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      煤制甲醇生產(chǎn)線轉(zhuǎn)合成氨生產(chǎn)線改造方案及工藝路線研究

      2022-03-24 10:12:56王江濤曹真真
      中氮肥 2022年2期
      關(guān)鍵詞:電耗合成氨合成氣

      王江濤,曹真真,孟 雪

      (河南心連心化學(xué)工業(yè)集團股份有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453700)

      0 引 言

      在現(xiàn)代煤化工項目中,以氣流床加壓氣化工藝等為龍頭的甲醇裝置建成投產(chǎn)后,由于裝置自身工藝技術(shù)相對先進,通常而言通過技術(shù)改造實現(xiàn)裝置盈利能力提升的潛力較小。甲醇作為基礎(chǔ)化工原料產(chǎn)品,甲醇裝置的盈利能力主要受甲醇產(chǎn)品市場價格的影響,而近年來甲醇與液氨的市場差價大致在1 500~1 800元/t,使得甲醇裝置的盈利能力遠低于同等規(guī)模的合成氨裝置。鑒于甲醇合成系統(tǒng)與氨合成系統(tǒng)的上游系統(tǒng)有較多相同的工藝配置,如空分、氣化、變換、低溫甲醇洗等,通過對甲醇裝置模塊進行補充改造,實現(xiàn)甲醇生產(chǎn)線(簡稱醇線)與合成氨生產(chǎn)線(簡稱氨線)的互相切換,構(gòu)建“一頭兩尾”的柔性生產(chǎn)模式,則可明顯提升甲醇企業(yè)抵御市場風(fēng)險的能力。以下以某600 kt/a煤制甲醇裝置為例,對甲醇生產(chǎn)線轉(zhuǎn)合成氨生產(chǎn)線的改造方案及工藝路線進行研究。

      1 醇線轉(zhuǎn)氨線的整體工藝改造方案

      該600 kt/a甲醇裝置配套1套80 000 m3/h空分裝置,氣化系統(tǒng)配置1 500 t/d水煤漿氣化爐3臺(兩開一備),所用原料煤為神華煤+陜西煤復(fù)配,可產(chǎn)有效氣約185 000 m3/h;變換系統(tǒng)采用配氣流程,低溫甲醇洗系統(tǒng)設(shè)置變換氣洗滌塔和未變換氣洗滌塔,凈化氣經(jīng)換熱器復(fù)熱后進入甲醇合成系統(tǒng)。

      為提升企業(yè)抵御市場風(fēng)險的能力,結(jié)合所在園區(qū)現(xiàn)有工藝裝置情況——有1套閑置的醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置,經(jīng)技術(shù)可行性分析,計劃利用該600 kt/a甲醇裝置氣化系統(tǒng)所產(chǎn)粗合成氣進行甲醇生產(chǎn)線轉(zhuǎn)合成氨生產(chǎn)線的工藝改造,其主要內(nèi)容包括:空分裝置新增中壓氮氣系統(tǒng),變換系統(tǒng)新增一段變換線,低溫甲醇洗系統(tǒng)2個主洗滌塔[變換氣洗滌塔(T01)和未變換氣洗滌塔(T08)]塔盤改造并增設(shè)副塔、CO2解吸系統(tǒng)改造、CO2解吸輔助塔塔盤改造[1]。具體而言,主要對原600 kt/a甲醇裝置變換系統(tǒng)和低溫甲醇洗系統(tǒng)進行配氣改造——提高變換線變換氣量占比至70%,將全變換線變換氣用于氨合成系統(tǒng),將未變換氣與部分變換氣配氣用于甲醇合成系統(tǒng),即將600 kt/a甲醇裝置約2/3的合成氣用于生產(chǎn)合成氨,實現(xiàn)轉(zhuǎn)產(chǎn)400 kt/a合成氨+230 kt/a甲醇。

      2 整體改造工藝路線分析

      600 kt/a甲醇裝置之醇線轉(zhuǎn)氨線改造,從系統(tǒng)整體物料平衡來說,甲醇合成生產(chǎn)線與氨合成生產(chǎn)線的主要區(qū)別在于變換系統(tǒng)和氣體凈化系統(tǒng):甲醇合成生產(chǎn)線需將約1/2的粗合成氣變換,其低溫甲醇洗系統(tǒng)分別設(shè)置變換氣洗滌單元和未變換氣洗滌單元,未變換氣與部分變換氣配氣經(jīng)低溫甲醇洗系統(tǒng)凈化后作為甲醇合成系統(tǒng)的原料氣;氨合成生產(chǎn)線則需將粗合成氣全部變換,單獨設(shè)置變換氣的低溫甲醇洗系統(tǒng),將全變換線變換氣經(jīng)凈化后作為氨合成系統(tǒng)的原料氣。因此,要實現(xiàn)600 kt/a甲醇裝置約2/3的粗合成氣用于生產(chǎn)合成氨,需對其未變換線進行改造,即新增變換爐,提高粗合成氣變換的比例,同時對低溫甲醇洗系統(tǒng)進行擴產(chǎn)改造。改造前甲醇裝置工藝流程示意圖見圖1,改造后主生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖2。

      圖1 改造前甲醇裝置工藝流程示意圖

      圖2 改造后主生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程示意圖

      改造的主要內(nèi)容是變換系統(tǒng)新增一段絕熱變換爐,用來將粗合成氣變換的比例由改造前的約50%提高至改造后的約70%,變換氣配部分未變換氣作為甲醇合成系統(tǒng)的原料氣使用;全變換生產(chǎn)線的變換氣,經(jīng)低溫甲醇洗系統(tǒng)脫除CO2和H2S后作為氨合成系統(tǒng)的原料氣,氨合成原料氣配氮在醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置中實現(xiàn),即在合成氨裝置高壓機部分利用空分裝置生產(chǎn)的氮氣進行配氮。改造后氨合成系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖3。

      圖3 改造后氨合成系統(tǒng)工藝流程示意圖

      3 醇線轉(zhuǎn)氨線改造的具體內(nèi)容

      3.1 空分裝置氮氣系統(tǒng)的改造

      由于600 kt/a甲醇裝置配套空分裝置未設(shè)計中壓氮氣系統(tǒng),故醇線轉(zhuǎn)氨線改造需新增中壓氮氣系統(tǒng),以達到氨合成系統(tǒng)所需的合成氣氫氮比為3∶1[2]。整體排查園區(qū)氮氣來源后,決定通過“空分裝置低壓氮氣+部分污氮氣除氧改造”獲取中壓氮氣,中壓氮氣經(jīng)壓縮機加壓后供氨合成系統(tǒng)使用。其中,污氮氣的除氧原理為,在鈀催化劑的作用下,污氮氣中的O2和H2反應(yīng)生成H2O,從而將污氮氣中的O2含量脫至5×10-6以下。

      3.2 變換系統(tǒng)的改造

      變換系統(tǒng)改造需新增的設(shè)備包括原料氣預(yù)熱器、中壓蒸汽過熱器、中壓蒸汽發(fā)生器等,整個系統(tǒng)串聯(lián)在原未變換線內(nèi),通過合成氣調(diào)節(jié)閥控制變換氣與未變換氣的配比[3]。改造后變換系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖4(云線內(nèi)為新增設(shè)備)。

      圖4 改造后變換系統(tǒng)工藝流程示意圖

      醇線轉(zhuǎn)氨線的工藝改造,實質(zhì)上是對原未變換線設(shè)備的改造,新增變換爐的目的是提高變換氣的占比,考慮新增變換爐產(chǎn)出的變換氣要與未變換氣配比作為甲醇合成的原料氣,故不需要選擇深度變換,配套一段絕熱淺變換[4]即可;絕熱變換爐按爐型可分為軸向爐和徑向爐,因徑向變換爐需配套催化劑內(nèi)件,內(nèi)件需要進口,整體供貨周期較長,故本改造擬選擇普通軸向變換爐。

      新增軸向變換爐爐壁材料選擇國產(chǎn)14Cr1MoR+316L復(fù)合板。考慮變換催化劑的使用周期,變換爐設(shè)計氣量取實際氣量的120%,據(jù)變換爐的設(shè)計氣量及設(shè)計參數(shù)等(見表1),取COS轉(zhuǎn)化率>90%、HCN轉(zhuǎn)化率>99%,核算得變換爐內(nèi)需裝填LYB-H型變換催化劑38 m3,進而確定新增變換爐的尺寸為φ3 400 mm。

      表1 新增變換爐有關(guān)設(shè)計參數(shù)

      3.3 低溫甲醇洗系統(tǒng)的改造

      要實現(xiàn)600 kt/a甲醇裝置轉(zhuǎn)產(chǎn)400 kt/a合成氨+230 kt/a甲醇,經(jīng)過對變換氣洗滌塔(T01)和未變換氣洗滌塔(T08)的物料進行核算,得知改造后進低溫甲醇洗系統(tǒng)的變換氣和未變換氣的組分、流量均發(fā)生了變化,具體見表2??梢钥闯觯焊脑旌骉01的進氣量增加約22 000 m3/h,T01負(fù)荷提升約14%;改造后T08進氣量變化不是太大,但T08進口未變換氣的組分變化較大——未變換氣中的CO2含量由16.2%增至34.4%,T08的脫碳負(fù)荷明顯上升。

      表2 改造前后低溫甲醇洗系統(tǒng)進口工藝氣組分的對比

      伴隨著低溫甲醇洗系統(tǒng)處理負(fù)荷的增大——進氣負(fù)荷平均增加約20%,系統(tǒng)液相負(fù)荷、再生負(fù)荷也需相應(yīng)提升[5],經(jīng)計算,需將液相負(fù)荷提升約10%,由于液相系統(tǒng)的設(shè)備余量均已耗盡,欲將進氣負(fù)荷增加約20%的工藝氣洗滌至指標(biāo)合格,只有將循環(huán)甲醇的溫度降低,以提高單位貧液的吸收率。據(jù)此,確定低溫甲醇洗系統(tǒng)擴能改造方案具體如下。

      (1)變換氣洗滌塔(T01)新增1座副塔(T10),T10設(shè)置約30層塔盤的洗滌段,與T01塔出氣串聯(lián);未變換氣洗滌塔(T08)新增1座副塔(T11),T11設(shè)置脫碳洗滌段,與T08塔出氣串聯(lián);同時,為保證系統(tǒng)的冷量平衡,增加2臺繞管式換熱器、1臺氨冷器以及2臺半貧液增壓泵(T08段間甲醇液泵),2臺半貧液增壓泵作為T10洗滌段的噴淋泵。改造后低溫甲醇洗系統(tǒng)冷量消耗會增加約20%。

      (2)為保證低溫甲醇洗系統(tǒng)的CO2解吸徹底,CO2解吸塔(T02)新增1座副塔——CO2輔助解吸塔(T12)。T12分為A、B兩段,A段的作用與T02的A段作用相同,增加T12的目的,一是將T02的閃蒸氣量移出一部分以減輕T02的負(fù)荷,二是增加T12的B段液位高度以保證液相至H2S濃縮塔(T03)的輸送[6]。

      低溫甲醇洗系統(tǒng)主流程改造后,利用Aspen軟件對原有各塔塔盤能力進行核算。經(jīng)核算,變換氣洗滌塔(T01)C段和D段由于氣速增大,液泛率較高,故需對T01的塔盤進行更換;由于進入尾氣水洗塔(T06)的尾氣甲醇含量增大,需增大氣液接觸面積,T06的塔盤需進行更換;熱再生塔(T04)、甲醇水分離塔(T05)、氮氣氣提塔(T07)、未變換氣洗滌塔(T08)由于原始設(shè)計塔盤就有20%的余量,其能力可滿足改造后的生產(chǎn)所需,故無需更換塔盤。

      3.4 甲醇裝置與醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的對接

      醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置,聯(lián)產(chǎn)的目的為將甲醇合成作為氨合成的凈化工序,利用低壓聯(lián)醇和高壓聯(lián)醇分別去除合成氣中的CO和CO2,與現(xiàn)有以低溫甲醇洗、液氮洗為凈化單元的氨合成工藝對比,主要區(qū)別是凈化氣組分的差異;將以低溫甲醇洗、液氮洗為凈化單元的合成氣與醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置相結(jié)合,整體工藝敘述為,從低溫甲醇洗工段復(fù)熱后的H2,與來自空分裝置除氧加壓后的氮氣在高壓段壓縮機進口處混合,緩沖后送入烴化系統(tǒng)和氨合成塔。

      4 醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的噸氨電耗估算

      600 kt/a甲醇裝置之醇線轉(zhuǎn)氨線改造后,由于原料變化不大,涉及到的公用工程(主要為水、電)消耗與合成氨原料氣消耗及催化劑使用量等方面的增量,其中以用電量變化最大且對整個裝置能耗的影響最為明顯,故此處僅對醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置的噸氨電耗進行測算:空壓機電耗4 kW·h、新增中壓氮氣系統(tǒng)電耗20 kW·h、冰機電耗26 kW·h、低壓機電耗70 kW·h、高壓機電耗180 kW·h、烴化電爐電耗25 kW·h、中壓甲醇循環(huán)機電耗7 kW·h、合成循環(huán)氣壓縮機電耗38 kW·h、循環(huán)水系統(tǒng)電耗30 kW·h,合計醇氨聯(lián)產(chǎn)合成氨裝置噸氨電耗400 kW·h??梢钥闯觯瞄e置醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置進行600 kt/a甲醇裝置之醇線轉(zhuǎn)氨線改造,改造后的合成氨裝置噸氨電耗,與采用液氮洗等先進技術(shù)的合成氨裝置噸氨電耗320 kW·h[7]相比,還是有一定差距的,但相較于先進合成氨裝置需新增液氮洗和低壓氨合成系統(tǒng)的設(shè)備及安裝等工程投資來說,采用上述改造方案及工藝路線的投資回收期會大大縮短。

      5 結(jié)束語

      就當(dāng)前甲醇和液氨的市場形勢來說,生產(chǎn)甲醇的效益明顯弱于生產(chǎn)合成氨的效益,該600 kt/a甲醇裝置,結(jié)合自身園區(qū)裝置的特點(有1套閑置的醇氨聯(lián)產(chǎn)國產(chǎn)化合成氨裝置),在原有裝置的基礎(chǔ)上進行甲醇裝置之醇線轉(zhuǎn)氨線的工藝改造,可在不新增原料煤、燃料煤和公用工程消耗的情況下構(gòu)建“一頭兩尾”的柔性生產(chǎn)模式,從而可根據(jù)市場和產(chǎn)品盈利情況進行生產(chǎn)調(diào)節(jié),本工藝路線改造的技術(shù)可行性高,經(jīng)濟效益明顯,利于實現(xiàn)企業(yè)效益的最大化。

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