以天然氣為原料的制氨裝置的改進(jìn)方法
【專利摘要】一種以用天然氣為原料的包括一段轉(zhuǎn)化爐(11)和二段轉(zhuǎn)化爐(12)制氨裝置的改進(jìn)方法，該方法至少包括以下干預(yù)措施：降低從所述一段轉(zhuǎn)化爐流出的氣體(17)的出口溫度；增加專用于所述二段轉(zhuǎn)化爐(12)的基本上純氧的供料管路(30)，以便至少部分地取代所述的助燃的工藝空氣；以獲得適用于合成氨氣的補(bǔ)充氣所必需的量增加氮?dú)庾⑷牍苈?31)。
【專利說明】以天然氣為原料的制氨裝置的改進(jìn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種以天然氣為原料的制氨裝置的改進(jìn)方法。本發(fā)明尤其描述一種當(dāng) 天然氣的可用性受到限時(shí)提高制氨裝置的生產(chǎn)力的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 以天然氣為原料的氨合成裝置包括高壓合成工段（也被叫做合成回路）和所謂的 前端工段，所述前端工段實(shí)質(zhì)上具有將天然氣轉(zhuǎn)化成適合于供應(yīng)所述合成回路的氣體的任 務(wù)，所述氣體即為包含所需化學(xué)計(jì)量比的氫氣和氮?dú)馇也缓s質(zhì)。
[0003] 所述前端工段基本上包括天然氣轉(zhuǎn)化工段和處理工段，包含：一氧化碳至二氧化 碳的轉(zhuǎn)化（轉(zhuǎn)移）、移除二氧化碳、甲烷化作用。所述轉(zhuǎn)化工段通常包括供給有天然氣和蒸 汽的一段轉(zhuǎn)化爐和二段轉(zhuǎn)化爐，所述二段轉(zhuǎn)化爐接收來自一段轉(zhuǎn)化爐的部分地轉(zhuǎn)化的氣體 和助燃的氣流，如空氣或氧氣。
[0004] 在一段轉(zhuǎn)化爐中，甲烷與蒸汽發(fā)生催化反應(yīng)生成一氧化碳（CO)和氫氣（H2)。所述 反應(yīng)是吸熱的并且由適當(dāng)?shù)臒嵩粗С?。通常，一段轉(zhuǎn)化爐包括輻射工段，在所述輻射工段中 安裝有內(nèi)部填充合適的催化劑的管束。所述輻射工段包括一系列的供應(yīng)有一部分可利用的 天然氣的燃燒器。燃燒加熱所述管子并且提供轉(zhuǎn)化所需的熱量。在所述輻射工段下游，所 述一段轉(zhuǎn)化爐包括被稱為對(duì)流工段的工段，所述對(duì)流工段實(shí)質(zhì)上專門用于從煙氣中回收熱 量。
[0005] 離開一段轉(zhuǎn)化爐的工藝氣體通常具有約800°C的溫度。來自一段轉(zhuǎn)化爐的氣體在 二段轉(zhuǎn)化爐中發(fā)生不完全燃燒，隨后發(fā)生進(jìn)一步的催化轉(zhuǎn)化。
[0006] 因此，天然氣的供應(yīng)實(shí)質(zhì)上分為兩種部分（quote):第一種工藝部分和第二種燃 料部分。所述工藝部分是被用作轉(zhuǎn)化過程的反應(yīng)物，也就是說，被供應(yīng)至一段轉(zhuǎn)化爐的管子 然后被供應(yīng)至二段轉(zhuǎn)化爐；所述燃料部分通常包括直接產(chǎn)生轉(zhuǎn)化熱量，供應(yīng)一段轉(zhuǎn)化爐的 輻射工段的燃燒器的一部分，以及被燃燒以生成機(jī)械功率的一部分，所述機(jī)械功率對(duì)于裝 置的運(yùn)轉(zhuǎn)是必需的。
[0007] 尤其，所述機(jī)械功率主要對(duì)于驅(qū)動(dòng)供應(yīng)二段轉(zhuǎn)化爐的空氣壓縮機(jī)和驅(qū)動(dòng)供應(yīng)高壓 合成回路的氣體壓縮機(jī)是很有必要的。例如，所述壓縮機(jī)通常由蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)；蒸汽部分 來源于以天然氣的部分作為燃料的鍋爐，部分通過熱還原過程，特別地來自于轉(zhuǎn)化爐的對(duì) 流部分中的煙氣的冷卻。
[0008] 用于生產(chǎn)氨氣的工藝氣體的量通過反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量比固定。燃料部分是不可忽略 的，根據(jù)所述裝置的效能，燃料部分占據(jù)天然氣總的消耗量的約20-30 %。
[0009] 因此，確定制氨裝置的單位消耗量是可能的，以生產(chǎn)的每噸氨，甲烷的低熱值 (LHV)的Gcal計(jì)算。所述消耗量包括在轉(zhuǎn)化工段中實(shí)際轉(zhuǎn)化的天然氣的部分，和用來維持 裝置運(yùn)行的作為燃料燃燒的部分。所述裝置的最大生產(chǎn)力也能夠被確定，而且通常以每天 可以生產(chǎn)的氨的公噸數(shù)（每天公噸數(shù)，MTD)作為單位被表述。
[0010] 在現(xiàn)有的此處所考慮的類型的制氨裝置中，天然氣的可用性直到現(xiàn)在是極其充足 的。例如許多大型制氨裝置被安置于表現(xiàn)為可利用大量天然氣的地理區(qū)域。因此，主要致 力于獲得盡可能最高的生產(chǎn)力，所述生產(chǎn)力是由除了天燃?xì)獾目衫昧恐獾娜缪b置各個(gè) 工段的生產(chǎn)力的因素限制。
[0011] 然而，近年來，可用于這些制氨裝置的天然氣的量的限制逐漸顯現(xiàn)。在某些情況 下，由于氣田的產(chǎn)量的減少，限制源自客觀的氣體短缺；在其他情況下，所述限制源自商業(yè) 的和/或經(jīng)濟(jì)的原因，像對(duì)可用于裝置的合同份額的到期和/或涉及天然氣的價(jià)格和需求 的不同的方案。在這種情況下，面對(duì)天然氣的有限的供應(yīng)，必須解決如何保持或提高氨氣的 生產(chǎn)的問題。特別地，在不再有增加天然氣的總的消耗量的可能性的情況下，開始需要提高 所述裝置的生產(chǎn)力，即產(chǎn)量。
[0012] 已經(jīng)有各種已知的改進(jìn)現(xiàn)有制氨裝置的方法，但是，它們主要以提高最大生產(chǎn)力 的目的被設(shè)計(jì)?；旧?，這些方法提出改進(jìn)機(jī)器設(shè)備（渦輪機(jī)和壓縮機(jī)）以提高效能；增加 與現(xiàn)有的氨反應(yīng)器并行的反應(yīng)器（升壓反應(yīng)器）；增加熱交換器的數(shù)量以提高熱力學(xué)效率。 但是，可以被看出，它們?cè)谙鄬?duì)較小的程度上，通常以3-4%，提高了單位消耗量。因此，在天 然氣的供應(yīng)受到限制并且不能再增加的情況下，這些方法是不盡人意的。
[0013] 這是由于大多數(shù)燃料氣體用來加熱一段轉(zhuǎn)化爐和用來產(chǎn)生壓縮機(jī)用機(jī)械功率的 事實(shí)，并且這兩種消耗的來源大體上與產(chǎn)量成正比。因此，產(chǎn)量的增加在相應(yīng)的程度上需要 氣體的燃料部分的增加。因此，當(dāng)氣體充裕時(shí)，這些已知的工藝是有效的，但是，它們不適合 用于解決上述的、面對(duì)天然氣短缺的問題。
[0014] 為了試圖解決所述問題，已提出用電動(dòng)機(jī)作為所述裝置驅(qū)動(dòng)器機(jī)器運(yùn)行的蒸汽渦 輪機(jī)。這種解決辦法只適用于某些情況，即電能以足夠的量可供使用并且電能利用不是天 然氣的來源生產(chǎn)。還應(yīng)當(dāng)指出的是，這不能導(dǎo)致令人滿意的結(jié)果。
[0015] 事實(shí)上，部分蒸汽來源于從一段轉(zhuǎn)化爐和其他工藝部件的煙氣中回收的熱量，例 如冷卻二段轉(zhuǎn)化爐的氣流，如上所述，并且，在一段轉(zhuǎn)化爐的對(duì)流部分至少一定的最低量蒸 汽必須被過熱化，以避免煙氣的過高溫度。因此，對(duì)蒸汽的需求的大幅減少（通過用電動(dòng)機(jī) 代替蒸汽渦輪機(jī)）將會(huì)影響所述裝置的熱量平衡，從而引起作為冷卻方式的蒸汽的缺乏。 為了解決這一不足，對(duì)一段轉(zhuǎn)化爐的昂貴的改進(jìn)是必要的，比如：增加空氣預(yù)熱器，或者擴(kuò) 大現(xiàn)有的預(yù)熱器；升高空氣的預(yù)熱溫度，修改對(duì)于燃燒器的預(yù)先加熱空氣的分布系統(tǒng)。
[0016] 出于所有的這些原因，現(xiàn)有技術(shù)還沒有提供一種令人滿意的且性價(jià)比高的方案解 決上述問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明旨在解決前面提及的問題，也就是，如何改進(jìn)本文所考慮的類型的制氨裝 置，以便解決天然氣可用性的限制。
[0018] 本發(fā)明提供一種用于提高以天然氣為原料的制氨裝置的生產(chǎn)能力的方法，大體結(jié) 構(gòu)如下。所述裝置包括用于將天然氣轉(zhuǎn)化成氨氣合成的補(bǔ)充氣的前端工段，所述前端工段 包括一段轉(zhuǎn)化爐和二段轉(zhuǎn)化爐；供應(yīng)至所述裝置的天然氣的總供應(yīng)包括工藝部分，用于甲 烷催化轉(zhuǎn)化為氫氣并且供應(yīng)至所述一段轉(zhuǎn)化爐，以及燃料部分；所述一段轉(zhuǎn)化爐包括輻射 工段和對(duì)流工段，所述輻射工段執(zhí)行所述工藝氣體的催化轉(zhuǎn)化并且向所述工藝氣體轉(zhuǎn)移熱 功率，所述熱功率也被稱為轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷（duty);所述二段轉(zhuǎn)化爐被供應(yīng)有助燃的工藝空 氣和來自于一段轉(zhuǎn)化爐的部分轉(zhuǎn)化的工藝氣體。
[0019] 所提供的方法的特征在于，其至少包括以下干預(yù)措施：
[0020] -相對(duì)于生產(chǎn)的氨的量降低所述一段轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷，從而降低從所述一段轉(zhuǎn)化爐 流出的部分轉(zhuǎn)化的工藝氣體的出口溫度；
[0021] -增加針對(duì)所述二段轉(zhuǎn)化爐的基本上純的氧氣的供料管路，以便至少部分地取代 所述的助燃的工藝空氣；
[0022] -以獲得適用于合成氨氣的所述補(bǔ)充氣所必需的量增加氮?dú)庾⑷牍苈罚?br> [0023]-對(duì)于給定的天然氣的供應(yīng)，減少所述的燃料部分，從而增加所述的工藝部分。
[0024] 從一段轉(zhuǎn)化爐中流出的（部分地被轉(zhuǎn)化的）工藝氣體的溫度優(yōu)選地被降低至少 30°C，更加優(yōu)選地被降低至少50°C。在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述溫度的減小量在從 約30°C至約150°C的范圍內(nèi)。例如，一段轉(zhuǎn)化爐的流出物的溫度從約800°C降至在600°C至 750°C之間的值，優(yōu)選地在650°C至750°C之間的數(shù)值。
[0025] 除了工藝空氣外，所述的基本上純的氧氣的供應(yīng)可以被提供，或者，作為工藝空氣 的替代。換句話說，在第一實(shí)施方式中，工藝空氣的原始?xì)饬鞅粶p少，通過新的純氧氣流向 二段轉(zhuǎn)化爐供應(yīng)必要的部分氧氣；在第二實(shí)施方式中，工藝空氣的添加被停止，所有氧氣是 通過所述的新的氣流供應(yīng)。
[0026] 所述的純氧的氣流可以使用空氣分離工藝，在足夠的注入二段轉(zhuǎn)化爐的壓力下形 成。因此本發(fā)明具有降低或者完全避免本來被提供用于向二段轉(zhuǎn)化爐供應(yīng)空氣的空氣壓縮 機(jī)的消耗的優(yōu)點(diǎn)。
[0027] 所述氮?dú)鈨?yōu)選地在現(xiàn)有的甲烷轉(zhuǎn)化器的下游被注入。這種供應(yīng)有利于避免上游轉(zhuǎn) 換和CO2移除工段的流量的增加。例如所述氮?dú)饪梢栽诂F(xiàn)有的合成氣壓縮機(jī)進(jìn)氣口，或在 所述壓縮機(jī)的中間階段被注入。
[0028] 本發(fā)明的一個(gè)方面包含降低所述一段轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷。所述負(fù)荷表現(xiàn)為在一段轉(zhuǎn) 化爐輻射工段，在一段轉(zhuǎn)化步驟中，轉(zhuǎn)移至工藝氣體的熱量。所述負(fù)荷通常以熱功率Gcal/ h或MW表示。術(shù)語單位負(fù)荷應(yīng)當(dāng)被定義為相對(duì)于生產(chǎn)的氨的負(fù)荷，例如以每噸氨氣MWh表 /Jn〇
[0029] -段轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷的降低，同時(shí)伴隨著向二段轉(zhuǎn)化爐供應(yīng)氧氣，主要具有從一段轉(zhuǎn) 化爐向二段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)移所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)的效果。這種措施與現(xiàn)有技術(shù)的教導(dǎo)相違背，所述現(xiàn) 有技術(shù)的教導(dǎo)傾向于最大可能程度地開發(fā)一段轉(zhuǎn)化爐，因?yàn)橐欢无D(zhuǎn)化爐相比于二段轉(zhuǎn)化爐 在化學(xué)計(jì)量學(xué)方面是更有利的。但是， 申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)通過向二段轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)移所述轉(zhuǎn)化反應(yīng)，小 的效率損耗（進(jìn)料氣的消耗相比氨氣的產(chǎn)量）通過減少天然氣的燃料部分而過度補(bǔ)償。換 句話說，對(duì)于給定的天然氣的供應(yīng)，本發(fā)明容許更大量的氣體部分被發(fā)送給轉(zhuǎn)化過程，以便 達(dá)到所需的提高生產(chǎn)力的目的，盡管稍微降低轉(zhuǎn)化率。
[0030] 事實(shí)上，通過減少或避免空氣壓縮機(jī)的渦輪中的蒸汽消耗，以及通過減少合成氣 壓縮機(jī)的渦輪中的蒸汽消耗，本發(fā)明大幅度地降低了用于同樣的產(chǎn)量的氣體的燃料部分。
[0031] 更具體地說，一系列有益效果從一段轉(zhuǎn)化爐的出口溫度的降低獲得。第一個(gè)有益 效果就是用于加熱一段轉(zhuǎn)化爐的消耗的天然氣的減少。本發(fā)明的另外一個(gè)積極的效果是熱 功率的降低，所述熱功率必須借助于蒸汽生產(chǎn)耗散。這種降低既是從第一轉(zhuǎn)化爐流出的氣 體的較低溫度的結(jié)果，也是使用氧氣替代空氣作為助燃物的結(jié)果，這降低了二段轉(zhuǎn)化爐下 游的熱回收設(shè)備中的氣體流動(dòng)速率。
[0032] 還應(yīng)當(dāng)指出，氧氣流和氮?dú)饬鞯墓?yīng)需要能量來源，通常是為空氣分離裝置（ASU) 提供動(dòng)力的電能。但是，此種能量可以通過不同于天然氣的來源獲得，所述能源來源不受限 制和/或比較便宜，例如，煤或甚至水力、太陽能等可再生能源。換句話說，本發(fā)明提供一種 能量的替代方案，盡管，一方面，本發(fā)明需要用于空氣分離裝置的能量來源，但另一方面，本 發(fā)明使得之前作為燃料使用的一部分甲烷可用到工藝中。在天然氣的供應(yīng)受到限制的情況 下這是一種有益的效果。
[0033] 在所述的電能可以從其他來源獲得的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法證明為特別地有 利并且與電動(dòng)機(jī)安裝結(jié)合替代蒸汽渦輪機(jī)。在某些情況下，如果用于蒸汽生產(chǎn)的可替代的 燃料是可獲得的，則也可以從外部輸入蒸汽維持現(xiàn)有蒸汽渦輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0034] 由上文所述可知，本發(fā)明在天然氣的用量由于技術(shù)原因或者合同的原因遭受突然 的限制的情況下尤其引人注目。
[0035] 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)質(zhì)的有益效果是它不需要對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器和組件進(jìn)行昂貴的改 裝。例如，本發(fā)明不是通過對(duì)壓縮機(jī)和渦輪機(jī)進(jìn)行昂貴的改裝，達(dá)到明顯地提高生產(chǎn)力（超 過10% )的目的；因?yàn)橐欢无D(zhuǎn)化爐的負(fù)荷比以前有所降低，對(duì)所述一段轉(zhuǎn)化爐的改進(jìn)沒有 必要去提1?它的生廣能力，盡管廣量提
[0036] 根據(jù)另一優(yōu)選的實(shí)施方式，所述裝置的蒸汽的生產(chǎn)（以及因此天然氣供應(yīng)的燃料 部分）借助于如下措施的至少一條或者其結(jié)合，進(jìn)一步被降低：
[0037] -在二段轉(zhuǎn)化爐的出口，安裝蒸汽過熱器；
[0038]-在二段轉(zhuǎn)化爐的下游安裝GHR(氣體加熱轉(zhuǎn)化爐）類型的轉(zhuǎn)化爐；
[0039]-安裝用于一段轉(zhuǎn)化爐的助燃空氣的預(yù)熱器。
[0040] 本發(fā)明的有益效果現(xiàn)在參照示例實(shí)施方式和借助于附圖將被說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0041] 圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的被供應(yīng)天然氣的制氨裝置的框圖。
[0042] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的改進(jìn)的圖1所示的裝置的框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0043] 本發(fā)明的優(yōu)詵實(shí)施方式的詳細(xì)說明
[0044] 圖1的框圖示出了制氨裝置的基本部件，即一段轉(zhuǎn)化爐11、二段轉(zhuǎn)化爐12、用于轉(zhuǎn) 化一氧化碳（轉(zhuǎn)移）和移除CO2的工段13;甲烷化工段14。塊15表示氨氣合成回路。所 述塊15使合成氣流或補(bǔ)充氣19轉(zhuǎn)化，得到氨氣16。
[0045] 通常，還有一系列熱交換器沒有在圖中示出。特別地，在二段轉(zhuǎn)化爐12下游，有一 種被認(rèn)為是廢熱鍋爐的熱交換器。
[0046] 包含天然氣和氣流的氣流10供應(yīng)一段轉(zhuǎn)化爐11。以大約800°C的溫度，從一段轉(zhuǎn) 化爐11中流出的部分地轉(zhuǎn)化的氣體17,與通過壓縮機(jī)24輸送的助燃空氣18-起被供應(yīng)至 二段轉(zhuǎn)化爐12。
[0047] 經(jīng)過塊13 (轉(zhuǎn)移和CO2的移除）和塊14 (甲烷化作用）處理后的所述二段轉(zhuǎn)化爐 的流出物生成供應(yīng)合成回路15的補(bǔ)充氣19。還應(yīng)當(dāng)指出，所需要的氮?dú)獯篌w上隨著空氣流 18進(jìn)入。通常氣體19在低于所述合成回路15壓力的壓力時(shí)被生產(chǎn)，因此氣體壓縮機(jī)26升 高壓力至合成水平。
[0048] 壓縮機(jī)24和壓縮機(jī)26由分別被標(biāo)記有附圖標(biāo)記25和附圖標(biāo)記27的蒸汽渦輪機(jī) 驅(qū)動(dòng)。渦輪機(jī)25通常被供應(yīng)中壓（例如約40-50巴）的蒸汽28,并釋放出低壓的蒸汽29。 渦輪機(jī)27通常被供應(yīng)高壓（通常超過100巴）的蒸汽30,并釋放出低壓的蒸汽32 ;此外， 通常還有中壓的蒸汽流31。所述蒸汽流31能夠提供流28或裝置中的其他中壓蒸汽消耗者 所需的蒸汽。但是這些方面對(duì)于本發(fā)明的描述不是必須的。
[0049] 氣流10所包含的天然氣是供應(yīng)氣20的一部分，供應(yīng)氣20代表所述裝置可用的天 然氣總量。供應(yīng)氣20被分為工藝部分，也被叫做"進(jìn)料"，以21表示，以及以22表示的燃料 部分。
[0050] 所述工藝部分21，在增加蒸汽23后，形成進(jìn)入一段轉(zhuǎn)化爐11的工藝氣體的氣流 10。余下的燃料部分22代表基本上用于加熱轉(zhuǎn)化爐11，以生產(chǎn)用于空氣壓縮機(jī)24、氣體壓 縮機(jī)26、以及其他輔助設(shè)備的機(jī)械功率的燃料。
[0051] 在圖1的實(shí)施方式中，所述燃料部分22的第一部分220加熱一段轉(zhuǎn)化爐11 ;第二 部分221供應(yīng)鍋爐33 (它本身是常規(guī)的）以生產(chǎn)蒸汽34。
[0052] 更具體地說，一段轉(zhuǎn)化爐基本上包括輻射工段110和對(duì)流工段111。
[0053] 所述輻射工段110包含填充有催化劑的管并且執(zhí)行甲烷和被包含在進(jìn)料10中的 蒸汽至氫氣的吸熱轉(zhuǎn)化。所述輻射工段110通過一系列的被天然氣流220供應(yīng)的燃燒器加 熱。
[0054] 所述對(duì)流工段111基本上回收從由所述燃燒器生成的和來自于輻射工段110的煙 氣中的熱量。通常，由于煙氣的高溫，所述對(duì)流工段111被主要用于使所述蒸汽過熱。如果 必要的話，所述對(duì)流工段也可以包含供應(yīng)有氣體220的氣流的一部分的燃燒器（未示出）。
[0055] 該圖示出了與轉(zhuǎn)化爐分開的鍋爐，通常所述鍋爐生產(chǎn)中壓的蒸汽34。還應(yīng)當(dāng)指出， 這種設(shè)置僅僅是為了說明的目的并且各種變型是可能的。例如，在某些情況下，所述鍋爐33 被結(jié)合到轉(zhuǎn)化爐的對(duì)流部分111中。
[0056] 出于本發(fā)明的目的，尤其應(yīng)當(dāng)指出用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)24和壓縮機(jī)26所必需的渦輪 機(jī)25和渦輪機(jī)27,代表兩種對(duì)蒸汽消耗的主要貢獻(xiàn)者，吸收流28和流30。另外一種重要 的蒸汽使用者（沒有被示出）是合成回路15內(nèi)的制冷工段的氨氣的壓縮機(jī)（以及相應(yīng)的 渦輪機(jī)）。蒸汽的生產(chǎn)基本上源于供應(yīng)氣20的燃料部分22。
[0057] 圖2代表了根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)的圖1所述裝置。用于二段轉(zhuǎn)化爐12的助燃?xì)猬F(xiàn)被 提供，至少部分地通過基本上純氧的氣流50被提供，所述基本上純氧的氣流50,例如，通過 空氣分離裝置（ASU)被生產(chǎn)。因而，空氣18'的流速相對(duì)于圖1的流速18降低。線18'以 虛線表示，這是因?yàn)樵谝恍?shí)施方式中，在二段轉(zhuǎn)化爐中用于助燃的所有氧氣是通過氧氣 流50提供的，因此，所述空氣流18被消除。
[0058] 例如，可以在空氣分離裝置中生產(chǎn)氣流50,所述空氣分離裝置需要電能但是并不 需要蒸汽也不需要天然氣。因此，通過降低或者消除壓縮機(jī)24的消耗（即蒸汽流28)，本發(fā) 明使得減少燃料部分22和留下供應(yīng)氣20的更大部分以便用作工藝氣體21成為可能。
[0059] 在所述裝置的適當(dāng)位置，氮?dú)饬?1被引進(jìn)，所述氮?dú)饬饕部梢酝ㄟ^分離空氣的方 法獲得。有利地，如圖所示，氮?dú)饬?1在甲烷化工段14的下游并且在壓縮機(jī)26的引入口 被引入。
[0060] 所述裝置的改進(jìn)也包括在輻射部分110交換的熱量的顯著降低。優(yōu)選地，所述熱 量（負(fù)荷）被降低至少30%，更加優(yōu)選地被降低至少50%。這種輻射部分110的負(fù)荷的降 低可以通過減少輸送至專用于輻射部分燃燒器的天然氣部分220獲得。因此，從一段轉(zhuǎn)化 爐11流出的部分轉(zhuǎn)化的氣體的氣流，此處用17'表示，具有較低的溫度，有利地在650°C至 750°C之間。
[0061] 還應(yīng)當(dāng)指出，通過該干預(yù)的效果，在轉(zhuǎn)化爐11中轉(zhuǎn)化為氫氣的甲烷的量被減少， 也就是，轉(zhuǎn)化為氫氣的負(fù)荷基本上被轉(zhuǎn)移至二段轉(zhuǎn)化爐12。結(jié)果是稍微增加了工藝氣體的 單位消耗量，但是這會(huì)被燃料的消耗量的降低過度補(bǔ)償。這一有益效果借助于實(shí)施方式后 將會(huì)變得更加明顯。
[0062] 由于本發(fā)明，蒸汽34和燃料部分221的生產(chǎn)也可以被降低。
[0063] 其他的可以降低所述裝置的蒸汽的生產(chǎn)和從而降低所供應(yīng)的氣體的燃料部分的 選擇如下所述。
[0064] 第一個(gè)選擇是在余熱鍋爐（其工藝側(cè)出口溫度被升高）的下游，在二段轉(zhuǎn)化爐的 出口，安裝蒸汽過熱器。此種措施使得降低余熱鍋爐中的蒸汽的產(chǎn)生成為可能，從而生產(chǎn) 出少量的但是溫度較高的蒸汽，以減輕一段轉(zhuǎn)化爐的對(duì)流部分111的過熱現(xiàn)象以及減少燃 料。當(dāng)燃料氣體的部分220在所述對(duì)流工段中燃燒時(shí)，所述措施特別地有效。
[0065] 第二種選擇是安裝一段轉(zhuǎn)化爐的助燃空氣的預(yù)熱器，由于同樣的熱量在輻射區(qū)域 被傳遞，這使得降低轉(zhuǎn)化爐本身的燃料消耗，以及降低在對(duì)流部分的煙氣量成為可能。
[0066] 第三種選擇是在二段轉(zhuǎn)化爐的下游安裝GHR(氣體加熱轉(zhuǎn)化爐）類型的轉(zhuǎn)化爐。所 述GHR基本上為氣-氣熱交換器，例如帶有管。所述GHR允許二段轉(zhuǎn)化爐的流出物的部分 熱量被用于進(jìn)一步的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，而不是被用于生產(chǎn)蒸汽。
[0067] 實(shí)施例
[0068] 實(shí)施例1
[0069] 下表1指的是應(yīng)用本發(fā)明的第一種實(shí)施例。
[0070] 根據(jù)圖1的傳統(tǒng)的裝置僅被供應(yīng)天然氣，并且基于天然氣的LHV，具有8.OGal/t氨 氣的總的消耗量。此種消耗量如下被分配：
[0071]工藝供應(yīng)氣體（21) :5. 4Gcal/t(67. 5% );
[0072]燃料氣體（22) :2. 6Gcal/t(32. 5% )。
[0073] 燃料氣體的消耗包括轉(zhuǎn)化爐（輻射的和對(duì)流的）的燃料和用于生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)必需的蒸 汽的輔助燃燒器的燃料。生產(chǎn)1500MTD氨氣，天然氣的總消耗量（流20)達(dá)2629kmol/h。
[0074] 在被表示為"A"的實(shí)施方式中，所述裝置借助如下基本措施被改進(jìn)：
[0075] -向二段轉(zhuǎn)化爐12中注入氧氣（流50)以替代空氣，
[0076]-注入氮?dú)饬?1，
[0077]-降低一段轉(zhuǎn)化爐11的負(fù)荷從而降低所述的一段轉(zhuǎn)化爐的出口溫度。
[0078] 空氣壓縮機(jī)不再被使用并且相對(duì)的蒸汽消耗被消除。燃料消耗降低，既由于降低 催化劑的管子的出口溫度，也由于減少總的蒸汽消耗。根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)"A"，基本上不再 需要改進(jìn)機(jī)器（壓縮機(jī)和渦輪機(jī)）。
[0079] 如從表中可以看出，進(jìn)料部分的天然氣的單位消耗量[Gcal每噸氨氣]由約 5. 4Gcal/t轉(zhuǎn)變?yōu)?Gcal/t，略有不利。這是由于在一段轉(zhuǎn)化爐11中甲烷至氫氣的轉(zhuǎn)化減 少并且移至二段轉(zhuǎn)化爐12的事實(shí)，此處所述反應(yīng)更加不利。一段轉(zhuǎn)化爐11的負(fù)荷的降低 被不于該表中，轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷由74. 3Gcal/h轉(zhuǎn)變?yōu)?8. 2Gcal/h。因此，相對(duì)于生產(chǎn)的氨的 噸數(shù)的單位負(fù)荷，從I. 19Gcal/h每噸降低至0. 5Gcal/h每噸。出口溫度（流17)從800°C 降至650°C。
[0080] 然而，單位消耗量的輕微不利被由2. 59Gcal/t轉(zhuǎn)變成為I. 18Gcal/t的燃料部 分22的大幅下降而補(bǔ)償。換句話說，對(duì)于同樣總供應(yīng)氣20,轉(zhuǎn)換效率的輕微損失被用 于進(jìn)料部分21的氣體的更大的可用性過度補(bǔ)償。因此，可以看出，對(duì)于同樣的總消耗量 (2629kmol/h)，氨氣的產(chǎn)量從1500MTD增加至1666MTD(+11 % )。還應(yīng)當(dāng)指出，按絕對(duì)值計(jì) 算和按特定值計(jì)算的高壓蒸汽的流速都明顯降低。
[0081] 所述表格示出了與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的表示為"C"的改進(jìn)對(duì)比，利用本發(fā)明的變型 "A"得到的結(jié)果。所述改進(jìn)"C"代表傳統(tǒng)的方法，所述方法傾向于提高機(jī)器設(shè)備的效能，本 質(zhì)上包括：
[0082]-提高三個(gè)主要機(jī)器以及各自的渦輪機(jī)的5%的效能，所述三個(gè)主要機(jī)器：合成氣 壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)和氨氣壓縮機(jī)，
[0083]-降低合成回路的壓力lObar，增加升壓反應(yīng)器。
[0084] 應(yīng)當(dāng)指出，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)"C"并沒有降低，實(shí)際上提高了一段轉(zhuǎn)化爐的大約 4%的負(fù)荷，由74. 3Gcal/h轉(zhuǎn)變成77. 4Gcal/h。此外，它還需要一種昂貴的對(duì)于壓縮機(jī)和渦 輪機(jī)的改進(jìn)措施（替代內(nèi)部的組件等）。盡管如此，生產(chǎn)力僅僅被提高4%。
[0085]表1
[0086]
[

【權(quán)利要求】
1. 一種用于提高以天然氣為原料的制氨裝置的生產(chǎn)力的方法，其中： 所述裝置包括用于將天然氣轉(zhuǎn)化為用于氨氣合成的補(bǔ)充氣的前端工段，所述前端工段 包括一段轉(zhuǎn)化爐（11)和二段轉(zhuǎn)化爐（12)， 被供應(yīng)至所述裝置的總的天然氣的供應(yīng)氣（20)包括工藝部分（21)以及燃料部分 (22)，所述工藝部分（21)被用于甲烷至氫氣的催化轉(zhuǎn)化并且被供應(yīng)至所述一段轉(zhuǎn)化爐， 所述一段轉(zhuǎn)化爐包括輻射工段（110)和對(duì)流工段（111)，所述輻射工段執(zhí)行所述工藝 氣體的催化轉(zhuǎn)化以及向所述工藝氣體轉(zhuǎn)移也被稱做所述轉(zhuǎn)化爐的負(fù)荷的熱功率， 所述二段轉(zhuǎn)化爐被供應(yīng)有助燃的工藝空氣（18)和部分轉(zhuǎn)化的來自于所述一段轉(zhuǎn)化爐 的工藝氣體， 所述方法的特征在于，其至少包括如下措施： -降低相對(duì)于生產(chǎn)的氨氣的量的所述一段轉(zhuǎn)化爐的所述負(fù)荷，從而降低從所述一段轉(zhuǎn) 化爐流出的部分轉(zhuǎn)化的氣體（17)的出口溫度， -增加所述二段轉(zhuǎn)化爐（12)專用的基本上純氧的供料管路（30)，至少部分地取代所述 的助燃的工藝空氣； -以獲得適用于合成氨氣的所述補(bǔ)充氣所必需的量增加氮?dú)庾⑷牍苈罚?1); -對(duì)于給定的天然氣的供應(yīng)氣（20)，降低所述的燃料部分（22)，從而增加所述的工藝 部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，從所述一段轉(zhuǎn)化爐流出的工藝氣體的溫度被降 低至少30°C，優(yōu)選地降低至少50°C。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，在改進(jìn)后，所述的從所述一段轉(zhuǎn)化爐流出的工藝氣體 的溫度在600°C和750°C之間，優(yōu)選地在650°C和750°C之間。
4. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述的基本上純氧的供料管路代替所述 助燃的空氣，之前現(xiàn)有的專用于所述二段轉(zhuǎn)化爐的工藝空氣流被消除。
5. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述氮?dú)庾⑷牍苈罚?1)被提供用于在現(xiàn) 有的甲烷化工段（14)下游加入氮?dú)狻?br> 6. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，一個(gè)或多個(gè)用于操縱所述裝置的蒸汽渦 輪機(jī)（25, 27)由電動(dòng)機(jī)代替。
7. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述裝置的蒸汽生產(chǎn)通過如下措施中的 至少一種被減少： i) 在所述現(xiàn)有的二段轉(zhuǎn)化爐（12)的出口安裝蒸汽過熱器， ii) 在所述現(xiàn)有的二段轉(zhuǎn)化爐（12)的下游安裝GRH(氣體加熱轉(zhuǎn)化爐）類型的轉(zhuǎn)化爐， iii) 安裝被輸送至所述一段轉(zhuǎn)化爐的所述輻射部分的助燃空氣的預(yù)熱器。
【文檔編號(hào)】C01B3/02GK104284859SQ201380024361
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2013年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月7日
【發(fā)明者】埃爾曼諾·菲利皮, 拉法埃萊·奧斯圖尼 申請(qǐng)人:卡薩爾公司