大合成氨技术

目前，国内合成氨最大的单系列装置规模为50万吨/年,一套大装置固定资产投资相比两套小装置可以节约30%,如以天然气或煤为原料生产30万吨/年合成氨，最终生产尿素52万吨/年项目为例两套小装置估算投资50亿,一套大装置50万吨/年合成氨投资为35亿，化工装置的规模效益还是比较明显的。

典型先进的大合成氨工艺技术主要以TOPSOE-托普索、CASALE-卡萨利、KBR-Kellogg凯洛格等技术为代表。卡萨利氨合成塔内件采用轴径向，而托普索氨合成塔内件采用径向，两者都是三床两换热。相比较两者的能耗差不太多，卡萨利需购买专有塔内件，托普索需购买专有催化剂，且催化剂用量过剩50%，卡萨利工艺较好（多用于原装置改造），价格上占着很大优势，在国内市场份额大，30万吨左右的规模大部分采用卡萨利；50万吨规模的托普索和KBR占比较大，特别是KBR，虽然能耗有点大，但近年大项目多采用此技术。

一、国内应用情况：

托普索：云南沾化5080 、云南云维50万吨、塔里木石化45万吨； KBR：福岛二期50、中石油塔里木大化肥45万吨、大庆石化66万吨、重庆建峰4580 、江苏灵谷4580；

卡萨利：呼伦贝尔金新5080、贵州开阳、河南晋开。

国内工程设计院以成都化八院、合肥化三院业绩为主流。化八院做的气头项目都是大型项目，并且采用国外的技术、设备。化三院以国外二手关键设备位基础，整合设计出国内首套煤头大化肥装置。

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二、大合成氨技术特点：

1、TOPSOE-托普索技术（煤、天然气） 托普索的工艺特点：

①100%径向流通过催化剂床层，全塔压降低至2.5kg/cm左右； ②径向流穿过所有床层，催化剂利用率高；

③气体间通过床间换热器换热，没有激冷装置，避免稀释转化气； ④氨净值很高，超过18%；

⑤专利隔栅式塔内件，气体分布均匀，机械强度高，寿命超过20年； ⑥专有触媒筐顶部设计，不会因后期催化剂下沉造成气体短路现象； ⑦合成塔温度控制方便，操作稳定，弹性大；

⑧在整个合成塔回路设计上的经验丰富，系统优化好，总体能耗低。 托普索一般推荐使用自己的催化剂（第一炉）。其催化剂特点是性能优异且寿命长，而且同一家提供技术和催化剂，不会出现有疑问后技术服务相互推诿的情况，也很受客户欢迎，但因价格偏高在国内受到不少诟病。

TOPSOE-托普索两塔三废锅氨合成(简称S-250系统)流程示意图：

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图上注有温度和压力等操作参数的具体数值。托普索S-250系统由无

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下部换热的S-100型塔和S-50塔串联组成。该系统还包括:①废锅和锅炉给水回收废热;②合成塔进出气换热器,水冷器,氨冷器和冷交换器,氨分离器及新鲜气氨冷器等。

2、CASALE-卡萨利技术（煤、天然气）

卡萨利全球的业绩主要是靠旧塔改造，只针对塔内件，不对整个合成回路进行改动，所以在装个装置的优化方面经验少些。卡萨利在上海有合作的工程公司，价格便宜些，而且客户对催化剂有更大的选择权，所以，在中国还是比较成功的。

卡萨利氨合成塔内件应该是分为A型和B型，都是三床层，只是换热方式不一样，A型是床间之间换热和冷激混合使用，B型是三床层两换热。

CASALE-卡萨利轴径向氨合成工艺流程示意图：

来自循环压缩机的原料气进入热交换器E-3,被来自锅炉给水预热器E-2的气体加热至180～240℃,进入合成塔E-1,在催剂作用下进行反应,出口处氨含量为19%～22%(体积)。出合成塔的合成气,温度为400～450℃,经废锅E-1和锅炉给水预热器E-2回收热量,产生10MPa高压蒸气(每

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生产1t氨可产1t以上高压蒸气)。由E-2流出的合成气进入换热器E-3的壳程,被管程的循环气冷却,再送往水冷器E-4,部分氨被冷凝下来,气-液合成气混合物进入换热器E-5,被来自氨分离器Y-1的冷循环气冷却,然后进入两级氨冷器E-6,E-7,在E-7中,液氨在-10℃下蒸发,将气-液合成气混合物冷却冷凝至0℃,采用两级氨冷的目的是为了降低氨压缩的能耗。液氨在氨分离器Y-1中被分离,气-液合成气混合物变成冷循环气,它经E-5升温至30℃后进入循环压缩机。液氨经减压后送往氨库或生产装置,弛放气由E-5出口引出送往氢回收装置,用低温冷冻法或膜分离法进行分离,回收其中的氢。合成塔为叠合式催化剂床的立式合成塔,第1催化剂床内气体基本上以轴向方式流动,第2床内是以径向流动,能成功地获得低压降。塔内操作压力14.78MPa,进(出)塔气体温度182(422)℃,氨净值>14%。卡萨里技术已在中国10多个中型合成氨厂应用,操作实践表明,该技术具有催化剂和热能利用率高,节能效果好,操作、安装、维修简单、安全可靠等优点。

3、KBR-Kellogg凯洛格技术（煤、天然气） KBR技术，设备数量最少，合成回路压降最低(0.8 MPa)，在线率最高（平均97.5%），而且没有专有设备和专有催化剂。煤制合成氨优点如右图示：

KBR-Kellogg日产千吨合成氨装置中合成塔反应后的氢、 氮、氨等混合气体，在合成气压缩机（103－J）循环

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段与新鲜气混合后，经过水冷和氨冷，在进入合成塔塔前进行氨的分离，即塔前分氨。许多装置经过增产节能改造后，氨生产能力由原来的1000 t/d增加到1150 t/d左右，要再增加氨产量，合成系统和冷冻系统是制约负荷和消耗的瓶颈之一。氨合成示意图：

三、TOPSOE-托普索和KBR-Kellogg凯洛格技术比较（天然气） 1、工艺装置规模

序号 装置名称 产品名称 设计生产规模*

t/h t/d 104

t/a 1 合成氨 无水液氨 62.5 1500 45 2

尿素

尿素

110 20 80 大颗粒尿素 大颗粒尿素

110

20

80

2、合成氨装置消耗定额

序号

名称

单位消耗定额（吨氨消耗） Topsoe工艺 KBR工艺 原料天然气

Nm3 6.9 782.8 天 一段炉燃料 Nm3 290.4 66.4 1

然 快锅燃料 Nm3

34.2 15.4 气

燃气透平天然气 Nm3

140.6 天然气总计

Nm3

9.5 1005.2 2

电

kWh

71.23

10.299

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5

3 4 5 6 7

冷却水 脱盐水

中压蒸汽（输出） 低压蒸汽（输出） 冷凝液（输出）

t t t t t

208.6 5.34 -1.815 -0.008 -2.24

152 4.802 -1.949 -0.374 -1.734

3、尿素装置消耗定额 (吨大颗粒尿素消耗)

项目 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 名 称 液氨（100%NH3） CO2（100%CO2） 冷却水（△T=9.6 °C） 电 单位 kg kg m3 kWh 吨产品消耗量 Topsoe工艺KBR工艺 568 734 63.9 58.7 738.5 -334.7 -318.3 12.15 568 744 102.68 55 955 -271 -268 -691 12.15 中压蒸汽 2.37 MPa（g），320kg ℃工艺蒸汽4.55 MPa（g），387Ckg 蒸汽冷凝液 工艺冷凝液 透平冷凝液输出 甲醛溶液37％(wt) kg kg kg kg 4、KBR技术应用实例

云天化公司改造总结：在实施装置第3次增产改造过程中，针对合成系统和冷冻系统的制约，充分利用现有设备、管道，降低投资，采用将合成氨分氨工艺由塔前分氨改为塔后分氨的措施，成功解决了合成系统和冷冻系统这 2个瓶颈，实现了氨产量由1150t/d增产到1500t/d的改造目的。 云天化合成氨装置1500t／d增产改造从 2000年启动，计划氨产量从1150t/d增加到1500t/d， 增产30％。改造前，合成氨装置存在许多影响装置高负荷运行的瓶颈问题， 其中合成系统压力高和冷冻系统105－J负荷高是增产改造必需解决的2个问题。在改造的基础设计中，氨产量增加30％，进入合成系统的新鲜气和103－J出口循环气量均大幅度增加，冷冻系统负荷也增加较多，合成系统和冷冻系统均需要改造，如果合成系统众多高压设备更换成能力更大的以及冷冻系统也相应改造，投资将是巨大的。 在进行投入产出的方案比较中，设计承包商KBR公司提出将合成系统氨分离工艺由原来的合成塔塔前分氨工艺改为塔后分氨工艺，在氨产量达到日产 1500t／d的工况下， 103－J入口的新鲜气量同等增

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加 30％，而103－J高压缸出口循环气量只比改造前略有增加，同时取消了改造前的弛放气氨冷器125－C。这样，冷冻系统负荷与改造前大体相当， 不需进行改造即可达到1500t/d氨分离所需的冷量，从而实现了会成系统大部分高压设备不改和冷冻系统不改造的目的，节约大量投资。 2合成塔塔前分氨工艺及特点 1） 工艺描述。进入合成系统的新鲜气进103低压缸，压缩后气体依次经过3 个换热器（136－C、116－C、129－C），进入分离罐（105－F）分离出水分，气体进入高压缸，在高压缸的最后一级叶轮与合成回路来的循环气汇合，经压缩后进入合成回路。 103－J高压缸出来的循环气进入2台并联的水冷器（12－CA。124－CB），出来后分成两路，一路经过两级氨冷器（117－C。118－C），另一路经合成塔进气／循环气换热器（120－C） 冷却后，两路混合进入第 3级氨冷器（ 119－C）冷却到－ 23℃，气氨大部分液化下来，在高压液氨分离罐（106－F）内分离，液氨减压过人冷冻系统，气体则先经过120－C与先前的一路循环气换热，然后又进入合成塔进出口换热器（121－C），预热到120℃左右，进入合成塔。 合成氨反应后的混合气体，经合成塔塔顶内部换热器（122－C）换热后，首先经过2个串联的锅炉给水换热器（123一C、123－C1）加热锅炉给水，又在121－C与进塔气体换热，气体被冷却后，大部分返回到103－J高压缸循环段，与新鲜气混合，完成整个合成回路的循环。另外一小部分经过弛放气氨冷器（125－C）被液氮冷却，在吹出气分离罐（108－F纷离液氨后，液氮进入氨贮槽（107－F），气体则进入普里森系统回收氢气和氨，或者送入一段炉做燃料。 2）特点。①经过合成塔反应后的混合气体，反应生成的氨末被分离，含有H2、 N2、 NH3和少量精气的混合气体经换热后进入103－J循环段，103－J的循环气体量大，功耗高。②103－J出口循环气中含有的微量水分和随循环气带出的少量103－J 密封油，经过三级氨冷后，温度降到－23℃，在106－F内得到有效分离，从而避免了气体中带有油和水分进入合成塔，使[wiki]催化剂[/wiki]中毒，有效保护了合成塔催化剂。 3合成塔塔后分氨工艺及特点 1） 工艺描述。塔后分氨工艺为了避免合成塔催化剂水汽中毒和降低能耗，在 103－J高、 低压缸之间增加了一套分子筛干燥器系统，吸附合成气中的水和CO2，将气体中的水分降到0．1mg/L以下。这样，103－J出口循环气可以直接进入合成塔。该分子筛系统包括2个分子筛干燥容器，2个过滤器及一套再生系统，一个运行，一个再生。 被分子筛干燥器吸附了水和COZ的合成气， 进人103－J高压缸，然后在循环段与合成回路返回的循环气混合，压缩到设计压力，出来后进入新

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安装的油过滤器，分离气体中夹带的微量密封油， 然后经过121－C，预热后进入改造后的托普索S－ 200型合成塔。 从合成塔出来反应后的合成气体，串联进入新增的锅炉给水换热器（123－CA）和（ 123－C1） ，冷却后进入121－C壳侧，再并联经过2个增大了换热面积的水冷却器（124－CA／CB） ，冷却到35℃，出来后分两部分，一部分经过120－C壳侧，另一部分串联经过117－C和118－C，两股气体在119－C前汇合进入119一C。 119－C出来混合循环气，被冷却到－23℃，进入106－F，液氨被分离下来通过液位调节阀LC－13， 减压后进入冷冻系统。气体则从106-F上部出来，进入120－C 管侧被预热，然后返回103-J循环段，完成整个循环。 改造后取消了原来的弛放气抽出气氨冷器（125－C）和吹出气分离器（108－F）。 改造后的弛放气从120－C 到103－J循环段的循环气体中抽出，进入弛放气系统或普里森氢回收系统，在循环气进入120－C前设一旁路，用来调节弛放气温度。 2） 特点。①经合成塔反应后的混合气，经过三级氨冷，将大部分氨分离下来后，返回103－J循环段的循环气体要减少，103－J所需的压缩功减少。②弛放气的抽出更简单， 只需在120－C和103－J循环段之间引出一股气体，用增加的 120－C 旁路调节弛放气温度。取消塔前分氨工艺中的125－C和 108－F。 4塔前分氢和堵后分氨工艺特点的比较 1） 塔后分氨工艺与塔前分氨工艺相比。返回103－J循环段的循环气体量低10 ％以上，103－J所需，的耗功减少，节约能耗。 2） 塔后分氨工艺在103－J高低压缸之间增加了分子筛干燥系统，脱除气体中含有的微量水分和碳氧化物，将合成气体露点降到一40℃以下，避免了循环气体在 103－J高压缸循环段和三级氨冷器中生成甲按结晶，保护了设备。 3） 塔后分氨工艺的开车比塔前分氨工艺更方便，103－J开车前就可以将冷冻系统三级闪蒸槽（ 110－F、 111－F、112－F）建立正常液位，而木必像塔前分氨工艺那样， 要等到合成塔升温到热点温度（300℃）时才能建立111－F、112－F液位，合成塔暖塔时也不需要开注氨泵（120－J）向合成气中注氨。 4） 塔前分氨工艺中，合成氨反应后的合成气经过三级氨冷，将温度降到一23 ℃， 在106－F中将液氨分离后再进入合成塔， 随循环气带出的103－J密封油，在 106－F中被有效分离下来，避免了油被带入合成塔，较好地保护了合成塔催化剂。而塔后分氨工艺中，出口循环气经过油过滤器，与121－C换热后，直接进入合成塔，气体中夹带的103－J密封油比塔前分氨工艺容易带入合成塔，造成合成塔上部催化剂中毒，若遇103－J漏油或油过滤器失效更甚。 5改造内容 氨合成塔塔后分氨工艺的实施，

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是与氨产量增加1500 t／d结合起来进行的，改造的主要内容有： 1）103-J高低压缸之间增加了2套分子筛干燥系统和1套再生系统。 2）103－J高压缸出口增加了1个油过滤器（169－F）。 3）增加了103－J高压缸防喘振水冷器（134－C）。 4）124－CA／CB改为更大换热面积的换热器。 5）取消原来的125－C和108－F。 6） 取消原来的锅炉给水换热器（123－C），改为新的123－CA，在123－CA和原有的123－C1锅炉水之间增设调温和联锁旁路系统。 7）103－J因增产的需要改造高低压缸转子及内件。 8） 合成塔因增产的需要由原来的卡萨利四层轴径向塔改为托普索S－200型两层两换热径向塔。 9）部分管道、阀门、调节仪表团增产和工艺路线的改造而更换。 6改造后装置运行情况及存在问题 增产改造于2002年11月万日停车开始，2003年1月29日装置恢复出氨，历时2个多月，由于天然气供应紧张等原因，装置于2月26日首次实现氨产量达到1500 t/d，系统优化调整后， 3月科日再次将工艺负荷加到日产氨1500 t，从改造后合成系统和冷冻系统的运行情况来看，103－J的耗功比改造前有所增加，105－J负荷与改造前相当， 2个系统均能达到并超过设计能力，并且操作维护比改造前简单一些，说明合成系统改为塔后分氨工艺是完全成功的。 ①开车阶段， 由于塔后分氨工艺中 103－J循环气出口不经过水冷和氨冷，合成塔暖塔比改造前所需时间大大缩短。② 合成系统开车初期对冷冻系统的要求更简单， 105－J开车后即可建立3个闪蒸槽液位，有利于冷冻系统的操作维护。③弛放气的抽出和控制比改造前更方便，避免了 108－F带液影响普里森洗涤系统的操作运行。 但也存在一些问题： ①合成塔床层温度的控制比改造前难一些，一是第2层冷激阀MIC－14内漏量大， 开车过程中升温控制较难；二是托普索S－200型塔在调节第2层入口温度时对第1层人口温度有影响， 调节时要相互兼顾2层床层温度。②若遇106－F液位调节阀LC－13故障或液位指示出错等原因造成带液，对于改造前的塔前分氨工艺，液氨被带人合成塔，会引起合成塔床温下降，反应减少，合成系统压力升高。而对于改造后的塔后分氨工艺，液氨将被带入到103－J循环段，对103－J 造成设备损坏，因此，改造后对106－F的操作维护应更精心，防止106－F带液，保护103－J的安全运行。

2012-5-7

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