凯洛格与布朗合成氨工艺的技术特点及其节能降耗技术

梁木荣

（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600)

1 合成氨工业发展概述

美国凯洛格（Kellogg）公司于20世纪60年代以单系列和蒸汽透平为驱动力的大型合成氨装置，实现了合成氨工业的一次飞跃。70年代，受到能源危机和天然气涨价的影响，美国凯洛格、丹麦托普索等有名的合成氨公司又相继开发出了节能降耗的合成氨工艺技术。并随后产生了美国凯洛格工艺、美国布朗工艺、英国ICI工艺、丹麦托普索工艺等合成氨工艺。

2 凯洛格合成氨的工艺技术特点及其节能降耗技术分析

2.1 凯洛格合成氨的工艺技术特点概述

凯洛格公司开发的KREP合成氨工艺是传统合成氨工艺的代表，其技术特点包括利用转化法进行干法脱硫，原料气的制备采用两段天然气蒸汽转化法，气体净化的方式通过高温变换CO、湿法脱碳去除CO2和甲烷化，然后再进行合成与分离。KREP合成氨工艺可以充分地利用能量，利用反应余热回收蒸汽，然后以汽轮机驱动离心式压缩机。

凯洛格合成氨工艺还具有以下技术特点：

（1）采用汽轮机驱动的离心式压缩机，使气体不会受到油雾的污染；

（2）设置了锅炉给水预热器，将氨合成的反应热进行回收并用于加热锅炉给水，使热量可以充分回收利用。

（3）采用三级氨冷，合成后的气体通过一级降温达到-23℃；液氨在冷冻系统经过三级闪蒸，压力不同的三种气氨分别回到对应的离心式氨压缩机压缩段中。所有的气氨一次性压缩到高压，然后冷凝，与一次性蒸发的工艺相比减少了功耗损失。

（4）放空管线设置在压缩机循环段前面，这个位置惰性气体和氨的含量都最高，因为是回收放空气中的氨，所以可以减少氨的损失。

（5）氨冷凝过程设置在压缩机循环段之后，能够加强清除气体中含有的CO2、密封油等杂质[1]。

2.2 凯洛格合成氨工艺的节能降耗技术分析

2.2.1 节能型的蒸汽转化

利用低温烟气对燃烧空气进行预热，可以减少烟道气的热量损失，并提高转化炉的热效率；提高进入炉管的混合气体的温度，并且提高操作压力使出口温度降低，从而减小了辐射段的热负荷；提高二段炉工艺空气的预热温度，减轻了对一段炉的要求；在二段炉后面还设有蒸汽过热器，以平衡能量的利用；更新了一段炉的结构，将保温砖改成陶瓷纤维保温，从而降低炉顶温度并减少了热量损失。

2.2.2 改造合成与冷冻系统

首先，卧式合成塔的使用使合成的能耗大幅降低。卧式合成塔的优点：缩短了气体在催化剂层中的行径，减少了循环功耗；小颗粒催化剂的应用使催化剂活性提高，减小了设备的体积，并且提高了氨合成的净值；卧式合成塔与径向塔对比而言，气体通过催化剂层的截面积相同，避免产生局部阻力；每层设有布气装置可均匀地分布气流，从而提高氨的合成率。其次，使用组合式氨冷器，将几个独立的冷冻设备和循环换热气合为一体，简化了设备结构也减少了投资费用，并且降低冷损和阻力。

2.2.3 改良型低能耗制氨工艺的节能降耗技术

凯洛格公司对原来的合成氨工艺进一步改进，得到了“改良型低能耗制氨工艺”，它具有以下技术特点使能耗降低：首先，采用平行转化器，并利用二段炉出口的工艺气作为热源提供给一段转化炉，从而可以减少25%～50%的燃料使用量。其次，采用低压合成与低压力降的合成塔，从而节约了大量压缩功。此外，采用水吸收法，将氨水精馏回收氨，再用分子筛对水洗厚度循环气进行脱水；采用燃气透平带动压缩机，高温尾气被用于一段炉的燃烧空气，提高了燃气透平的效率。

2.2.4 凯洛格合成氨新工艺（KAAP）

凯洛格合成氨新工艺（KAAP）是于1979年由英国石油公司（BP）和美国凯洛格公司联合开发的，并且于1992年由加拿大的奥西罗合成氨厂首次实现使用非铁催化剂的合成氨工业化生产。KAAP技术以天然气蒸汽转化和低压氨合成催化剂为基础，它的技术核心是低温低压高效合成氨催化剂，它是以石墨化的碳为载体的钌基催化剂，活性比铁催化剂高10～20倍，在低温低压下具有高活性，它扩大了氢氮比的可操作范围，（1:1）～（3:1）皆可，增加了合成氨厂的设计灵活性。KAAP 技术可以提高20%～40%的合成系统能力。

3 布朗合成氨工艺特点及其节能降耗技术分析

1）布朗工艺是由C.F.Braun公司开发，20世纪90年代与布朗和鲁特公司合并称为Brown&Root Brown公司。我国也在20世纪90年代先后建立起了4座布朗工艺合成氨厂。布朗公司通过研究降低合成氨过程中的燃料能耗方面，开发出具有“温和的一段转化、二段炉加入过量空气、深冷净化”特点的布朗合成氨工艺。

2）布朗合成氨工艺是当代先进的合成氨工艺技术之一，虽然跟其他合成氨流程大同小异，但也有其自身的工艺技术特点：①轻度一段转化。通过将负荷转移到二段炉，降低了一段炉的负荷（可减少50%负荷），使一段炉的转化条件更加温和；②二段炉空气用量是常规工艺的1.5倍，从而可以降低总燃料消耗约三分之一；③采用燃气透平驱动空气压缩机，节省了投资成本；④深冷净化除去过量氮气、甲烷、氩气，减少了循环气量和工艺气驰放损失并节省了压缩功耗。

深冷净化。甲烷化后的工艺气通过深冷装置净化，除去过量氮气、甲烷、氩气，减少了循环气量和工艺气驰放损失并节省了压缩功耗。深冷净化工艺具有以下几个方面的优越性：首先是能耗低；其次是节约了投资费用，主要是降低了转化炉的投资，大概可以节约一段炉1/3的投资，而一段转化炉又是成本最高的设备，并且还由于新鲜气杂质少，使合成系统得到简化并减少了合成系统的投资；再次，由于新鲜气的毒物和惰性气体含量较少，提高了氨的合成净值，并减少了冷冻功和循环功功耗；此外还加强了操作的机动性。

一、二段炉转化。深冷净化的应用大幅降低了对二段炉的要求，包括对氢氮比和甲烷含量的要求都降低了。二段炉的出口温度比之前的工艺降低了100℃，二段空气用量是普通的1.5倍，使一段炉出口温度降低到700℃，甲烷转化率不足50%，因此大幅降低了一段炉的热负荷。并且由于燃气透平的尾气可以作为燃烧空气，因此大幅降低了一段炉的燃料用量。

空气压缩机采用燃气透平。因为工艺空气量增加了50%，所以需要加大空气压缩机。使用燃气透平式压缩机可以将排放的尾气作为一段炉的燃烧空气，从而很大程度上提高了燃料的利用率。

脱碳。脱碳采用改良本菲尔法和巴斯夫的MDEA法。改良本菲尔法也就是设置一组喷射泵热压缩器从半贫液中抽吸闪蒸出来的部分水蒸气，闪蒸汽与动力蒸汽混合并进入再生塔上面作为汽提蒸汽。变气废热锅炉生成动力蒸汽提供给喷射泵使用，对半贫液的热能进行了充分利用，闪蒸出蒸汽作为再生汽提汽，所以降低了再沸汽的热负荷。因此，改良本菲尔法的再生不要额外提供蒸汽，只是利用低变气的余热就已经足够。MDEA法则由于被吸收的二氧化碳容易再生，可以采用减压闪蒸的方法再生，从而节省了大量热量；MDEA法性能稳定，对碳钢设备基本不腐蚀；MDEA蒸汽分压较低，净化气及再生气的夹带损失较少，使整个工艺溶剂损失小。

二塔或三塔合成。布朗合成塔的结构和操作都比较简单，只需要一个绝热的催化床层，并且氨合成是在2～3个合成塔中进行，全部热交换都是在塔外，无须冷激，方便使用，相当于绝热反应层间换热型合成塔。