲜气混合预热后一起进入

甲醇合成塔进行甲醇合成反应。

本装置采用低压合成技术,所用催化剂为铜系

催化剂,选择性好,转化率高,副反应少,节省合成

气压缩机能耗;采用管壳外冷2绝热复合式固定床催

化反应器,反应过程中利用反应释放出的大量热量

副产中压蒸汽。

甲醇分离器分离出的弛放气经弛放气压缩机

送变换工段,作为其下游工段的原料气,避免了富

氢气体的浪费,降低了新鲜气的消耗;甲醇膨胀槽

闪蒸出的闪蒸气送往硫回收装置作为燃料气使用。

　甲醇精馏

本装置采用节能型三塔精馏流程,与双塔流程

相比较,其主要区别在于三塔流程采用2个主精馏

塔,1个加压操作,1个常压操作,用加压塔塔顶蒸

汽冷凝热作常压塔塔底再沸器热源,从而可减少蒸

汽消耗和冷却水消耗,能耗比双塔流程低10%～20%。

三塔流程的特点是:①能生产高纯度无水甲醇

(甲醇含量可达到99.95%以上);②不增加甲醇的

损失量,甲醇回收率可达99%以上;③在不增加甲

醇损失量的基础上,从甲醇产品中分离出有机杂

质,特别是乙醇;④能合理利用热能。一般来说,两

塔流程投资少而能耗高,三塔流程则投资稍高而

能耗稍低,尤其是以蒸汽作为精馏热源时,三塔?

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?化肥设计2007年第45

卷

化肥装置

流程节能效果比较明显,节能30%～40%,投资比两塔流程高15%左右,大型甲醇装置近年来多采用三塔流程。

　硫回收工艺技术选择

硫回收装置处理净化装置送来的富含硫化氢酸性气体及变换含氨冷凝液汽提气,将硫化氢转化成单质硫加以回收,从而减少污染物排放,达到环保要求。

目前国内应用的硫回收的技术分别为荷兰荷丰公司的S UPERCLAUS专利技术、三维SSR和托普索W S A技术。硫回收装置投资比较见表1。

由表1可知,相同规模的装置超级克劳斯投资最少,而且此技术相对于SSR技术具有工艺流程短、设备数量少,动设备数量少、容易操作、便于日常维护等特点,且不需要设置操作中很难控制的H2S/S O2比值的在线分析仪,也不需要化学溶剂等特殊消耗品,开停车以及正常操作可以完全自动控制。选择一段高温克劳斯热反应、三级低温催化克劳斯反应、一级超级克劳斯选择性氧化反应及尾气热焚烧的超级克劳斯硫回收工艺,总硫回收率可以达到99.0%。

表1　硫回收装置投资比较

序号投资费用荷丰超级克劳斯三维SSR托普索W S A 1技术引进费用技术专利费621479美元363573欧元工艺包设计费687700美元960000欧元

技术服务费224250美元142105欧元

专用设备费533000美元506000元人民币2847000欧元

专用催化剂433539美元国内催化剂1098000欧元

引进费用小计2499968美元5410678欧元

引进硬件国内运输165230美元156860元人民币882570欧元

引进相关费用合计19714980美元5216860元人民币54989350欧元2国内配套费用设备购置费用/元27118520489480008407854安装工程费用/元10521030205230004734464

建筑工程费用/元419620057920001678480

配套费用合计/元41835757526300014820798 3总费用人民币/元615507308047986069810148

　氨合成工艺选择

氨合成工艺有传统的高压流程和先进的低压流程。高压流程的压力为31.4MPa,所需的压缩机为活塞式,适应8～12万t/a的中型合成氨厂。低压合成在流程设置上只需要1台合成气压缩机和1台氨压缩机,所需运转设备少,压缩机用离心式汽轮机驱动,因而节电,能耗低,故选择低压合成工艺。

　尿素工艺选择

当今世界上应用较多的尿素生产技术主要有:水溶液全循环工艺、二氧化碳气提工艺、氨自气提工艺、ACES工艺。水溶液全循环工艺是20世纪60年代的成熟技术,但综合来看其消耗较高,排出的废液含氨和尿素超标,目前国际上已不采用该法建厂。二氧化碳气提法尿素工艺在国内建厂较多,已积累了丰富的生产经验,设备国产化程度较高。氨气提法尿素工艺先进,国内生产厂家较多,在国内具有一定的生产管理经验,其装置设有中低压段,操作稳定,但流程较长,气提塔需特殊材质,国内还没有制造经验

,其工艺技术需国外引进,与CO

2

气

提法相比投资较大。ACES法在国内建厂较少,其

关键设备及材料国内亦无制造经验,并需引进技

术,投资较高。综合分析比较,新建装置可选用CO

2

气提工艺,以降低投资,缩短投资回收期。

　二甲醚合成与精馏工艺选择

二甲醚的生产方法有直接用合成气进行合成

的“一步法”、精甲醇脱水制二甲醚的“二步法”、粗

甲醇直接合成二甲醚的“间接一步法”。

一步法生产二甲醚技术尚不十分成熟,采用该

技术风险大。“两步法”以精甲醇为原料受甲醇市

场因素影响较大,生产成本也较高,不利于大型化。

因此选择“间接一步法”。二甲醚的生产装置与甲

醇装置直接相连,甲醇合成气相产物直接作为二甲

醚合成原料,并充分地利用甲醇生产中的能量,既

保证甲醇总转化率,又使二甲醚原料成本和能耗显

著下降。(下转第58页)

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第5期吴　萍等　国产化大型化肥装置多联产项目工艺技术路线分析

化肥装置

诚然,解吸塔最好能使用锅炉房来的一次蒸汽,但会浪费很多的一次能源。众所周知,尿素车间的蒸汽比较富裕,尿素车间使用蒸汽的各设备使用后的蒸汽压力等级不同,可将其集中收集到蒸发冷凝液膨胀槽,膨胀槽蒸汽的压力为0.6MPa,温度在160～170℃,远大于塔釜液的泡点温度,且可保障传热温差,完全能满足填料塔的工艺要求。在膨胀蒸汽的作用下,塔釜液呈沸腾状态,因填料塔气液接触充分,传质传热效果好,阻力小,操作稳定。

　改造后运行状况

(1)新解吸系统于2006年4月投入使用,解吸气相温度低,带水少,降低了二循一冷器操作温度。二循一冷温度为30～35℃,吸收效果好,操作稳定,当日产尿素630t时,未发生超温现象。

(2)二循一冷器吸收效果好,未发生满液、超温、超压现象,二循一冷器CO

2

含量为18%左右,二循一冷器不排放,使一吸塔操作不受任何影响,稳定了一吸塔的操作。

(3)二表液全部送往二循一冷器,二表槽不溢流、不排放,减少了大量氨的流失。

(4)低压吸收压力稳定在0.18～0.2MPa,无超压现象,减轻了尾气吸收系统负荷,尾气吸收塔放空阀常关,氨含量降至1%以下,避免了大量的氨损失和环境污染。

(5)低压系统操作稳定后,二段分解塔分解效果好,不影响蒸发系统操作,二段分解塔气相不带液,二甲液中尿素含量控制在指标之内,减少了带入合成系统的尿素,提高了合成塔生产强度,使尿素日产达到了630t,创历史最高纪录。

(6)合成氨系统每日副产的24m3氨水和蒸发水喷射泵循环吸收液全部送解吸系统回收。改造后加大了解吸废液的处理能力,操作更加稳定,废液处理能力达到设计指标,废液排放氨含量为0.001%～0.002%,减少了氨损失,使吨尿素耗氨降至583kg,耗蒸汽降至1100kg,降低了能源消耗,提高了生产水平。

改造前后解吸气相、液相数据比较见表1。

表1　改造前后解吸气相、液相数据比较项目名称改造前改造后解吸气相氨/%46～5078～84

二氧化碳/%11～1312～14

水/%33～436～10解吸废液氨含量/%0.07～0.10.001～0.002

合成塔水碳比/%0.7～0.80.45～0.5

由表1分析数据可知,改造后解吸气相水含量下降31%～33%,氨含量上升32%～35%,气相带水少,降低了系统返水量,合成塔水碳比下降至0.45%～0.5%,CO

2

转化率上升到67%,有利于系

统水平衡,减少合成塔返水量,提高了合成塔转化率。

　改造效益分析

(1)新解吸系统投用后,解吸废液氨含量由改

造前的0.07%下降到0.002%,处理解吸废液能力

为12t/h,生产时间以330天计,可节约合成氨为

64.6t,按合成氨成本1950元/t计,每年节约资金

12.597万元。

(2)新解吸系统运行后,采用0.6MPa的系统

副产蒸汽,不再使用高压蒸汽。改造前吨尿素耗

1.2MPa高压蒸汽70kg,按年产尿素20万t计,可

节约蒸汽为14kt,吨蒸汽成本按100元计,全年可

节约资金140万元。

(3)新增解吸系统设计合理,一次膨胀蒸汽在

解吸塔上应用良好,操作弹性大,生产稳定,既可降

低生产成本,增强产品的竞争力,又能减少环境污

染,提高企业经济效益,具有节能和环保的双重作

用,社会效益显著。

修改稿日期:2007-05-09 (上接第55页)

间接一步法的主要特点是粗甲醇不经精馏直

接进入二甲醚合成,以γ-A l

2

O3或ZS M-5分子筛

为脱水催化剂,在压力0.6MPa,温度200～300℃,

液空速1.0～2.0h-1条件下使甲醇在气固相催化反

应中脱水生成二甲醚,甲醇转化率一般在75%～

85%,二甲醚选择性高达99%以上,这种方法工艺

简单且成熟,经精馏后可得到合格的二甲醚。

　多联产项目实施规划

滕州凤凰化肥有限公司多联产项目一期工程

为水煤浆加压合成生产甲醇,二期工程生产尿素、

二甲醚。这些资源的进一步优化开发,可生产甲

醛、甲酸、醋酸、碳酸二甲酯等下游产品及众多的精

细化工产品。这些下游产品大多具有投资少、建设

周期短、见效快的特点。充分整合利用多联产产品

资源,经过5～10年的努力,凤凰公司将建设成特大

型的煤化工企业,真正成为推进和实施国产化大型

化肥装置多联产的示范基地,促进我国煤化工事业

的蓬勃发展。

收稿日期:2007-04-18?

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ekl1.html