СПОСОБ СИНТЕЗА АММИАКА
AMMONIA SYNTHESIS METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к области промышленного производства аммиака.
Уровень техники
Промышленное производство аммиака включает каталитическую реакцию синтез-газа (подпиточного газа), содержащего водород и азот в контуре синтеза высокого давления, обычно работающем при давлении 80-300 бар.
Подпиточный газ получают в секции предварительной обработки, расположенной выше по потоку контура синтеза высокого давления, путем конверсии исходного углеводородного сырья (напр., природного газа).
Конверсия природного газа в подпиточный газ обычно включает первичный риформинг с водяным паром и вторичный риформинг с воздухом, в результате чего получают неочищенный синтез-газ, который затем очищают. Процесс очистки обычно включает конверсию монооксида углерода в диоксид углерода, удаление диоксида углерода и опционально процесс метанизации.
Установка для производства аммиака (далее "аммиачная установка") также содержит сложную паровую систему, включающую установки, производящие пар, и потребителей пара. Установки, производящие пар, утилизируют технологическое тепло, извлекаемое из различных технологических потоков, преимущественно из процесса конверсии природного газа в неочищенный синтез-газ (обычно с использованием риформинга с водяным паром) и из последующего процесса очистки (обычно с использованием конверсии со сдвигом равновесия). Основными потребителями пара являются приводные турбины больших газовых компрессоров, таких как компрессор синтез-газа, который повышает давление подпиточного газа до давления в контуре синтеза, и воздушный компрессор, который повышает давление воздуха от атмосферного до давления в процессе вторичного риформинга.
Кроме вышеуказанных больших газовых компрессоров аммиачная установка обычно содержит несколько меньших вспомогательных компрессоров, таких как малые компрессоры, вентиляторы и насосы. Исторически сложилось так, что такие машины меньшей мощности приводятся малыми паровыми турбинами, имеющими низкий КПД. Например, такие турбины имеют механический КПД порядка 30-50%, в результате чего они потребляют сравнительно большие количества пара.
На немногих существующих аммиачных установках некоторые малые паровые турбины были заменены электродвигателями для снижения эксплуатационных расходов, в то время как на некоторых новых установках большая часть или все небольшие машины имеют электрический привод. Во втором случае необходимая мощность обычно обеспечивается центральным генератором, приводимым более мощной и более эффективной паровой турбиной, в результате чего снижается потребление установкой энергии за счет экономии природного газа. Такая турбина может иметь механический КПД порядка 80% или более. Следует отметить, что чем больше размеры паровой турбины, тем выше ее КПД. Обычно паровая турбина потребляет больше пара, чем его требуется генератору для производства электрической энергии, поскольку эта турбина может эффективным образом осуществлять привод главного компрессора установки, обычно самого большого компрессора.
Пар для парогенератора получают на установке с использованием энергии топлива. Вышеуказанная конфигурация с центральным турбогенератором обеспечивает существенную экономию топлива по сравнению с конфигурацией, в которой используется несколько турбин меньших размеров, благодаря большой разнице в КПД, даже с учетом потерь мощности, связанных с генерацией электроэнергии, ее распределением и использованием в электродвигателях. Кроме того, поскольку электроэнергия производится на установке, в конечном счете, из топлива, ее стоимость ниже по сравнению с закупками из внешней электросети. Таким образом, прослеживается четкая тенденция к максимизации размеров парового турбогенератора, чтобы извлечь максимальную выгоду из генерации электроэнергии и более высокого механического КПД. Соответственно, накопленный опыт указывает на необходимость производства как можно большего количества пара с использованием тепла, извлекаемого при охлаждении технологического газа, так чтобы вся потребность в электроэнергии на установке могла быть удовлетворена за счет внутренних источников.
Производство пара на установке эффективно осуществляется в паровых котлах-утилизаторах путем охлаждения технологического газа. Такой газ представляет собой прежде всего смесь водорода и азота, однако содержит также значительное количество монооксида углерода. Монооксид углерода, особенно при высоких температурах, может вызывать превращение металлов в пыль, особенно в теплообменниках. Паровые котлы-утилизаторы, в отличие от теплообменников газ-газ, таких как пароперегреватели, исключают работу в зоне опасности металлического пылеообразования. Действительно, поскольку в них происходит обмен почти исключительно скрытой теплотой, кипящая вода поддерживает температуру металлических частей на достаточно низком уровне, исключающем металлическое пылеообразование.
При запуске аммиачной установки генератор не может вырабатывать электроэнергию. Для того чтобы подключиться к сети установки, скорость вращения генератора должна соответствовать частоте сети. Запуск обычно представляет собой неустойчивый процесс, поэтому в течение этого процесса скорость вращения генератора нестабильна, и он не может быть подсоединен к сети.
С другой стороны, для запуска требуется некоторая электрическая мощность, которую можно назвать мощностью запуска. Мощность запуска - это мощность, необходимая для осуществления определенной процедуры запуска.
Поскольку энергия не может вырабатываться генератором при осуществлении процедуры запуска, эту энергию необходимо импортировать из внешнего источника, например из электрической сети. Этот импорт прекращают при работе установки в установившемся режиме, когда может работать турбогенератор.
Мощность запуска может включать мощность, необходимую для (перечень не является исчерпывающим): вентилятора (или вентиляторов) установки первичного риформинга, насосов системы парогенерации (подача питательной воды в котлы, вывод технологического конденсата и конденсата турбины), насосных агрегатов для удаления кислых газов, вспомогательного парогенератора, вспомогательных систем установки (напр., контура охлаждающей воды).
Мощность запуска значительна: она может иметь порядок величины мощности, необходимой для работы установки в установившемся режиме. Поэтому на большой аммиачной установке мощность запуска может достигать нескольких мегаватт. Например, аммиачная установка, производящая 3000 тонн аммиака в сутки, обычно потребляет примерно 40 МВт электрической мощности при работе в установившемся режиме и примерно 15 МВт при запуске.
Известное техническое решение по обеспечению максимально возможной мощности внутри установки и импорту мощности запуска из внешней сети, когда это необходимо, было разработано в попытке обеспечить эффективное использование пара в турбогенераторе и снизить общее потребление топлива; однако это решение имеет существенные недостатки.
Потребность в мощности запуска носит временный и непредсказуемый характер. Например, запуск может быть необходим после незапланированной остановки установки. Импорт такой большой мощности в ограниченные и непредсказуемые периоды времени требует очень больших затрат.
На установках предшествующего уровня были установлены специализированные двигатели, работающие на газе, для привода электрических генераторов для обеспечения мощностью при запуске вместо импорта электрической энергии из электрической сети. Однако такое решение не является удовлетворительным. Оно позволяет исключить затраты, связанные с импортом большой электрической мощности при запуске, но влечет за собой другие расходы, связанные с установкой больших специализированных газовых двигателей и генераторов, работающих только во время запуска.
Таким образом, все еще существует потребность в решении, позволяющем обеспечивать электроэнергией аммиачную установку во время запуска, причем такое решение должно быть дешевым и простым в реализации и в то же время должно обеспечивать высокую эффективность.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и ограничений известных технических решений.
Эта цель достигается с помощью способа производства аммиака из углеводородного сырья, включающего риформинг углеводородного сырья для получения подпиточного газа и конверсию этого газа в аммиак, причем способ осуществляют на установке по производству аммиака, которому необходима определенная электрическая мощность для работы в установившемся режиме и мощность запуска для обеспечения запуска, и способ отличается тем, что на аммиачной установке вырабатывают первую электрическую мощность, а вторую электрическую мощность импортируют из источника электрической энергии, который является внешним по отношению к указанной установке, причем вторая электрическая мощность равна или больше мощности запуска.
Мощность запуска - это мощность, требующаяся для осуществления процедуры запуска технологического и вспомогательного оборудования. Процедура запуска определяется как переходное состояние, когда установка переходит от состояния остановки в установившийся режим работы. Кроме того, процедура запуска может определяться тем, что конечный продукт (аммиак в данном случае) не производится или производится с характеристиками, не соответствующими техническим условиям (например, степень чистоты не соответствует стандарту).
Установившийся режим работы определяется как состояние, в котором соответствующие рабочие параметры процесса остаются постоянными или по существу постоянными, то есть, изменяются в ограниченном диапазоне. Такие рабочие параметры могут включать, например, температуру и давление на соответствующих стадиях способа. Кроме того, установившийся режим работы может быть определен как состояние, в котором продукт производится с требуемыми техническими характеристиками. В установившемся режиме работы аммиак может производиться в соответствии с номинальной производительностью (полная нагрузка), или же производительность может быть иной, когда работа идет с частичной загрузкой.
Мощность запуска может включать мощность, необходимую для работы вентилятора (или вентиляторов) установки первичного риформинга, насосов системы парогенерации (подача питательной воды в парогенераторы, вывод технологического конденсата и конденсата турбины), насосных агрегатов для удаления кислых газов, вспомогательного парогенератора, вспомогательных систем установки (напр., контура охлаждающей воды).
Предпочтительно вышеуказанная первая мощность вырабатывается внутри с помощью генератора, приводимого паровой турбиной, причем генератор и турбина являются частью указанной аммиачной установки.
Предпочтительно импорт второй электрической мощности, которая равна или больше мощности запуска, осуществляется по меньшей мере в течение 80% рабочего времени аммиачной установки (за год), предпочтительно по меньшей мере в течение 90% этого времени.
Электрическая мощность, вырабатываемая оборудованием установки, указывается обозначением Р1. Мощность, импортируемая из внешнего источника, указывается обозначением Р2. Мощность запуска указывается обозначением Ps. В соответствии с настоящим изобретением импортируемая мощность Р2 равна или более мощности Ps запуска.
Предпочтительно в качестве внешнего источника используется внешняя электрическая сеть.
В соответствии с изобретением относительно большая электрическая мощность импортируется из внешнего источника. Поэтому электрическая мощность Р1, вырабатываемая оборудованием установки, меньше чем в известных технических решениях
В известных технических решениях предлагается обеспечивать электрическую мощность для работы установки, производимую полностью или по существу полностью в процессе получения аммиака, обычно с помощью оборудования паровой турбины и генератора. По сравнению с известными техническими решениями в изобретении в паровой турбине, соединенной с генератором, расширяется меньшее количество пара.
Соответственно, настоящее изобретение имеет следующие достоинства и преимущества: генератор и соединенная с ним паровая турбина имеют уменьшенные размеры; процедура запуска упрощается по сравнению с предшествующим уровнем, поскольку импортируемая энергия Р2 удовлетворяет требованиям процедуры запуска; исключается необходимость в специализированных газовых двигателях для генерации мощности запуска; можно заключить договор на импорт фиксированной электрической мощности Р2 из внешнего источника.
Способ по настоящему изобретению может включать стадию первичного риформинга углеводородного сырья в присутствии пара и стадию вторичного риформинга полученного таким образом первого риформинг-газа. Стадию первичного риформинга осуществляют в установке парового риформинга с горелками. Стадия вторичного риформинга представляет собой вторичный риформинг, с огневым подогревом воздуха, по меньшей мере части первого риформиг-газа; в некоторых вариантах часть риформинга осуществляют как риформинг с подогревом газа, проходящий последовательно или параллельно со стадией вторичного риформинга.
Соответственно, согласно одному из предпочтительных вариантов, риформинг углеводородного сырья для получения подпиточного газа включает стадию первичного риформинга по меньшей мере части углеводородного сырья с паром для получения первого газа частичного риформинга, стадию вторичного риформинга, с огневым подогревом воздуха, первого газа частичного риформинга для получения неочищенного продуктового газа, и процесс очистки неочищенного продуктового газа.
2
2
Способ по настоящему изобретению может также включать очистку неочищенного продуктового газа (конечного газа) для получения подпиточного синтез-газа и его преобразование в аммиак в контуре синтеза. Вышеуказанный первичный риформинг предпочтительно осуществляют при температуре по меньшей мере 790°С и абсолютном давлении по меньшей мере 50 бар, стадию вторичного риформинга осуществляют по существу без избытка воздуха, по сравнению с его стехиометрическим количеством, и молярное отношение Н к N в подпиточном синтез-газе находится в диапазоне от 2,5 до 3.
Первичный риформинг предпочтительно осуществляют в пучке труб, наполненных катализатором (каталитические трубы), с внешним нагревом, и вышеуказанные величины температуры и давления относятся к технологическому газу, выходящему из каталитических труб первичного риформинга.
Вышеуказанная температура "по меньшей мере 790°С" предпочтительно больше 800°С и более предпочтительно больше 810°С.
2
2
Молярное отношение Н к N предпочтительно находится в диапазоне от 2,6 до 2,8.
2
2
2
2
2
Под стехиометрическим количеством воздуха понимается количество воздуха, которое необходимо для обеспечения молярного отношения Н к N порядка 3 в подпиточном газе, подаваемом в контур синтеза, то есть, оно зависит по существу от количества водорода Н в подпиточном газе. "По существу без избытка воздуха" должно пониматься как количество воздуха, при котором будет получено молярное отношение Н к N будет 2,5 или выше.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов процесс риформинга, включающий первичный риформинг и вторичный риформинг, осуществляют при общем отношении водяной пар/углерод, равном 2,9 или больше, предпочтительно больше 3. "Общее отношение водяной пар/углерод" следует понимать как общее отношение водяного пара к углероду, подаваемым в процесс риформинга. Такое относительно высокое отношение водяной пар/углерод выгодно для конверсии исходного сырья. Причем этот полезный эффект усиливается при повышенном давлении первичного риформинга, а именно, по меньшей мере 50 бар (абс. давление).
В соответствии с другим из предпочтительных вариантов процесс риформинга включает также риформинг части углеводородного сырья с паром на стадии риформинга с подогревом газа в установке риформинга с подогревом газа, которую осуществляют последовательно или параллельно со стадией вторичного риформинга с огневым подогревом воздуха.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов очистка исходного газа включает стадию высокотемпературного сдвига (ВТС) по меньшей мере в одном высокотемпературном преобразователе. Пар, используемый в паровых турбинах установки, и пар, используемый в установке первичного риформинга (также указывается как технологический пар) получают с использованием тепла, извлекаемого из различных технологических потоков, в основном из процессов первичного риформинга и ВТС.
Поскольку часть мощности, необходимой для работы установки, импортируется из внешнего источника, и меньшее количество пара расширяется в паровой турбине, приводящей электрический генератор, некоторая часть пара, получаемая с использованием утилизируемого тепла, выгодно перегревается. Источником тепла для перегрева пара является технологический газ до или после ВТС, то есть, поступающий в ВТС-преобразователь или выходящий из него. В этом варианте уменьшается количество пара, производимого входной секцией, и, соответственно, избыточного пара, которого в противном случае было бы слишком много из-за высокого давления и сравнительно высокого отношения водяной пар/углерод процесса риформинга. Соответственно, перегрев пара максимизируется, в результате чего минимизируется производство пара на установке.
В другом варианте тепло, содержащееся в технологическом газа, выходящем из установки вторичного риформинга, с пользой используется для риформинга части подаваемой смеси в установке риформинга с подогревом газа. Таким образом, производство пара на установке, соответственно, снижается.
Риформинг с подогревом газа предпочтительно обеспечивается параллельно с вторичным риформингом, то есть, газ, переработанный в процессе риформинга с подогревом газа, смешивается с газом, переработанным в процессе вторичного риформинга. В альтернативном варианте риформинг с подогревом газа может обеспечиваться последовательно с вторичным риформингом, то есть, газ, переработанный в процессе риформинга с подогревом газа, подается в процесс вторичного риформинга.
Достоинства вариантов, в которых используется риформинг с подогревом газа, включают: режим работы установки первичного риформинга с горелками становится менее напряженным, в результате чего может быть достигнута более высокая производительность (может быть произведено больше аммиака); производство пара снижается, что является достоинством, особенно для установок, работающих автономно.
Технологический газ, используемый для перегрева пара, имеет температуру, предпочтительно выше 400°С, более предпочтительно выше 450°С, и еще более предпочтительно выше 500°С.
Предпочтительно конверсия подпиточного синтез-газа в аммиак осуществляется при давлении в контуре, которое в 2-3,5 раза больше давления технологического газа на выходе каталитических труб установки первичного риформинга. Под давлением в контуре понимается давление на выходе циркуляционного насоса контура. Более предпочтительно указанное давление в контуре находится в диапазоне 100-200 бар и еще более предпочтительно в диапазоне 120-160 бар.
Соответственно, давление подпиточного синтез-газа повышают до давления в контуре с помощью подходящего газового компрессора. В предпочтительном варианте поток с выхода главного газового компрессора подается на сторону всасывания циркуляционного насоса контура. В этом случае нагрузка на газовый компрессор снижается, поскольку давление частично повышается циркуляционным насосом. Соответственно, снижается мощность, потребляемая компрессором, для заданной производительности.
В предпочтительном варианте газовый компрессор приводится конденсационной паровой турбиной без отбора пара, и в эту турбину подается пар среднего давления. Такая турбина существенно проще и дешевле. Термин "среднее давление" относится к давлению, которое на несколько бар выше давления в процессе риформинга.
Такой газовый компрессор предпочтительно представляет собой однокорпусную машину с одной секцией сжатия. Это возможно благодаря относительно высокому давлению в процессе риформинга. Газовый компрессор, который может работать на пониженной скорости (обороты в минуту), более эффективен и имеет более простую конструкцию. В этом случае обеспечивается возможность уменьшения площади, занимаемой оборудованием, и стоимости установки.
Давление воздуха, подаваемого в установку вторичного риформинга, с выгодой повышается в воздушном компрессоре, приводимом паровой турбиной. В некоторых вариантах осуществления изобретения воздушный компрессор (вместо компрессора синтез-газа) становится самым большим потребителем мощности. Соответственно, пар при максимально возможном давлении используется для привода паровой турбины, соединенной с воздушным компрессором; причем пар, выбрасываемый или отбираемый из турбины, предпочтительно используется для первичного риформинга.
Это выгодно с точки зрения эффективности процесса, поскольку сжатие воздуха может обеспечиваться с гораздо более высокой эффективностью, чем сжатие синтез-газа. Это происходит большей частью благодаря возможности использовать, в некоторых вариантах, воздушный компрессор со встроенным редуктором, который не подходит для синтез-газа.
Кроме того, паровая турбина может быть легко соединена с воздушным компрессором с помощью специального вала с шестерней для требуемой скорости: так что отсутствуют ограничения на размеры паровой турбины, соединенной с воздушным компрессором.
Как уже указывалось, воздушный компрессор предпочтительно представляет собой турбомашину со встроенным редуктором. Турбомашина со встроенным редуктором обычно сконструирована для работы на фиксированной скорости, и в ней обычно осуществляется управление лопатками входного направляющего аппарата, установленного на стороне всасывания. На эффективность работы этого компрессора влияют флуктуации объемного расхода подаваемого воздуха, которые возникают в результате флуктуаций температуры воздуха днем и ночью, зимой и летом.
Для работы в режиме, близком к режиму максимального КПД, и чтобы оставаться в диапазоне регулирования лопаток входного направляющего аппарата, подаваемый воздух может быть нагрет или охлажден на стороне всасывания воздушного компрессора, так чтобы температура на входе воздушного компрессора поддерживалась в заданном диапазоне.
Нагреватель и/или охладитель предпочтительно объединены с воздушным фильтром на стороне всасывания воздушного компрессора для уменьшения занимаемой площади и экономии расходов.
Этот вариант обеспечивает эффективное средство для надлежащего управления воздушным компрессором и поддержания его работы в оптимальном диапазоне, то есть, обеспечивает наиболее экономичную работу. Это является существенным достоинством, поскольку даже малые изменения эффективности работы воздушного компрессора оказывают значительное влияние на потребление энергии всей установкой.
В соответствии с одним из предпочтительных вариантов конверсию подпиточного синтез-газа в аммиак осуществляют в двух реакторах, установленных последовательно, так что поток, выходящий из первого реактора, участвует в реакции во втором реакторе.
В предпочтительном варианте поток, выходящий из первого реактора, охлаждают перед подачей во второй реактор в подходящем теплообменнике, установленном между двумя реакторами. Достоинство этого варианта заключается в том, что обеспечивается возможность производства пара в теплообменнике путем охлаждения потока газа, выходящего из первого реактора.
Достоинство такого решения заключается также в том, что поток охлажденного газа может быть эффективно использован для продувки резервуара, работающего под давлением, второго реактора. Температура газа достаточно низка, чтобы исключать возникновение зоны азотирования, так что обеспечивается безопасная работа второго реактора.
Другим объектом настоящего изобретения является установка для производства аммиака из углеводородного сырья в соответствии со способом по п. 1, содержащая:
а) секцию первичного риформинга, подходящую для риформинга углеводородного сырья с паром при температуре по меньшей мере 790°С и давлении по меньшей мере 50 бар для получения первого риформинг-газа;
б) секцию вторичного риформинга с огневым подогревом воздуха, подходящую для вторичного риформинга первого риформинг-газа для получения неочищенного продуктового газа;
в) воздушный компрессор, обеспечивающий повышение давления воздуха, подаваемого в секцию вторичного риформинга;
г) по меньшей мере один электрический генератор для внутренней генерации электрической мощности;
д) паровую турбину для привода воздушного компрессора и генератора;
е) секцию очистки неочищенного продуктового газа для получения подпиточного синтез-газа, причем секция очистки содержит реактор для высокотемпературного сдвига и перегреватель пара, установленный непосредственно выше или ниже по потоку от указанного реактора сдвига и обеспечивающий перегрев по меньшей мере части пара, получаемого путем охлаждения первого риформинг-газа или потока, выходящего из указанного реактора сдвига;
ж) секцию конверсии, включающую контур синтеза, для конверсии подпиточного синтез-газа в аммиак;
причем установка имеет необходимость в мощности запуска, а упомянутый генератор рассчитан на генерацию мощности, которая меньше мощности, необходимой для работы установки, и обеспечивается импорт установкой остальной мощности из внешнего источника, причем импортируемая мощность равна или больше упомянутой мощности запуска установки.
В предпочтительном варианте установка для производства аммиака содержит установку риформинга с подогревом газа, подключенную последовательно или параллельно с секцией вторичного риформинга.
Другим объектом настоящего изобретения является способ эксплуатации установки для производства аммиака, которому требуется определенная мощность для работы в установившемся режиме и определенная мощность (Ps) запуска для обеспечения запуска, отличающийся тем, что на аммиачной установке вырабатывают первую электрическую мощность (Р1) с помощью генератора установки, приводимого паровой турбиной, и вторую электрическую мощность (Р2) импортируют из источника электрической мощности, который является внешним по отношению к установке, причем вторая электрическая мощность равна или больше мощности (Ps) запуска.