天然气组分对合成氨装置的影响

杨 川

（云南水富云天化有限公司合成车间，云南水富 657800）

·设备技改·

天然气组分对合成氨装置的影响

杨 川

（云南水富云天化有限公司合成车间，云南水富 657800）

云南水富云天化有限公司合成氨装置主要是以天然气为原料，若天然气的组分发生较大改变时，则原料气对装置的参数会产生较大的影响。针对天然气组分改变后对合成氨装置产生的影响进行分析，并提出相应的措施进行优化操作。

合成氨；天然气；组分

云南水富云天化有限公司合成氨装置采用凯洛格布朗工艺，以天然气、空气和水蒸气为主要原料生产合成氨。经过多次技术改造及增产改进后，生产能力达到1 500 t／d。

2012年8月18日，由于下载中贵线的天然气，合成氨装置的系统参数出现较大的波动。经过当班人员的调整，装置逐渐稳定，但现在的工艺参数与以前相比有了较大的改变

1 对天然气的组分与相关数据的分析

1.1 天然气的组分与参数

由于下载中贵线天然气，天然气组分发生改变，并网前后的相关参数对比见表1。

表1 并网前后的天然气组分及相关参数的对比［1］［2］Table 1 Comparison the natural gas components and related parameters before and after merge network

从表1中看出，天然气并网后，天然气原料中组分变化最大的是甲烷，从97.3%下降到了89.6%；其次是乙烷、丙烷其它高级烃的组分也相应有所增加，但由于含量较少，影响较小。天然气组分的改变对工艺负荷有直接的影响。另外，由于天然气中的烃组分含量变化较大，天然气的制氢量和二氧化碳产量也有较大影响。

1.2 合成氨装置的工艺参数

天然气组分变化前后，在相同氨产量（FQI－36）下的装置工艺参数的对比情况见表2。

表2 天然气组分变化前后工艺参数对比［1］Table 2 Comparison the process parameters before and after gas composition change

从表2中看出，当氨产量为装置满负荷下的产量时（63.5 t／h），并网后的天然气量消耗减少，FIC－1的量减少到28.2 t／h，但空气量基本没有变化，二氧化碳产量增加了。天然气组分改变后，FIC－1减少，是因为单位体积的天然气制氢量和含碳原子数都增多了，生产相同的合成氨用的天然气体积必然减少。FIC－1实际上经过计算得出的，它是通过限流孔板测量出体积流量，再乘以一个系数，经过温压补正后得到的，所以消耗天然气体积的减少便造成了FIC－1的测量值减少。

1.3 吨氨耗天然气

吨氨耗天然气是指装置每生产一吨合成氨所消耗的天然气体积量。生产的合成氨包括普里森装置回收的驰放气中的气氨，这部分气氨对吨氨耗天然气影响较小，为简化计算忽略这部分气氨。所以，吨氨耗天然气大约为FI－98B／FQI－36的数值。通过查找月报可知，天然气并网前满负荷下的吨氨耗天然气为900～910 m3／t，2013年4月份的工艺考核为值907.44 m3／t。

以满负荷生产为例，由于天然气摩尔质量的增加，若系统的实际负荷相同，则天然气的体积流量必然会比原来少。组分的改变也会导致燃值的改变，从而燃料气量也会有所变化。

1.3.1 原料用天然气的用量

在达到满负荷生产时，依据并网前的氨产量FQI－36（63.5 t／h）、天然气流量FIC－1（28.8 t／h），可以计算出原料用天然气的体积流量为39 035 m3／h。

由于氨产量相同则制氢量相同的原则，并网后：

39035×3.9408÷4.2622＝36091 m3／h

由此可见，并网后原料用天然气的体积流量减少了2 944 m3／h。

1.3.2 燃料用天然气的用量

由表1可知，并网前天然气的燃值为35 256.83 kJ／m3，并网后天然气的燃值为38 230.25 kJ／m3，则并网后天然气燃值增加了2 973.42 kJ／m3。

通过查询，并网前燃料气用量FI－32B为18820 m3／h。那么并网后燃料气用量应为：

18820×8426.584÷9137.2488＝17356 m3／h

由此可见，并网后燃料用天然气用量减少了1 464 m3／h。

综上所述，在满负荷生产状态下，原料用天然气消耗减少了2 944 m3／h，燃料用天然气消耗减少了1 464 m3／h，天然气消耗总共减少了4 410 m3／h。

因此，吨氨耗天然气为855 m3／t，比并网前大约少了50 m3／t。

1.4 二氧化碳产量

满负荷生产时，并网前的CO2总产量为：39035×0.9987＝38980 m3／h，并网后的CO2总产量为：36091×1.1＝39700 m3／h。在满负荷时，并网后天然气的CO2产量多720 m3／h。

2 对合成氨装置的影响

2.1 装置满负荷的改变

当天然气组分发生变化后，工艺负荷FIC－1 为28.2 t／h时，氨产量FQI－36便已经超过了装置的设计值62.5 t／h，若再将FIC－1加至28.8 t／h，则装置将会超负荷运行。由于装置本身的限制，若长期超负荷连续运行，将会造成许多不利影响；而且，由于装置受温度、压力、管道阻力、流体输送能力等的限制，也不可能长期超负荷运行。

2.2系统的水碳比

系统水碳比即为加入系统的水蒸气分子数与天然气碳原子数之比。由表1可知，并网前1体积天然气中含有0.9865体积的碳原子，并网后1体积天然气中含有1.0947体积的碳原子。

根据水碳比计算公式［2］：

式中：FIC2是指加入系统的水蒸气流量，t／h；FIC1是指加入系统中天然气的流量，t／h；M气是指天然气的摩尔质量，g／mol；Σ碳原子是指天然气中碳原子的体积分数。

并网之前，水碳物质的量比一直控制在3.2。根据以上公式，即可计算出并网后实际的水碳物质的量比。

并网前，计算的水碳比为：

并网后，计算的水碳比为：

根据上述两式，可以计算出并网后水碳比为3.11。水碳比与之前相比稍微偏低，为了将实际水碳比控制在3.2操作，可以将计算的水碳比提高。

那么计算的水碳比应该控制在：

所以，现在需要将计算的水碳比提高至3.35操作，才与实际水碳比3.2相符合。

2.3 系统的空气量

向系统中加入空气的目的是为了提供合成反应所需要的氮气以及调整合成塔的氢氮物质的量比。只有将合成塔的氢氮物质的量比控制在适当的范围内（一般是在2.5～2.9），合成塔才能进行更好的反应。一旦氢氮物质的量比失调，反应的平衡将会被打破，导致系统压力上升、合成塔床温下降、氨产量下降，严重时甚至会拉跨合成塔床层温度，使合成反应停止。

根据相同氨产量FQI－36来反推，即天然气制氢量不会发生变化，按照配入的新鲜气的氢氮物质的量比为3∶1计算，则配入系统的氮气在天然气组分变化前后应该一样。将原料天然气中带入的氮气折算后，便可以计算出加入系统的空气量。

并网前，原料天然气中含有氮气0.82%（体积分数），满负荷时FIC－1的天然气体积流量为39 035 m3／h，加入系统中的空气为72.3 t／h。并网后，原料天然气中的含有氮气1.63%（体积分数），满负荷时FIC－1的天然气体积流量为36 091 m3／h。

假设并网后配入系统的空气量为G t／h，根据并网前、后配入系统氮气量相等列出等式：

由此可见，在满负荷下，并网后应加入的空气量为71.9 t／h，比并网前大约少0.4 t／h。但由于并网后的FIC－1只有28.2 t／h左右，则空气与天然气物质的量比为2.55左右，与之前控制在2.5左右的空气与天然气物质的量比相比较，稍微偏高0.05左右。

2.4 系统中的惰性气体含量

并网前、后天然气中的氩气含量（体积分数）分别为0.02%和0.026%。加入空气量偏差0.4 t／h，惰性气体含量相差不大，对系统的影响可忽略。

3 相应对策

3.1 满负荷的界定

通过对整个合成氨装置的系统参数衡量，用氨产量来定义装置是否达到满负荷比较合适，这样既能保证装置的生产能力，又不会使装置超负荷运行。

通过对比以前的历史数据，再结合目前装置的运行情况，以氨产量（即FQI－36）达到63.5 t／h［3］定义为装置生产的满负荷比较合适。

3.2 水碳比的控制

根据目前的工况，水碳比应该提高至3.35操作。若考虑到天然气组分的变化有可能会长期存在，在对系统参数调整时存在有一定的偏差，会增大调整参数的难度，也可以修改FIC－1流量孔板的内部参数，或者修改水碳比的内部参数，以对应以前所控制的3.2的真实值。

3.3 空气与天然气物质的量比的控制

天然气组分变化对空气加入量影响较小，空气会比以前满负荷时少加入0.4 t／h，但由于FIC －1的指示偏低，在不修改FIC－1内部参数前提下，空气量与天然气量之比只需稍微提高至2.55左右，在实际操作中可以根据氢氮物质的量比做具体调整。

3.4 脱碳系统的调整

在满负荷下，二氧化碳的产量将多出720 m3／h，应加强对脱碳系统的调整。

首先，要增加脱碳再生热量，保证再生效果良好；其次，要有足够溶液循环量以保证吸收效果良好，减轻甲烷化炉的负荷；再次，尿素车间的负荷将加重，再生塔压力可能会升高。为保证再生塔防爆板不会爆破，再生塔压力不能超过0.036 MPa，注意对系统水平衡的调节，保证脱碳系统各塔液位稳定。

3.5 合成系统惰性气体含量调整

天然气组分变化后，带入系统的惰性气体含量变化很小，但如果系统蒸汽波动可能造成转化工段出口甲烷含量增加，或是脱碳系统波动也会造成甲烷化炉出口甲烷含量增加，最终将导致进入合成系统的惰气含量增加，在操作时可以根据惰性气体在线指示进行调节。

4 小结

针对合成氨装置天然气组分发生变化后出现的状况，通过理论计算，简单分析了其对装置所造成的一些影响，并提出了相应的对策。

本文的计算结果可能与实际工况存在偏差，但对装置进行优化操作时仍可以起到一定的借鉴作用。

［1］ 云天化股分公司生产数据网.合成氨工艺报表.

［2］ 大连工学院.大型氨厂合成氨生产工艺［M］.北京：化学工业出版社.1984，61.

［3］ 云天化股分公司内部资料.日产1500吨合成氨装置工艺手册.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

杨川（1981－），男，助理工程师，主要从事合成氨生产技术管理工作。