浅谈航天炉密封气由N2改为CO2对合成氨系统的影响

浅谈航天炉密封气由N₂改为CO₂

对合成氨系统的影响

张培建，刘泽庞，蔡云云

（河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南 开封  475000）

［摘  要］ 阐述航天炉环腔保护气和烧嘴保护气由N₂改为CO₂后对合成氨装置合成气成分及液氮洗系统的影响，并介绍其增产效益，以及初步探索尚存在的问题与不足。

［关键词］ 合成氨装置；航天炉；密封气；N₂；CO₂；影响；合成气成分；液氮洗系统

    ［中图分类号］ TQ 544  ［文献标志码］ B  ［文章编号］ 1004-9932（2017）01-0015-02

1  概  述

河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司百万吨总氨项目有4台航天粉煤加压气化炉，投煤量5 000 t/d，产品产能为1 200 kt/a合成氨、1 200 kt/a尿素（含400 kt/a大颗粒尿素）、810 kt/a稀硝酸、600 kt/a硝酸铵（含400 kt/a多孔硝铵）、600 kt/a硝基复合肥、200 kt/a浓硝酸，副产36 kt/a浓硫酸。

合成氨装置由空分、气化、净化、氨合成、氨冷凝及氨储存等工段组成。空分工段包括2套32 000 m³/h和1套64 000 m³/h空分装置。气化工段共有4台300 kt/a航天炉（以合成氨产能计），以干粉煤为原料，在较高的温度（1 400～1 700 ℃）及压力（4.0 MPa）下，以纯氧及少量蒸汽为气化剂在气化炉中对粉煤进行气化，生产以(CO+H₂)为主的粗煤气。变换工段将气化系统送来的粗煤气中的CO和水蒸气在催化剂的作用下变换反应生成合成氨所需原料气H₂，为低温甲醇洗系统输送合格的变换气。低温甲醇洗系统将粗变换气中的H₂S和CO₂脱除到要求的工艺指标，同时脱除变换气中的NH₃、HCN、HCl和羰基化合物，为尿素装置提供合格的CO₂原料气和为WSA装置提供酸性气。液氮洗工段将低温甲醇洗系统出口的合成气通过分子筛去除10^-6级含量的CO₂，利用深冷技术洗去其中的CO和CH₄，并控制精炼气中H₂∶N₂=3∶1，再送至氨合成工段。

合成氨装置稳定运行中，气化炉产出粗煤气有效气含量的高低会影响合成氨产量。在航天炉正常生产中，粉煤输送一般采用N₂作为主要气源。CO₂气体作为合成氨副产温室气体，大部分作为尿素原料气，剩余部分会排放至大气中。

2  气化炉密封气改为CO₂对后续系统的影响

为节能减排增效，近1 a来，晋开集团二分公司尝试将航天炉环腔保护气和烧嘴保护气由N₂改为CO₂，多次进行了将航天炉密封气N₂切换为CO₂的试验。具体切换过程如下：开车初期，气化炉点火后，后续工段未开启，气化炉粉煤输送、环腔保护气、烧嘴密封气全部为N₂，在变换和低温甲醇洗系统运行正常后，低温甲醇洗系统副产的CO₂气体会送至尿素车间作为原料气使用，多余的CO₂气体则通过输煤压缩机加压至6.0 MPa送至气化车间作为烧嘴保护气和气化炉环腔保护气使用，以减少CO₂的外排。实际运行情况表明，航天炉环腔保护气和烧嘴保护气切换为CO₂后，对航天炉炉温、合成气组分以及后续工段都产生了较大的影响。

2.1  对合成气成分的影响

航天炉主要利用高压O₂、高压煤粉及高压水蒸气发生氧化还原反应得到以（CO+H₂）为主要气体成分的粗煤气。气化单元主要反应有：C+O₂=CO₂；C+CO₂=2CO；C+H₂O=CO+H₂；C+2H₂=CH₄。据气化反应方程式可知，增加气化炉中CO₂的浓度，主要影响产生CO₂的逆反应如C+O₂=CO₂，以及产生CO的正反应如C+CO₂=2CO。即增加气化反应中CO₂的浓度，会增加合成气中CO的浓度，从而降低合成气中N₂的浓度，达到增加粗煤气中有效气成分的目的。

在公司对CO₂压缩机进行例行检修的情况下，输煤压缩机于2015年6月25日10：55停机，6月26日16：48开机，4台气化炉切换CO₂气体作为气化炉环腔保护气和烧嘴保护气。对切换前后实际粗合成气成分分析数据进行对比，以考察气化炉密封气由N₂切换为CO₂后对有效气成分的影响，见表1～表4（表1、表2为气化系统未使用CO₂气体作为气化炉密封气时的数据；表3、表4为气化系统使用CO₂气体作为气化炉密封气时的数据）。

表1  6月25日气化炉出口粗合成气成分分析数据    %

    表2  6月26日气化炉出口粗合成气成分分析数据    %

由表1、表2可以看出：在气化系统未使用CO₂气体作为气化炉密封气时，气化炉出口粗合成气中N₂含量偏高，有效气成分偏低，对净化工段液氮洗系统操作稍有影响。

更多内容详见《中氮肥》2017年第1期