Осушка синтез газа

Крупнотоннажные агрегаты производства аммиака, эксплуатирующиеся в настоящее время в России, были введены в эксплуатацию, в среднем, более 30 лет назад. За это время значительно выросла стоимость энергоносителей и задачи сокращения удельных расходов сырья и энергозатрат на тонну производимой продукции, а также увеличение мощности действующих производств стали особенно актуальными. На подавляющем большинстве агрегатов были проведены реконструкции колонн синтеза аммиака с переводом на радиальные насадки, были внедрены установки выделения водорода из продувочных газов.

Имеется еще одно техническое решение, которое позволяет увеличить выработку продукции или снизить расход энергоресурсов на тонну производимой продукции, которое в настоящее время активно внедряется на агрегатах производства аммиака фирмы ТЕС и агрегатах, построенных по проектам ГИАП – АМ-70 и АМ-76. Это техническое решение – осушка синтез-газа перед входом в колонну синтеза направлено на снижение концентрации H2O и CO2, которые являются обратимыми каталитическими ядами для железного катализатора, применяемого в колонне синтеза аммиака, и приводящие к снижению его активности, а, следовательно, и к выработке продукта.

Ранее на зарубежных и некоторых отечественных агрегатах для осушки синтез-газа перед колонной синтеза применялась цеолитная адсорбционная осушка. Эта система характеризовалась рядом недостатков, в том числе: заметное гидравлическое сопротивление, постоянные затрат энергии на регенерацию адсорбента, необходимость замены цеолитов не реже раза в 2 года, повышенные требования к обслуживанию и герметичности автоматической арматуры.

В 2007 году ОАО «ГИАП» была разработана и успешно внедрена на ОАО «Невинномысский Азот» технология осушки синтез газа промывкой жидким аммиаком с переобвязкой узла ввода свежего синтез-газа. Эта технология проста в эксплуатации, экономична по капитальным и эксплуатационным затратам,  позволяет обеспечить глубину осушки синтез-газа до 0 ppm, позволяет снизить концентрацию аммиака на входе в колонну синтеза, позволяет сократить удельные расходы на производства продукционного аммиака и увеличить его выработку. Более подробно преимуществ предлагаемой технологии, которая уже имеет успешную промышленную реализацию, будут рассмотрены ниже.

 

Цели предлагаемой реконструкции

  • снижение потребления аммиака давлением 2,55 ата на охлаждение и конденсацию аммиака из циркуляционного потока;
  • снижение циркуляции до значений, обеспечивающих нормальное функционирование аппаратуры цикла синтеза и допустимое гидравлическое сопротивление цикла синтеза;
  • снижение концентрации аммиака на входе в колонну синтеза;
  • уменьшение концентрации воды и других кислородсодержащих примесей на входе в колонну синтеза для обеспечения стабильной работы; активности и увеличения срока службы катализатора;  
  • уменьшение потребления природного газа и электроэнергии.

 

Основные технические решения

В настоящем предложении приведены технические решения по реконструкции отделений компрессии синтез-газа и синтеза аммиака в агрегатах аммиака фирмы ТЕС и агрегатах построенных по проектам ГИАП. Технологические расчёты, приведенные в настоящем ТКП, проводились на мощность производства  до 1800 т/сутки, однако установка осушки по предлагаемой технологии ОАО «ГИАП»  может быть спроектирована и ни большую мощность агрегата, в том числе на мощность превышающую 2000 тонн аммиака в сутки.

Для достижения  вышеназванных  целей  предлагается выполнить  следующие мероприятия:

  • монтаж системы осушки свежего газа после второй ступени сжатия компрессора синтез газа;
  • изменение точки всаса циркуляционного колеса компрессора синтез-газа;
  • изменение точки ввода свежего газа в отделение синтеза аммиака;
  • опционально установка аэрозольного фильтра для удаления следов масла из синтез-газа (при их наличии).

Более подробное описание этих мероприятий приведено ниже с их разбивкой по отделениям.

 

По отделению компрессии:

Для всех указанных крупнотоннажных агрегатах производства аммиака по отделению компрессии синтез-газа  выполняются одинаковые технические решения.

Между второй и третьей ступенями компрессора синтез-газа  устанавливается система осушки синтез-газа в составе:

  1. Рекуперативного теплообменника поз. Т;
  2. Абсорбера осушителя (скруббер) поз. А.

После четвертой ступени компрессора синтез-газа, при наличии аэрозоля масла в синтез-газе, устанавливается высокоэффективный аэрозольный фильтр (поз. Ф).

Таким образом, технологическая схема модернизированного отделения компрессии отличается от существующей схемы компрессора синтез-газа наличием вышеуказанного оборудования, а также примыкающими к ним дополнительными трубопроводами, арматурой и измерительными приборами.

Технологическая схема обвязки компрессора синтез-газа остается без изменения  вплоть до выхода сжатого газа после второй ступени из сепаратора.

Далее газ поступает в трубное пространство рекуперативного теплообменника поз. Т, где охлаждается до –22 °С  и направляется в нижнюю часть скруббера  поз. А.

В скруббере газ промывается жидким аммиаком и охлаждается до –30 °С, после чего поступает в межтрубное пространство рекуперационного теплообменника поз. Т.

Далее очищенный от примесей диоксида углерода и водяных паров синтез-газ с температурой 3,5 °С поступает на всас третьей ступени компрессора синтез-газа.  Жидкий аммиак (АМА) подается на верх в скруббера поз. А из сепаратора после вторичной конденсации.

Неиспарившуюся часть жидкого аммиака (АМВ) из куба скруббера А,  возвращают в сборник жидкого аммиака после первичной конденсации, или непосредственно в емкость выдачи жидкого аммиака на изотермическое хранилище.

 Осушка АВС_1Рис. 1 Принципиальная технологическая схема модернизации отделения компрессии синтез газа с установкой осушки синтез-газа.

 

Состав очищенного газа на входе в 3-ю ступень компрессора представлен ниже в Таблице.


Таблица

Характеристика очищенного газа на всасе третьей ступени компрессора

Параметр

Ед. измерения

Значение

1

Объёмный   расход

нм3/час

230332

2

Температура

° С

3,30

3

Давление

ата

89,9

Состав очищенного газа, % мол.

4

NH3

% об.

1,9645

5

H2

% об.

72,9287

6

N2

% об.

24,1285

7

Ar

% об.

0,2716

8

СН4

% об.

0,7067

9

H2O

% об.

0,0000

 

Состав жидкого аммиака на входе и выходе скруббера поз. А представлен ниже в Таблице

Таблица

Характеристика жидкого аммиака на входе и выходе скруббера поз. А

Параметр

Ед. измерения

Значение

Вход   (АМА)

Выход

(АМВ)

1

Весовой   расход

кг/час

4379,15

1419,6

2

Температура

°С

-8,65

-29,45

3

Давление

ата

91,0

90,8

Состав потока, % мол.

4

NH3

% об.

98,9533

97,2852

5

H2

% об.

0,4584

0,0992

6

N2

% об.

0,1239

0,0282

7

Ar

% об.

0,0800

0,0012

8

СН4

% об.

0,3844

0,0064

9

H2O

% об.

0,0000

2,5797

Возможна также модернизация отделения компрессии на реконструированных агрегатах фирмы ТЕС, где была внедрена адсорбционная осушка синтез-газа на цеолитах. При этом система цеолитной осушки выводится из эксплуатации, а вместо неё монтируется описанная выше установка осушки жидким аммиаком. При этом:

  • В целом упрощается технологическая схема компрессии синтез-газа;
  • Упрощается пуск и эксплуатация компрессора синтез-газа;
  • Упрощается система управления;
  • Устраняется периодичность процесса осушки;
  • Не требуется использования пара 40 для регенерации;
  • Не требуется использование дополнительных материалов (сорбентов) и, соответственно, устраняются расходы на их приобретение, хранение и утилизацию;
  • Исчезают ограничения на повышение производительности агрегата, связанные с гидравлическими проблемами и проблемами временных изменений циклов адсорбции и десорбции, возникающими при увеличении расхода газа;
  • Установка осушки по технологии   ОАО «ГИАП» может быть спроектирована на мощность агрегата по аммиаку, превышающую 2000 тонн в сутки.

Ниже в Таблице  приведены характеристики оборудования установки осушки.

Таблица

                              Характеристики оборудования установки осушки

№ поз.

Наименование

Кол.

Основные характеристики

Т

Рекуперативный   теплообменник

1

Теплообменник   кожухотрубного  типа.Внутренний   диаметр – 600 мм;Поверхность   теплообмена — 276м2
Диаметр   труб — Ø16х2 мм;Длина   труб — 9000 мм;

Количество   труб — 613  шт.

Вес — 10900 кг.

А Скруббер 1 Внутренний   диаметр –1400 мм;Высота   – 11400 мм (с опорой);Тип   насадки — металлическая «HY-PAK»;Диаметр — 38,1мм;

Вес скруббера без насадки — 21,5 т

Ф* Аэрозольный   фильтр(опционально) 1 Внутренний диаметр – 800 мм;
Высота – 4,5 м (с опорой)

 

* На этапе предпроектной проработки проводится анализ содержания аэрозоля масла в синтез-газе после четвертой ступени компрессии. Если анализ покажет наличие масленого аэрозоля,  то в состав проекта будет включено техническое решение об установке высокоэффективного аэрозольного фильтра для удаления следов масла из синтез-газа. Эта мера необходима для предотвращения отравления лобовых слоев катализатора колонны синтеза соединениями серы, которые могут присутствовать в некоторых сортах машинного масла.  Однако, как показал опыт внедрения установки осушки на ОАО «Невинномысский Азот», масленый аэрозоль в синтез-газе после 4 ступени компрессора может отсутствовать, а применяемые для уплотнения сорта масла не содержать соединения серы.  В этом случае установка аэрозольного фильтра не требуется, более того является нежелательной, поскольку он создает постоянное дополнительное гидравлическое сопротивление, что приводит к дополнительной нагрузке на компрессор и повышению эксплуатационных затрат.

 

По отделению синтеза аммиака:

В отделении синтеза аммиака предлагаются следующие корректировки существующей технологической схемы:

  • ввод свежего синтез-газа производится перед выносным теплообменником колонны синтеза;
  • точка всаса циркуляционного колеса компрессора синтез-газа переносится на трубопровод после конденсационной колонны;
  • монтируется линии подачи жидкого аммиака из сепаратора конденсационной колонны в систему осушки и возвратная линия в сборник;
  • точка отбора продувочного газа переносится на линию после конденсационной колонны;
  • точка отбора длинного байпаса переносится на линию после циркуляционного колеса.

Такое техническое решение возможно только при условии реализации установки осушки синтез-газа в отделении компрессии и позволяет снизить нагрузку на циркуляционный компрессор за счет сокращения объема циркуляционного газа на 10 % при равной нагрузке продукционному аммиаку и/или увеличить производительность агрегата. Также это техническое решение позволяет разгрузить колонну конденсации продувочных газов.

 Осушка АВС_2

Рис. 2 Принципиальная технологическая схема реконструкции отделения синтеза на примере агрегатов АМ-70 и АМ-76

 

Эксплуатационные показатели.

Материальные, экономические и сопутствующие выгоды от проведения модернизации отделения синтеза аммиака и компрессии синтез газа

1  Уменьшение потребления природного газа при реализации предлагаемого технического решения  представлено ниже в Таблице

Таблица

№ п/п

Наименование

Вариант 2  по сравнению с   Вариантом 1 (Базовый)

1

Уменьшение    потребления природного газа 

стм3/час
(20 °С, 760 мм рт. ст)

994,16

миллионов стм3/год

(20°С, 760   мм рт.ст (7920 рабочих часов)

7,8738

2

Экономия

тысяч $/год

более 1000

3

Снижение энергоемкости производства

Гкал/т

0,151

 

2 Преимущества предлагаемых решений в результате сокращения мощности компрессора:

  • При производстве пара  100 во вспомогательном котле
  • При перегреве пара 100 в горелках пароперегревателя
  • От снижения выброса дымового газа и потребления пара 40 на турбины дымососа
  • Снижается нагрузка на компрессор синтез газа
  • От снижения расхода питательной воды и расхода пара 40 на насосы питательной воды
  • От снижения нагрузки на конденсатор турбины компрессора синтез-газа и расхода электроэнергии на приводах вентиляторов
  • От снижения нагрузки на конденсатные насосы и расхода электроэнергии на их приводы
  • Снижение числа остановок из-за повышенной нагрузки агрегата, что в своё очередь приведёт к повышению надёжности турбокомпрессорного оборудования

3 Улучшение экологических параметров в результате реализации предлагаемых решений:

  • От снижения выброса дымового газа (на 1000 нм3/час)
  • От снижения подачи парового конденсата на ХВО.

 

Общие выводы

Предложенный перечень технических решений открывает возможности для дальнейшей модернизации отделения синтеза аммиака с увеличением мощности.

Предложенная система мероприятий по реконструкции отделения синтеза  аммиака и компрессии синтез — газа агрегата производства аммиака дает возможность предприятию:

  • Нарастить мощность агрегата  аммиака
  • Сократить выброс дымовых газов в атмосферу
  • Снизить расход природного газа
  • Снизить суммарно энергоемкость производства
  • Снизить себестоимость производства аммиака за счет снижения энергоемкости производства и   удельных накладных расходов.
  • Получить дополнительную прибыль от наращивания мощности агрегата
  • Повысить надежность и устойчивость работы

ОАО «ГИАП» имеет огромный опыт проектирования, модернизации и технического перевооружения крупнотоннажных производств аммиака, является генеральным проектировщиком агрегатов производства аммиака АМ-70 и АМ-76. Имеющийся опыт и новейшие научно-технические разработки позволяют нашим специалистам разработать проект модернизации отделений компрессии и синтеза аммиака с внедрением установки осушки максимально адаптированной для Вашего производства, что обеспечивает минимизацию капитальные вложения и получение максимального экономического эффекта от предлагаемой модернизации.