Реформинг

Общая эффективность установок была повышена внедрением в традиционную схему установки аммиака следующих модификаций:

• Смещение части реакции риформинга с печи первичного риформинга в сторону реактора вторичного риформинга. Это результат включения в технологическую схему стадии утилизации продувочного газа. Таким образом, водород возвращается в сторону всаса компрессора синтез-

газа, печь вторичного риформинга работает с избытком воздуха, и соотношение водород-азот в подпиточном газе поддерживается на уровне, близком к 3: 1.

Рис.8. Реформинг.

Общая эффективность установок была повышена внедрением в традиционную схему установки аммиака следующих модификаций:

• Смещение части реакции риформинга с печи первичного риформинга в сторону реактора вторичного риформинга. Это результат включения в технологическую схему стадии утилизации продувочного газа. Таким образом, водород возвращается в сторону всаса компрессора синтез-газа, печь вторичного риформинга работает с избытком воздуха, и соотношение водород-азот в подпиточном газе поддерживается на уровне, близком к 3: 1.

• Подогрев технологического воздуха для реактора вторичного риформинга до более высокой температуры (540 °С) Смещение части реакции в сторону реактора вторичного риформинга повлечет за собой более низкие рабочие температуры в печи первичного риформинга и экономии топлива.

• Оптимальное использование уменьшенной нагрузки печи первичного риформинга. Это достигается за счет повышения давления в печи риформинга до ∼ 40 бар при сохранении оцененного срока службы реакционных труб 100 000 часов. При этом общее энергопотребление еще дальше сокращается, потому что потребляемая мощность компрессоров уменьшается.

• Подогрев смеси сырье/пар до более высокой температуры

Таким образом, уменьшается потребление топлива печи первичного риформинга, и теплопередача осуществляется в конвекционной зоне, а не в радиантной.

• Уменьшение соотношения пар: углерод до 3, 0

Данное соотношение включает достаточный запас безопасности для предотвращения отложений углерода на катализаторе первичного риформинга. Если к сырью примешивается меньшее количество пара, то в радиантной зоне печи первичного риформинга абсорбируется меньше тепла и снижается расход топлива. Однако, соотношение пар/газ достаточно высоко, чтобы свести до минимума образование побочных продуктов на стадии высокотемпературной конверсий СО (ВТК СО), где применяются хорошо зарекомендовавшие себя коммерческие катализаторы. В паровом риформинге особое внимание заслуживает перегреватель пара, расположенный за реактором вторичного риформинга, который в зависимости от выбранных технологических параметров улавливает от 15 до 40 % тепла, имеющегося в распоряжении между выходом реактора вторичного риформинга и входом высокотемпературной конверсии СО (ВТК СО). Он снабжает конвекционную зону необходимым теплом для перегрева пара ВД, которое там не имеется в нужном количестве в связи с тем, что в энергосберегающих установках тепло максимально рекуперируется для прямого использования в технологическом процессе и сокращения расхода топлива. В результате уменьшенного расходного коэффициента тепло технологического газа в большей мере утилизируется для перегрева пара ВД, но в итоге генерируется меньше пара ВД. Другими словами: С сокращением расхода топлива уменьшается и нетто экспорт энергии.

Использование перегревателя с одной стороны обеспечивает гибкость, необходимую для работы установки в соответствии с любыми технологическими требованиями, а с другой стороны безопасную работу паровой системы в любых нормальных или ненормальных

условиях. Внутренний байпас в зоне испарения позволяет сдвигать

теплопередачу между испарителем и перегревателем. В нормальном режиме работы внутренний байпас остается частично открытым. При закрытии байпаса температура газа на входе перегревателя может быть понижена и генерация пара повышена. Это важная черта для преодоления частичных нарушений работы установки, таких как, например, аварийное прекращение парогенерации на стадии синтеза аммиака.

Синтез аммиака.

Наиболее существенным изменениям по сравнению с ранней схемой подвергался узел синтеза аммиака. Его основной отличительной чертой является высокая степень конверсии, которая достигается с помощью большого объема катализатора. В целях минимизации размера и стоимости реактора синтеза при сохранении низкого перепада давления, необходимо использовать

• мелкозернистый катализатор,

• реактор радиального типа.

Синтез с высокой степенью конверсии имеет значительные преимущества, потому что существенно уменьшаются количество циркуляционного газа, необходимая мощность циркуляционного насоса и поверхность теплообмена. Энергопотребление на охлаждение также уменьшается сверхпропорционально, потому что основная часть полученного аммиака конденсирует уже перед холодильником контура синтеза. Проведенные исследования по использованию новейших высокоактивных катализаторов из благородного металла показали, что ввиду неизвестного развития цен на благородные металлы в будущем, оно не даст никаких экономических преимуществ.

Кроме того, их отличающиеся физические свойства могут вызвать эксплуатационные проблемы, первый из трех слоев заполнен предварительно окисленным катализатором. В зависимости от специфики промплощадки и проекта, три слоя катализатора размещаются либо в одном реакторе, либо в двух реакторах синтеза аммиака. Схемы с одним реактором синтеза аммиака и одним котлом-утилизатором не позволяют оптимально использовать тепло реакции для генерации пара высокого давления. Оптимальная утилизация тепла достигается при размещении между вторым и третьим слоем катализатора дополнительного котла-утилизатора.

Такая компоновка положительно влияет на температуру на стороне газа котловутилизаторов, кроме того, температура питательной воды на входе котла-утилизатора может быть выше. Для этого она может быть подогрета с использованием тепла низкого уровня, имеющегося в других местах установки, например, за узлом НТК СО. При использовании двухкотловой системы количество генерированного пара высокого давления существенно повышается с 1, 1 т до 1, 5 т на тонну аммиака.

Система генерации и распределения пара.

Нижеследующая схема изображает систему утилизации тепла, которая является основой концепции энергосберегающего производства аммиака. Суть ее заключается в оптимальном использовании отходящего тепла реакции для генерации перегретого пара ВД. Питательная вода (ПВ) ВД сначала нагревается за узлом НТК СО, после чего поток ПВ разделяется на два частичных потока, первый из них направляется в узел синтеза аммиака, второй в ВТК СО для дальнейшего подогрева.

Из отходящего тепла реакции пар ВД генерируется только в двух местах

• за реактором вторичного риформинга и

• в узле синтеза аммиака.

Пар ВД перегревается за реактором вторичного риформинга и в конвекционной зоне печи первичного риформинга. Перегретый пар расширяется в ступени ВД турбинного компрессора синтез-газа и поступает в систему пара среднего давления. Пар СД при Р 49 бар и Т 415 °С используется как технологический пар или подается в

• конденсационную турбину, приводящую компрессор синтез-газа

• конденсационную турбину, приводящую компрессор технологического воздуха /

генератор переменного тока

• турбину противодавления, приводящую насос питательной воды.

Печь первичного риформинга с системой холодных выходных коллекторов. Печь первичного риформинга содержит множество труб, заполненных катализатором и обогреваемых за счет сжигания топлива. Необходимая температура технологического газа на выходе заполненных катализатором реакционных труб составляет около 800°С при давлении примерно 45 бар.

Естественно, срок службы реакционных труб печи риформинга ограничен. Материал разрушается под влиянием комбинированного воздействия ползучести, чередующих термических и механических напряжений, внешнего и внутреннего окисления и закоксования.

Следовательно, конструкторам пришлось решить следующие две основные задачи:

• во-первых, минимизировать число компонентов, подвергаемых износу под комбинированным воздействием высокой температуры и высокого давления;

• во-вторых, обеспечить максимально безопасную и безупречную работу.

Реактор вторичного риформинга (шахтный реактор).

Технологический газ из печи первичного риформинга поступает в нижнюю часть реактора вторичного риформинга. Газ через центральный стояк направляется в камеру сгорания на верху реактора вторичного риформинга. Технологический воздух поступает в эту камеру через форсунки, равномерно расположенные по периметру камеры в двух рядах. Частично окисленный газ сверху вниз проходит через слой катализатора, который опирается на керамическую арку, и выводится из реактора вторичного риформинга по выходному штуцеру, находящемуся в его нижней части.

При расчете реактора вторичного риформинга следующие пункты заслуживают особого внимания:

• передаточный трубопровод между выходом печи первичного риформинга и реактором вторичного риформинга;

• футеровка и керамическая арка, которая несет вес катализатора;

• горелки.

Для обеспечения безопасной и надежной работы реактора вторичного риформинга отличается следующими характеристиками:

• Футерованный передаточный трубопровод между печью первичного риформинга и реактором вторичного риформинга получается кратким, так как он присоединен к нижнему штуцеру реактора вторичного риформинга. В реакторе вторичного риформинга газ по центральной трубе поднимается наверх в камеру сгорания, что обеспечивают удобную проводку трубопроводов и отсутствие термических напряжений между передаточным трубопроводом и реактором вторичного риформинга.

• Многослойная футеровка из высокоглиноземистого кирпича в горячих зонах;

• Арка из высокоглиноземистого кирпича как стабильная опора для катализатора. Благодаря центральной трубе арка перекрывает только половину диаметра реактора и, тем самым, является стабильнее, чем другие конструкции.

• Многофорсуночная система горелок, состоящая из двух рядов форсунок, размещенных по периметру камеры сгорания на равных интервалах.

• Оптимальное перемешивание воздуха и технологического газа: При поступлении в верхнюю часть реактора поднявшийся по центральной трубе поток технологического газа изменяет направление движения с помощью дефлектора, находящегося над трубой. Воздух добавляется в камеру сгорания с помощью определенного количества форсунок, установленных в стенках реактора под определенным углом, который создает завихрение потока. При этом пламени не вступают в контакт с футеровкой или центральным стояком.

• Специальная конструкция горелки собственной разработки, впервые использованная в 1992 году, предотвращает контакт металлических компонентов с горячими реакционными газами.