合成氨装置简介和重点部位及设备
一、装置简介
(一)装置发展及其类型
世界上第一座合成氨生产装置始于1913年。我国首套合成氨生产装置建于20世纪30年代。到70年代初，我国运行的合成氨生产装置绝大多数仍为以煤(焦)为原料，采用固定床制气技术的中、小型装置。世界上，60年代起，大型合成氨生产装置由于具有工艺流程短、热利用率高、自动化水平高、单系列、运行时间长等优点，得到快速发展。我国从1973年开始，从美国、日本、法国引进了13套日产合成氨1000t的大型合成氨生产装置。这些装置均采用烃类蒸汽转化制气工艺技术，其中以天然气为原料的有10套(其中两套后来改用轻油)；以轻油为原料的有3套。1978年以后，又引进了以渣油、煤为原料，采用部分氧化制气工艺技术的大型合成氨生产装置。
合成氨装置生产工艺技术因原料制气、气体净化、氨合成工艺不同而有多种工艺技术。原料气化有：煤(焦)固定床气化工艺；煤(焦)气流床气化工艺；渣油、水煤浆部分氧化制气工艺；烃类(轻油、天然气)蒸汽转化制气工艺。气体净化工艺种类繁多。硫化物脱除分为固定床吸附(如氧化锌吸附)和溶液吸收(如：乙醇胺法、甲醇法、NHD法)。一氧化碳变换工艺可分耐硫变换工艺和非耐硫变换工艺。二氧化碳脱除可分为化学吸收法(如：G•V法，苯菲尔法)和物理吸收法(如：低温甲醇法、NHD法)。气体精制工艺可分为“热法精制”(甲烷化工艺)和“冷法精制”(低温液氮洗或深冷净化工艺)。氨合成工艺按压力等级，可分为高压法、中压法、低压法；按合成塔的气体流向，可分为轴向塔和径向塔；按床层换热方式，可
分为内部换热式、中间换热式和中间冷激式。
世界上，由于合成氨原料成本价格不断上升，合成氨工艺技术目前向低能耗发展。出现了多种低能耗合成氨工艺技术。其中，以天然气为原料的蒸汽转化低能耗制合成氨装置，其能耗已降到28CJ／t.NH3的水平。
(二)装置的单元组成与工艺流程
1，组成单元
合成氨装置因工艺技术不同，组成的单元也不同。现介绍以烃类蒸汽转化制气工艺技术生产合成氨装置的情况。装置由硫化物脱除(简称脱硫)、烃类蒸汽转化制气(简称转化)、一氧化碳变换(简称变换)、二氧化碳脱除(简称脱碳)、气体精制(简称甲烷化)、氢、氮气压缩（简称压缩)、氨的合成(简称合成)七个单元组成。各单元介绍如下：
(1)脱硫
烃类原料(天然气、炼厂气、轻油等)与氢气混合进行加氢反应，将原料中的不饱和烃、有机硫化物转化为饱和烃、硫化氢。再由氧化锌脱硫剂吸附，除去原料中的硫化物。如原料中硫含量过高，则在脱硫单元中增加予脱硫装置。
(2)转化
原料中的碳氢化合物先与蒸汽，后加空气发生转化反应，得到含H2、CO、C02、CH4、N2等的气体。并回收热量，产生高压蒸汽。
一段转化反应需要的热量由燃料气(油)燃烧提供。
(3)变换
转化气中CO与水蒸气反应生成H2和C02。
(4)脱碳
采用碳酸钾溶液循环吸收、再生的方法，除去工艺气中C02，并将再生出来的高浓度C02送到尿素装置作为原料。
(5)甲烷化
将工艺气中微量的CO、C02与H2反应生成甲烷，从而得到合成氨生产所需要的纯净的N2、H2气。
(6)压缩
通过合成气压缩机将工艺气压力提高，补充入氨合成循环回路。并提供氨合成回路气体循环需要的动力。
(7)合成
氢、氮气在高温、高压下反应生成NH3。反应后的气体经冷却、冷凝分离出液氨，未反应的氢、氮气与补充的新鲜气循环回合成塔。基本循环流程：合成一热回收一冷却一冷凝一氨分离一换热一循环升压一合成。
合成循环回路中需要的冷量由氨冷冻系统提供。
2．工艺流程
工艺流程说明：工艺原则流程见图7-1。
工艺流程从原料到氨的合成，共分七个工序。
(1)脱硫
含少量硫化物的原料(天然气、轻油等)经原料压缩机(泵)升压到4MPa(表)，与少量从合成气压缩机来的合成气混合，经加热，进入加氢反应器，将有机硫化物转化为H2S。然后进入氧化锌脱硫槽吸附H2S，使原料气中的硫含量降到<0．2mg／m3以下。脱硫后的气体送去转化。
(2)转化
脱硫后的气体与水蒸气混合进入一段转化炉炉管内，在镍催化剂作用下，进行烃类蒸汽转化反应，出口温度达800℃左右，出口气体中CH4含量达8％左右。工艺气再进入二段转化炉，与适量空气混合燃烧，在镍催化剂作用下，继续进行甲烷转化反应，使出口气体中甲烷含量降为0．3％。高温转化气再进入废热锅炉，回收热量，产生高压蒸汽。
一段转化炉炉膛内设有顶(或侧)壁烧嘴，由燃料气(油)燃烧，提供转化反应需要的热量。
(3)变换
从转化来的气体温度约360℃，先进入高温变换炉，反应后出口气体中CO达3％左右。气体经换热后，温度降到220℃，再进入低温变换炉，出口气体中CO降到0．4％左右。然后去脱碳系统。
(4)脱碳
变换来的气体含C02约20％，进入二氧化碳吸收塔底部，与热碳酸钾溶液进行逆流接触吸收。吸收塔出口工艺气中C02下降到<0．1％，经分离后进人甲烷化系统。
碳酸钾溶液在再生塔内通过减压，加热再生。再生后的溶液回到吸收塔，循环使用。再生出来的C02气，降温后，送往尿素装置。
为提高吸收、再生效率，一般采用两段吸收、两段再生。
(5)甲烷化
脱碳后的气体经换热后进入甲烷化炉，在镍触煤作用下，CO和C02与H2反应生成CH4和H20。出口气体中CO加C02含量达lOmg／m3以下，送往压缩机入口。
(6)压缩
甲烷化来的工艺气体，压力为2．5MPa(表)，工艺气经合成气压缩机加压后送到氨合成系统。一般合成气压缩机采用二段或三段压缩，用蒸汽透平驱动。其出口压力视氨合成系统而定，一般为20-25MPa(表)。
合成气压缩机高压缸还设有一个循环段，新鲜气与循环气混合后，经循环段升压后回到氨合成系统。
(7)合成
合成气压缩机循环段出口气体，经换热后进入氨合成塔，在高温、高压及催化剂的作用下生成氨。合成塔出口气体中含NH318％左右，温度320—350℃，经给水加热器，热交换器、水冷却器、氨冷器，降温到O℃左右，进入氨分离器，分离出液氨。分离后的气体经冷交换器、热交换器提高温度后，去合成气压缩机循环段，升压后继续进行循环。分离出来的液氨经减压，解吸出溶于液氨中的气体后，送到氨罐。
为控制循环气中的惰性气体浓度，循环气体中排出一部分气体，吹出气经氨回收，氢回收后，用作燃料。循环系统中，氨冷器的冷量，由一套氨压缩机组成的冷冻系统提供。
(三)化学反应过程
1．脱硫
烯烃、硫化物加氢反应如下：
2．转化
烃类与蒸汽转化反应如下：
3．变换
一氧化碳与水蒸气反应如下：
4．脱碳
碳酸钾溶液吸收(再生)二氧化碳反应如下：
5．甲烷化
甲烷化生成反应如下：
6．合成
氨的合成反应为可逆放热反应，必须在高温、高压、催化剂存在下进行，其反应如下：
(四)主要操作条件及工艺技术特点
1．主要操作条件
因采用的原料、催化剂、设备不同，工艺操作条件不尽相同，表7—1列出主要操作条件的范围。
表7—1合成氨装置主要工艺操作条件
2．工艺技术特点
采用烃类蒸汽转化制气技术，采用两段变换、碳酸钾溶液脱碳、甲烷化气体净化技术以及中压合成氨技术，工艺流程短。设备采用单机组、单系列，设备性能可靠，可实现长周期连续运行。装置的能量利用较合理，生产过程余热利用充分，能耗较低。采用集中自动控制、自动联锁系统，装置自动化水平高，操作安全可靠性高。
(五)催化剂
合成氨装置工艺过程中采用了加氢催化剂、硫吸收剂、一段转化催化剂、二段转化催化剂、高温变换催化剂、低温变换催化剂、甲烷化催化剂、氨合成催化剂共八种催化剂。催化剂由于型号不同、生产配方不同，其性能、特性也不同。各种催化剂的一般组成见表7—2。
(六)原料及产品特性
1，原材料特性
合成氨装置采用的原料为天然气(或石脑油)，燃料为天然气、炼厂干气、液化气(或柴油)，主要的材料有碳酸钾、氨基乙酸、二乙醇胺及五氧化二钒。其主要安全特性见表7—3。
表7—3合成氨原材料主要特性表
2．产品性质
产品为液氨，生产过程中还存在氢气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、氮气等中间产物。其安全性质见表7—4。
二、重点部位及设备
(一)重点部位
1．转化系统
转化系统由一段转化炉、二段转化炉、废热锅炉以及燃料燃烧、烟气废热回收设备组成。高温设备集中，一段炉炉膛高达1300℃，二段炉出口950℃，废热锅炉产生1OMPa(表)高压蒸汽。设备内为易燃、易爆气体，压力达4MPa(表)。
转化系统是装置中的高温区，其特点是高温、高压、易燃、易爆、有毒。若发生超温，易造成设备损坏，工艺气体泄漏，而引发重大火灾，爆炸事故。
2．合成系统
合成系统由合成塔、水加热器、热交换器、冷交换器、水冷器、氨冷器、氨分离器等高压设备组成。是装置中高压设备集中的区域。设备压力等级一般为20-25MPa(表)。设备内工艺介质为H2、N2、NH3等。
由于压力高，设备发生泄漏，易造成火灾、中毒、爆炸事故。如设备存在缺陷或产生氢脆、产生裂纹，在发生物理爆炸的同时，还可发生化学爆炸，往往造成灾难性的后果。
(二)重点设备
1．一段转化炉
一段转化炉承担着将原料烃类与蒸汽发生反应制取原料气的任务。其操作、运行是否正常影响到整个装置的安全运行，是装置中结构复杂，操作条件苛刻的关键设备。一段转化炉由辐射段、对流段及燃料系统组成。辐射段一般有几百根转化炉管，炉管内装填催化剂，烃类与水蒸气在炉管内反应。炉管外用燃料气(油)燃烧形成的火焰直接加热，炉管外壁温度高达900～950℃，炉管内压力为4MPa(表)，运行条件比较苛刻。对流段为有效回收热能，采用多种工艺物料与烟气换热，换热方式较复杂。一段转化炉在生产中，如发生催化剂中毒、结碳，水碳比失调，燃料系统故障、炉管超温等都可造成事故。如发生设备损坏、泄漏还可引发重大火灾、爆炸事故。
2．压缩透平机组
合成氨装置有合成气压缩机、氨气压缩机、工艺空气压缩机、原料气压缩机四大机组，采用离心式多级压缩机组，用蒸汽透平驱动。原料气压缩机压缩气体为天然气或干气，出口；压力4MPa(表)；氨气压缩机压缩气氨，出口压力1．6—1．8MPa(表)；工艺空气压缩机压缩空气，出口压力4MPa(表)；最重要的是合成气压缩机，压缩气体为H2、N2气体，出口压力一般为20—25MPa(表)，采用10MPa(表)高压蒸汽透平驱动，转速可达11000r／min，被称为合成氨装置的“心脏”。
大机组一般在高温、高压、高转速下运行，密封、润滑条件要求高，调节控制系统复杂。运行中如发生喘振、气体带液、轴瓦磨损、密封损坏、轴位移高等都可造成机组故障。由于结构复杂，维护保养、检修安装要求高。如维护不当，检修安装未达到精度标准，也容易发生设备故障。而四大机组均为单系列运行，无备用机组，任何一台机组的停机，都可造成全装置停车。而且泄漏出来的NH3、H2、N2，原料气还可造成重大的火灾、爆炸、中毒事故。
3．合成塔
合成塔是装置的主要设备，氢气与氮气在合成塔内反应生成氨。合成塔是高温、高压设备，工作压力20～25MPa(表)，反应温度500℃左右。由承受高压的外壳及承受高温的内件组成。内件由热交换器及触煤筐组成，触煤筐内充填合成触煤，内件结构比较复杂。
合成塔运行中，如发生触煤中毒、触煤超温、入塔H2／N2比失调等，可造成装置运行不正常或停车。塔内件如压差过大，可引起内件变形，而造成重大设备事故。
氮气、氢气在高温、高压下会对金属材料发生渗氮、氢脆脱碳腐蚀。外壳发生超温，是十分危险的，可使设备材料遭受破坏，造成灾难性的后果。