天然氣組分對(duì)合成氨裝置的影響

楊 川

（云南水富云天化有限公司合成車間，云南水富 657800）

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天然氣組分對(duì)合成氨裝置的影響

楊 川

（云南水富云天化有限公司合成車間，云南水富 657800）

云南水富云天化有限公司合成氨裝置主要是以天然氣為原料，若天然氣的組分發(fā)生較大改變時(shí)，則原料氣對(duì)裝置的參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。針對(duì)天然氣組分改變后對(duì)合成氨裝置產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化操作。

合成氨；天然氣；組分

云南水富云天化有限公司合成氨裝置采用凱洛格布朗工藝，以天然氣、空氣和水蒸氣為主要原料生產(chǎn)合成氨。經(jīng)過(guò)多次技術(shù)改造及增產(chǎn)改進(jìn)后，生產(chǎn)能力達(dá)到1 500 t／d。

2012年8月18日，由于下載中貴線的天然氣，合成氨裝置的系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)當(dāng)班人員的調(diào)整，裝置逐漸穩(wěn)定，但現(xiàn)在的工藝參數(shù)與以前相比有了較大的改變

1 對(duì)天然氣的組分與相關(guān)數(shù)據(jù)的分析

1.1 天然氣的組分與參數(shù)

由于下載中貴線天然氣，天然氣組分發(fā)生改變，并網(wǎng)前后的相關(guān)參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 并網(wǎng)前后的天然氣組分及相關(guān)參數(shù)的對(duì)比［1］［2］Table 1 Comparison the natural gas components and related parameters before and after merge network

從表1中看出，天然氣并網(wǎng)后，天然氣原料中組分變化最大的是甲烷，從97.3%下降到了89.6%；其次是乙烷、丙烷其它高級(jí)烴的組分也相應(yīng)有所增加，但由于含量較少，影響較小。天然氣組分的改變對(duì)工藝負(fù)荷有直接的影響。另外，由于天然氣中的烴組分含量變化較大，天然氣的制氫量和二氧化碳產(chǎn)量也有較大影響。

1.2 合成氨裝置的工藝參數(shù)

天然氣組分變化前后，在相同氨產(chǎn)量（FQI－36）下的裝置工藝參數(shù)的對(duì)比情況見表2。

表2 天然氣組分變化前后工藝參數(shù)對(duì)比［1］Table 2 Comparison the process parameters before and after gas composition change

從表2中看出，當(dāng)氨產(chǎn)量為裝置滿負(fù)荷下的產(chǎn)量時(shí)（63.5 t／h），并網(wǎng)后的天然氣量消耗減少，F(xiàn)IC－1的量減少到28.2 t／h，但空氣量基本沒有變化，二氧化碳產(chǎn)量增加了。天然氣組分改變后，F(xiàn)IC－1減少，是因?yàn)閱挝惑w積的天然氣制氫量和含碳原子數(shù)都增多了，生產(chǎn)相同的合成氨用的天然氣體積必然減少。FIC－1實(shí)際上經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的，它是通過(guò)限流孔板測(cè)量出體積流量，再乘以一個(gè)系數(shù)，經(jīng)過(guò)溫壓補(bǔ)正后得到的，所以消耗天然氣體積的減少便造成了FIC－1的測(cè)量值減少。

1.3 噸氨耗天然氣

噸氨耗天然氣是指裝置每生產(chǎn)一噸合成氨所消耗的天然氣體積量。生產(chǎn)的合成氨包括普里森裝置回收的馳放氣中的氣氨，這部分氣氨對(duì)噸氨耗天然氣影響較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算忽略這部分氣氨。所以，噸氨耗天然氣大約為FI－98B／FQI－36的數(shù)值。通過(guò)查找月報(bào)可知，天然氣并網(wǎng)前滿負(fù)荷下的噸氨耗天然氣為900～910 m3／t，2013年4月份的工藝考核為值907.44 m3／t。

以滿負(fù)荷生產(chǎn)為例，由于天然氣摩爾質(zhì)量的增加，若系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷相同，則天然氣的體積流量必然會(huì)比原來(lái)少。組分的改變也會(huì)導(dǎo)致燃值的改變，從而燃料氣量也會(huì)有所變化。

1.3.1 原料用天然氣的用量

在達(dá)到滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，依據(jù)并網(wǎng)前的氨產(chǎn)量FQI－36（63.5 t／h）、天然氣流量FIC－1（28.8 t／h），可以計(jì)算出原料用天然氣的體積流量為39 035 m3／h。

由于氨產(chǎn)量相同則制氫量相同的原則，并網(wǎng)后：

39035×3.9408÷4.2622＝36091 m3／h

由此可見，并網(wǎng)后原料用天然氣的體積流量減少了2 944 m3／h。

1.3.2 燃料用天然氣的用量

由表1可知，并網(wǎng)前天然氣的燃值為35 256.83 kJ／m3，并網(wǎng)后天然氣的燃值為38 230.25 kJ／m3，則并網(wǎng)后天然氣燃值增加了2 973.42 kJ／m3。

通過(guò)查詢，并網(wǎng)前燃料氣用量FI－32B為18820 m3／h。那么并網(wǎng)后燃料氣用量應(yīng)為：

18820×8426.584÷9137.2488＝17356 m3／h

由此可見，并網(wǎng)后燃料用天然氣用量減少了1 464 m3／h。

綜上所述，在滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)下，原料用天然氣消耗減少了2 944 m3／h，燃料用天然氣消耗減少了1 464 m3／h，天然氣消耗總共減少了4 410 m3／h。

因此，噸氨耗天然氣為855 m3／t，比并網(wǎng)前大約少了50 m3／t。

1.4 二氧化碳產(chǎn)量

滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，并網(wǎng)前的CO2總產(chǎn)量為：39035×0.9987＝38980 m3／h，并網(wǎng)后的CO2總產(chǎn)量為：36091×1.1＝39700 m3／h。在滿負(fù)荷時(shí)，并網(wǎng)后天然氣的CO2產(chǎn)量多720 m3／h。

2 對(duì)合成氨裝置的影響

2.1 裝置滿負(fù)荷的改變

當(dāng)天然氣組分發(fā)生變化后，工藝負(fù)荷FIC－1 為28.2 t／h時(shí)，氨產(chǎn)量FQI－36便已經(jīng)超過(guò)了裝置的設(shè)計(jì)值62.5 t／h，若再將FIC－1加至28.8 t／h，則裝置將會(huì)超負(fù)荷運(yùn)行。由于裝置本身的限制，若長(zhǎng)期超負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，將會(huì)造成許多不利影響；而且，由于裝置受溫度、壓力、管道阻力、流體輸送能力等的限制，也不可能長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行。

2.2系統(tǒng)的水碳比

系統(tǒng)水碳比即為加入系統(tǒng)的水蒸氣分子數(shù)與天然氣碳原子數(shù)之比。由表1可知，并網(wǎng)前1體積天然氣中含有0.9865體積的碳原子，并網(wǎng)后1體積天然氣中含有1.0947體積的碳原子。

根據(jù)水碳比計(jì)算公式［2］：

式中：FIC2是指加入系統(tǒng)的水蒸氣流量，t／h；FIC1是指加入系統(tǒng)中天然氣的流量，t／h；M氣是指天然氣的摩爾質(zhì)量，g／mol；Σ碳原子是指天然氣中碳原子的體積分?jǐn)?shù)。

并網(wǎng)之前，水碳物質(zhì)的量比一直控制在3.2。根據(jù)以上公式，即可計(jì)算出并網(wǎng)后實(shí)際的水碳物質(zhì)的量比。

并網(wǎng)前，計(jì)算的水碳比為：

并網(wǎng)后，計(jì)算的水碳比為：

根據(jù)上述兩式，可以計(jì)算出并網(wǎng)后水碳比為3.11。水碳比與之前相比稍微偏低，為了將實(shí)際水碳比控制在3.2操作，可以將計(jì)算的水碳比提高。

那么計(jì)算的水碳比應(yīng)該控制在：

所以，現(xiàn)在需要將計(jì)算的水碳比提高至3.35操作，才與實(shí)際水碳比3.2相符合。

2.3 系統(tǒng)的空氣量

向系統(tǒng)中加入空氣的目的是為了提供合成反應(yīng)所需要的氮?dú)庖约罢{(diào)整合成塔的氫氮物質(zhì)的量比。只有將合成塔的氫氮物質(zhì)的量比控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)（一般是在2.5～2.9），合成塔才能進(jìn)行更好的反應(yīng)。一旦氫氮物質(zhì)的量比失調(diào)，反應(yīng)的平衡將會(huì)被打破，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力上升、合成塔床溫下降、氨產(chǎn)量下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绾铣伤矊訙囟龋购铣煞磻?yīng)停止。

根據(jù)相同氨產(chǎn)量FQI－36來(lái)反推，即天然氣制氫量不會(huì)發(fā)生變化，按照配入的新鮮氣的氫氮物質(zhì)的量比為3∶1計(jì)算，則配入系統(tǒng)的氮?dú)庠谔烊粴饨M分變化前后應(yīng)該一樣。將原料天然氣中帶入的氮?dú)庹鬯愫螅憧梢杂?jì)算出加入系統(tǒng)的空氣量。

并網(wǎng)前，原料天然氣中含有氮?dú)?.82%（體積分?jǐn)?shù)），滿負(fù)荷時(shí)FIC－1的天然氣體積流量為39 035 m3／h，加入系統(tǒng)中的空氣為72.3 t／h。并網(wǎng)后，原料天然氣中的含有氮?dú)?.63%（體積分?jǐn)?shù)），滿負(fù)荷時(shí)FIC－1的天然氣體積流量為36 091 m3／h。

假設(shè)并網(wǎng)后配入系統(tǒng)的空氣量為G t／h，根據(jù)并網(wǎng)前、后配入系統(tǒng)氮?dú)饬肯嗟攘谐龅仁剑?/p>

由此可見，在滿負(fù)荷下，并網(wǎng)后應(yīng)加入的空氣量為71.9 t／h，比并網(wǎng)前大約少0.4 t／h。但由于并網(wǎng)后的FIC－1只有28.2 t／h左右，則空氣與天然氣物質(zhì)的量比為2.55左右，與之前控制在2.5左右的空氣與天然氣物質(zhì)的量比相比較，稍微偏高0.05左右。

2.4 系統(tǒng)中的惰性氣體含量

并網(wǎng)前、后天然氣中的氬氣含量（體積分?jǐn)?shù)）分別為0.02%和0.026%。加入空氣量偏差0.4 t／h，惰性氣體含量相差不大，對(duì)系統(tǒng)的影響可忽略。

3 相應(yīng)對(duì)策

3.1 滿負(fù)荷的界定

通過(guò)對(duì)整個(gè)合成氨裝置的系統(tǒng)參數(shù)衡量，用氨產(chǎn)量來(lái)定義裝置是否達(dá)到滿負(fù)荷比較合適，這樣既能保證裝置的生產(chǎn)能力，又不會(huì)使裝置超負(fù)荷運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)比以前的歷史數(shù)據(jù)，再結(jié)合目前裝置的運(yùn)行情況，以氨產(chǎn)量（即FQI－36）達(dá)到63.5 t／h［3］定義為裝置生產(chǎn)的滿負(fù)荷比較合適。

3.2 水碳比的控制

根據(jù)目前的工況，水碳比應(yīng)該提高至3.35操作。若考慮到天然氣組分的變化有可能會(huì)長(zhǎng)期存在，在對(duì)系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整時(shí)存在有一定的偏差，會(huì)增大調(diào)整參數(shù)的難度，也可以修改FIC－1流量孔板的內(nèi)部參數(shù)，或者修改水碳比的內(nèi)部參數(shù)，以對(duì)應(yīng)以前所控制的3.2的真實(shí)值。

3.3 空氣與天然氣物質(zhì)的量比的控制

天然氣組分變化對(duì)空氣加入量影響較小，空氣會(huì)比以前滿負(fù)荷時(shí)少加入0.4 t／h，但由于FIC －1的指示偏低，在不修改FIC－1內(nèi)部參數(shù)前提下，空氣量與天然氣量之比只需稍微提高至2.55左右，在實(shí)際操作中可以根據(jù)氫氮物質(zhì)的量比做具體調(diào)整。

3.4 脫碳系統(tǒng)的調(diào)整

在滿負(fù)荷下，二氧化碳的產(chǎn)量將多出720 m3／h，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)脫碳系統(tǒng)的調(diào)整。

首先，要增加脫碳再生熱量，保證再生效果良好；其次，要有足夠溶液循環(huán)量以保證吸收效果良好，減輕甲烷化爐的負(fù)荷；再次，尿素車間的負(fù)荷將加重，再生塔壓力可能會(huì)升高。為保證再生塔防爆板不會(huì)爆破，再生塔壓力不能超過(guò)0.036 MPa，注意對(duì)系統(tǒng)水平衡的調(diào)節(jié)，保證脫碳系統(tǒng)各塔液位穩(wěn)定。

3.5 合成系統(tǒng)惰性氣體含量調(diào)整

天然氣組分變化后，帶入系統(tǒng)的惰性氣體含量變化很小，但如果系統(tǒng)蒸汽波動(dòng)可能造成轉(zhuǎn)化工段出口甲烷含量增加，或是脫碳系統(tǒng)波動(dòng)也會(huì)造成甲烷化爐出口甲烷含量增加，最終將導(dǎo)致進(jìn)入合成系統(tǒng)的惰氣含量增加，在操作時(shí)可以根據(jù)惰性氣體在線指示進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 小結(jié)

針對(duì)合成氨裝置天然氣組分發(fā)生變化后出現(xiàn)的狀況，通過(guò)理論計(jì)算，簡(jiǎn)單分析了其對(duì)裝置所造成的一些影響，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。

本文的計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際工況存在偏差，但對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化操作時(shí)仍可以起到一定的借鑒作用。

［1］ 云天化股分公司生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng).合成氨工藝報(bào)表.

［2］ 大連工學(xué)院.大型氨廠合成氨生產(chǎn)工藝［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.1984，61.

［3］ 云天化股分公司內(nèi)部資料.日產(chǎn)1500噸合成氨裝置工藝手冊(cè).A.2物料平衡表.

Influence and Countermeasures of Nature Gas Components on the Ammonia Device

YANG Chuan

（Yunnan Shuifu Yuntianhua Co.synthesis workshop，Shuifu 657800，China）

ammonia device in the Yunnan Shuifu Yuntianhua Limited takes mainly natural gas as raw material，drastically changing of the components of natural gas will cause a greater impact on the parameters of the device.After the components were analyzed for the effects of changes in natural gas on ammonia plant，the corresponding measures to optimize operations were proposed.

ammonia；natural gas；components；optimize operations

TQ113

A

1004-275X（2014）06-0061-04

12.3969／j.issn.1004-275X.2014.06.016

收稿：2014-09-02

楊川（1981－），男，助理工程師，主要從事合成氨生產(chǎn)技術(shù)管理工作。