一、裝置簡介

　　(一)裝置發展及其類型

　　世界上第一座合成氨生產裝置始于1913年。我國首套合成氨生產裝置建于20世紀30年代。到70年代初，我國運行的合成氨生產裝置絕大多數仍為以煤(焦)為原料，采用固定床制氣技術的中、小型裝置。世界上，60年代起，大型合成氨生產裝置由于具有工藝流程短、熱利用率高、自動化水平高、單系列、運行時間長等優點，得到快速發展。我國從1973年開始，從美國、日本、法國引進了13套日產合成氨1000t的大型合成氨生產裝置。這些裝置均采用烴類蒸汽轉化制氣工藝技術，其中以天然氣為原料的有10套(其中兩套后來改用輕油)；以輕油為原料的有3套。1978年以后，又引進了以渣油、煤為原料，采用部分氧化制氣工藝技術的大型合成氨生產裝置。

　　合成氨裝置生產工藝技術因原料制氣、氣體凈化、氨合成工藝不同而有多種工藝技術。原料氣化有：煤(焦)固定床氣化工藝；煤(焦)氣流床氣化工藝；渣油、水煤漿部分氧化制氣工藝；烴類(輕油、天然氣)蒸汽轉化制氣工藝。氣體凈化工藝種類繁多。硫化物脫除分為固定床吸附(如氧化鋅吸附)和溶液吸收(如：乙醇胺法、甲醇法、NHD法)。一氧化碳變換工藝可分耐硫變換工藝和非耐硫變換工藝。二氧化碳脫除可分為化學吸收法(如：G•V法，苯菲爾法)和物理吸收法(如：低溫甲醇法、NHD法)。氣體精制工藝可分為“熱法精制”(甲烷化工藝)和“冷法精制”(低溫液氮洗或深冷凈化工藝)。氨合成工藝按壓力等級，可分為高壓法、中壓法、低壓法；按合成塔的氣體流向，可分為軸向塔和徑向塔；按床層換熱方式，可

　　分為內部換熱式、中間換熱式和中間冷激式。

　　世界上，由于合成氨原料成本價格不斷上升，合成氨工藝技術目前向低能耗發展。出現了多種低能耗合成氨工藝技術。其中，以天然氣為原料的蒸汽轉化低能耗制合成氨裝置，其能耗已降到28CJ／t.NH₃的水平。

　　(二)裝置的單元組成與工藝流程

　　 1，組成單元

　　合成氨裝置因工藝技術不同，組成的單元也不同。現介紹以烴類蒸汽轉化制氣工藝技術生產合成氨裝置的情況。裝置由硫化物脫除(簡稱脫硫)、烴類蒸汽轉化制氣(簡稱轉化)、一氧化碳變換(簡稱變換)、二氧化碳脫除(簡稱脫碳)、氣體精制(簡稱甲烷化)、氫、氮氣壓縮（簡稱壓縮)、氨的合成(簡稱合成)七個單元組成。各單元介紹如下：

　　 (1)脫硫

　　烴類原料(天然氣、煉廠氣、輕油等)與氫氣混合進行加氫反應，將原料中的不飽和烴、有機硫化物轉化為飽和烴、硫化氫。再由氧化鋅脫硫劑吸附，除去原料中的硫化物。如原料中硫含量過高，則在脫硫單元中增加予脫硫裝置。

　　(2)轉化

　　原料中的碳氫化合物先與蒸汽，后加空氣發生轉化反應，得到含H₂、CO、C0₂、CH₄、N₂等的氣體。并回收熱量，產生高壓蒸汽。

　　一段轉化反應需要的熱量由燃料氣(油)燃燒提供。

　　(3)變換

　　轉化氣中CO與水蒸氣反應生成H₂和C0₂。

　　(4)脫碳

　　采用碳酸鉀溶液循環吸收、再生的方法，除去工藝氣中C0₂，并將再生出來的高濃度C0₂送到尿素裝置作為原料。

　　(5)甲烷化

　　將工藝氣中微量的CO、C0₂與H₂反應生成甲烷，從而得到合成氨生產所需要的純凈的N₂、H₂氣。

　　(6)壓縮

　　通過合成氣壓縮機將工藝氣壓力提高，補充入氨合成循環回路。并提供氨合成回路氣體循環需要的動力。

　　(7)合成

　　氫、氮氣在高溫、高壓下反應生成NH₃。反應后的氣體經冷卻、冷凝分離出液氨，未反應的氫、氮氣與補充的新鮮氣循環回合成塔。基本循環流程：合成一熱回收一冷卻一冷凝一氨分離一換熱一循環升壓一合成。

　　合成循環回路中需要的冷量由氨冷凍系統提供。

　　2．工藝流程

　　工藝流程說明：工藝原則流程見圖7-1。

　　工藝流程從原料到氨的合成，共分七個工序。

　　(1)脫硫

　　含少量硫化物的原料(天然氣、輕油等)經原料壓縮機(泵)升壓到4MPa(表)，與少量從合成氣壓縮機來的合成氣混合，經加熱，進入加氫反應器，將有機硫化物轉化為H₂S。然后進入氧化鋅脫硫槽吸附H2S，使原料氣中的硫含量降到<0．2mg／m³以下。脫硫后的氣體送去轉化。

　　(2)轉化

　　脫硫后的氣體與水蒸氣混合進入一段轉化爐爐管內，在鎳催化劑作用下，進行烴類蒸汽轉化反應，出口溫度達800℃左右，出口氣體中CH₄含量達8％左右。工藝氣再進入二段轉化爐，與適量空氣混合燃燒，在鎳催化劑作用下，繼續進行甲烷轉化反應，使出口氣體中甲烷含量降為0．3％。高溫轉化氣再進入廢熱鍋爐，回收熱量，產生高壓蒸汽。

　　一段轉化爐爐膛內設有頂(或側)壁燒嘴，由燃料氣(油)燃燒，提供轉化反應需要的熱量。

　　(3)變換

　　從轉化來的氣體溫度約360℃，先進入高溫變換爐，反應后出口氣體中CO達3％左右。氣體經換熱后，溫度降到220℃，再進入低溫變換爐，出口氣體中CO降到0．4％左右。然后去脫碳系統。

　　(4)脫碳

　　變換來的氣體含C0₂約20％，進入二氧化碳吸收塔底部，與熱碳酸鉀溶液進行逆流接觸吸收。吸收塔出口工藝氣中C0₂下降到<0．1％，經分離后進人甲烷化系統。

　　碳酸鉀溶液在再生塔內通過減壓，加熱再生。再生后的溶液回到吸收塔，循環使用。再生出來的C0₂氣，降溫后，送往尿素裝置。

　　為提高吸收、再生效率，一般采用兩段吸收、兩段再生。

　　(5)甲烷化

　　脫碳后的氣體經換熱后進入甲烷化爐，在鎳觸煤作用下，CO和C0₂與H₂反應生成CH₄和H₂0。出口氣體中CO加C0₂含量達lOmg／m³以下，送往壓縮機入口。

　　(6)壓縮

　　甲烷化來的工藝氣體，壓力為2．5MPa(表)，工藝氣經合成氣壓縮機加壓后送到氨合成系統。一般合成氣壓縮機采用二段或三段壓縮，用蒸汽透平驅動。其出口壓力視氨合成系統而定，一般為20-25MPa(表)。

　　合成氣壓縮機高壓缸還設有一個循環段，新鮮氣與循環氣混合后，經循環段升壓后回到氨合成系統。

　　(7)合成

　　合成氣壓縮機循環段出口氣體，經換熱后進入氨合成塔，在高溫、高壓及催化劑的作用下生成氨。合成塔出口氣體中含NH318％左右，溫度320—350℃，經給水加熱器，熱交換器、水冷卻器、氨冷器，降溫到O℃左右，進入氨分離器，分離出液氨。分離后的氣體經冷交換器、熱交換器提高溫度后，去合成氣壓縮機循環段，升壓后繼續進行循環。分離出來的液氨經減壓，解吸出溶于液氨中的氣體后，送到氨罐。

　　為控制循環氣中的惰性氣體濃度，循環氣體中排出一部分氣體，吹出氣經氨回收，氫回收后，用作燃料。循環系統中，氨冷器的冷量，由一套氨壓縮機組成的冷凍系統提供。

　　(三)化學反應過程

　　1．脫硫

　　烯烴、硫化物加氫反應如下：

　　2．轉化

　　烴類與蒸汽轉化反應如下：

　　3．變換

　　一氧化碳與水蒸氣反應如下：

　　4．脫碳

　　碳酸鉀溶液吸收(再生)二氧化碳反應如下：

　　5．甲烷化

　　甲烷化生成反應如下：

　　6．合成

　　氨的合成反應為可逆放熱反應，必須在高溫、高壓、催化劑存在下進行，其反應如下：

　　(四)主要操作條件及工藝技術特點

　　1．主要操作條件

　　因采用的原料、催化劑、設備不同，工藝操作條件不盡相同，表7—1列出主要操作條件的范圍。

表7—1合成氨裝置主要工藝操作條件

　　2．工藝技術特點

　　采用烴類蒸汽轉化制氣技術，采用兩段變換、碳酸鉀溶液脫碳、甲烷化氣體凈化技術以及中壓合成氨技術，工藝流程短。設備采用單機組、單系列，設備性能可靠，可實現長周期連續運行。裝置的能量利用較合理，生產過程余熱利用充分，能耗較低。采用集中自動控制、自動聯鎖系統，裝置自動化水平高，操作安全可靠性高。

　　(五)催化劑

　　合成氨裝置工藝過程中采用了加氫催化劑、硫吸收劑、一段轉化催化劑、二段轉化催化劑、高溫變換催化劑、低溫變換催化劑、甲烷化催化劑、氨合成催化劑共八種催化劑。催化劑由于型號不同、生產配方不同，其性能、特性也不同。各種催化劑的一般組成見表7—2。

　　(六)原料及產品特性

　　1，原材料特性

　　合成氨裝置采用的原料為天然氣(或石腦油)，燃料為天然氣、煉廠干氣、液化氣(或柴油)，主要的材料有碳酸鉀、氨基乙酸、二乙醇胺及五氧化二釩。其主要安全特性見表7—3。

表7—3合成氨原材料主要特性表

　　2．產品性質

　　產品為液氨，生產過程中還存在氫氣、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳、氮氣等中間產物。其安全性質見表7—4。

　　二、重點部位及設備

　　(一)重點部位

　　1．轉化系統

　　轉化系統由一段轉化爐、二段轉化爐、廢熱鍋爐以及燃料燃燒、煙氣廢熱回收設備組成。高溫設備集中，一段爐爐膛高達1300℃，二段爐出口950℃，廢熱鍋爐產生1OMPa(表)高壓蒸汽。設備內為易燃、易爆氣體，壓力達4MPa(表)。

　　轉化系統是裝置中的高溫區，其特點是高溫、高壓、易燃、易爆、有毒。若發生超溫，易造成設備損壞，工藝氣體泄漏，而引發重大火災，爆炸事故。

　　2．合成系統

　　合成系統由合成塔、水加熱器、熱交換器、冷交換器、水冷器、氨冷器、氨分離器等高壓設備組成。是裝置中高壓設備集中的區域。設備壓力等級一般為20-25MPa(表)。設備內工藝介質為H₂、N₂、NH₃等。

　　由于壓力高，設備發生泄漏，易造成火災、中毒、爆炸事故。如設備存在缺陷或產生氫脆、產生裂紋，在發生物理爆炸的同時，還可發生化學爆炸，往往造成災難性的后果。

　　(二)重點設備

　　1．一段轉化爐

　　一段轉化爐承擔著將原料烴類與蒸汽發生反應制取原料氣的任務。其操作、運行是否正常影響到整個裝置的安全運行，是裝置中結構復雜，操作條件苛刻的關鍵設備。一段轉化爐由輻射段、對流段及燃料系統組成。輻射段一般有幾百根轉化爐管，爐管內裝填催化劑，烴類與水蒸氣在爐管內反應。爐管外用燃料氣(油)燃燒形成的火焰直接加熱，爐管外壁溫度高達900～950℃，爐管內壓力為4MPa(表)，運行條件比較苛刻。對流段為有效回收熱能，采用多種工藝物料與煙氣換熱，換熱方式較復雜。一段轉化爐在生產中，如發生催化劑中毒、結碳，水碳比失調，燃料系統故障、爐管超溫等都可造成事故。如發生設備損壞、泄漏還可引發重大火災、爆炸事故。

　　2．壓縮透平機組

　　合成氨裝置有合成氣壓縮機、氨氣壓縮機、工藝空氣壓縮機、原料氣壓縮機四大機組，采用離心式多級壓縮機組，用蒸汽透平驅動。原料氣壓縮機壓縮氣體為天然氣或干氣，出口；壓力4MPa(表)；氨氣壓縮機壓縮氣氨，出口壓力1．6—1．8MPa(表)；工藝空氣壓縮機壓縮空氣，出口壓力4MPa(表)；最重要的是合成氣壓縮機，壓縮氣體為H₂、N₂氣體，出口壓力一般為20—25MPa(表)，采用10MPa(表)高壓蒸汽透平驅動，轉速可達11000r／min，被稱為合成氨裝置的“心臟”。

　　大機組一般在高溫、高壓、高轉速下運行，密封、潤滑條件要求高，調節控制系統復雜。運行中如發生喘振、氣體帶液、軸瓦磨損、密封損壞、軸位移高等都可造成機組故障。由于結構復雜，維護保養、檢修安裝要求高。如維護不當，檢修安裝未達到精度標準，也容易發生設備故障。而四大機組均為單系列運行，無備用機組，任何一臺機組的停機，都可造成全裝置停車。而且泄漏出來的NH₃、H₂、N₂，原料氣還可造成重大的火災、爆炸、中毒事故。

　　3．合成塔

　　合成塔是裝置的主要設備，氫氣與氮氣在合成塔內反應生成氨。合成塔是高溫、高壓設備，工作壓力20～25MPa(表)，反應溫度500℃左右。由承受高壓的外殼及承受高溫的內件組成。內件由熱交換器及觸煤筐組成，觸煤筐內充填合成觸煤，內件結構比較復雜。

　　合成塔運行中，如發生觸煤中毒、觸煤超溫、入塔H₂／N₂比失調等，可造成裝置運行不正常或停車。塔內件如壓差過大，可引起內件變形，而造成重大設備事故。

　　氮氣、氫氣在高溫、高壓下會對金屬材料發生滲氮、氫脆脫碳腐蝕。外殼發生超溫，是十分危險的，可使設備材料遭受破壞，造成災難性的后果。