海油富岛二期合成氨装置试车总结课件.pptx
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- 海油富岛二期 合成氨 装置 试车 总结 课件
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1、摘要:对海油富岛二期合成氨装置工艺和设备特点做了较 为全面的介绍,并对装置从2003年5月26日快锅点火,9 月1日化工投料,直至9月30日出合格合成氨的整个试车过程进行全面总结。关键词:原料气、过量空气、深冷净化、关键设备、试车 中海石油富岛二期合成氨装置(45万吨/年)采用凯洛格-布朗路特公司(简称KBR)组合合成氨工艺技术。其核心工艺为KBR深冷净化工艺,它是由著名深冷净化工艺特点与著名凯洛格设备设计的组合。第1页/共43页1 工艺特点1.1 原料气弹性大 KBR深冷净化工艺能够处理原料气含高浓度二氧化碳和氮气的工艺,而且原料气不必预先脱除二氧化碳。因此,设备和维修成本下降,装置的开车时
2、间缩短。中海石油富岛二期合成氨装置原料天然气来自于东方11海上气田,原料天然气中含有高浓度二氧化碳(20.7%)和氮气(16.8%)。采用KBR深冷净化工艺,二段转化炉加入68%过量工艺空气优化该原料天然气,这个空气量在降低一段转化炉负荷和原料气组份变化的弹性之间达到最优化。第2页/共43页原料气组份变化对装置能力的影响见表一。从表一数据表明了KBR深冷净化工艺技术的优点。由于原料气组份、一段转化炉工况和工艺空气量的变化,通过深冷净化器的调整仍然能够保持合成氨装置的生产能力。即使在极端情况下(B和C)装置生产能力也高于传统装置。设计设计基准(设计)基准(设计)方案方案A方案方案B方案方案C方案
3、方案D方案方案E 方案方案FCO2变化变化20.7中点中点+5%中点中点_5%中点中点+7%中点中点+10%中点中点+15%中点中点_7%中点中点_10%中点中点_15%N2变化变化16.8中点中点+2%中点中点_2%中点中点+4%中点中点+7%中点中点+12%中点中点_4%中点中点_7%中点中点_12%净化器工艺净化器工艺(能力)(能力)10010010010080-8565-70100100100传统工艺传统工艺(能力)(能力)10010010010075-8055-6010090-9585-90第3页/共43页1.2 温和的一段转化和过量空气的二段转化 KBR合成氨工艺在转化工序的一段转
4、化炉采用低水碳比(2.7)和较低的转化温度(754),一段转化炉(101-B)的热负荷大大降低,炉管数和烧嘴也大大减少。大部分负荷被转移到二段转化炉。在二段炉加入过量68%的工艺空气,利用空气中的氧气发生燃烧放出热量以提供转化反应所需的热量,将一段转化炉出口残余的甲烷由22.02%继续转化至2.13%。由于转化部分的温度比传统流程降低,而二段转化炉与传统流程相比又加入过量的空气,因此转化后的工艺气比传统流程中多的甲烷和氮气在深冷净化工序脱除,脱除后尾气返回到一段炉中作为燃料。此设计降低了转化炉投资成本,且延长转化炉管及催化剂的使用寿命。第4页/共43页 1.3 深冷净化装置 深冷净化装置是KB
5、R合成氨工艺的核心,为了防止CO2与H2O在冷箱中低温冻结堵塞管道,在冷箱前设置了分子筛干燥系统,先将CO2与H2O脱除;其余工艺气中所有的甲烷、微量 CO和60%氩气与过剩的氮气一起在冷箱脱除,脱除后尾气返回到一段炉中作为燃料。从深冷装置出来的合成气氢/氮比为3:1,且所有微量的水和碳氧化物完全被脱除,延长合成催化剂使用寿命。由于新鲜气氢氮气纯度高,惰气含量极低(AR0.25%),提高了合成反应的合成率,降低了空速,节省合成气压缩机循环功和冰机冷冻功,从而降低了吨氨能耗。深冷净化能够使合成氨装置前后端独立稳定操作。首先,它允许二段转化炉操作独立设定合成回路的氢/氮,第二,它能有效地补偿前系统
6、的任何问题。例如CO和CO2的泄漏量高于设计值时,CO和CO2将在甲烷化炉内转化为甲烷且所有甲烷将在深冷净化器中被脱除。合成回路的操作不受影响。传统合成氨工艺是无法达到本装置操作弹性的。第5页/共43页 1.4 有效的KBR合成回路 由于新鲜气中不含有合成催化剂的毒物碳氧化物和水分。所以新鲜气可直接导入循环气,通过热交换后进入合成塔。此工艺流程有几个优点:(1)冷冻负荷低于其它流程。其他流程由于新鲜气中含有水分,先与合成塔出口气体混合,然后通过一系列氨冷器冷却后再返回到合成塔入口,冷冻负荷增加;(2)由于不含氨的新鲜气与循环气混合致使合成塔入口氨含量降低,合成塔的能力增加;(3)新鲜气中低的惰
7、气含量使循环气循环量减少,节省合成气压缩机和冰机功率。合成回路设计同样结合了高压废热锅炉,除了有效回收热量,废热锅炉还起到稳定合成回路操作的作用,合成氨装置生产的改变仅反应在蒸汽产量的变化而不影响合成塔温度的分布。KBR合成流程中采用卧式三床合成塔和组合式氨冷器,降低了催化剂床层阻力,减少投资。第6页/共43页 1.5 燃气轮机与一段炉结合的工艺 由于KBR工艺流程在二段转化炉加入过量68%的空气,因此空压机功率增加,若用蒸汽透平驱动工艺空气压缩机,系统蒸汽不能平衡,势必增加一台100T/H中压快装锅炉,而用燃气轮机驱动工艺空气压缩机则不会引起这个问题。虽然燃气轮机本身而言它的效率并不高(25
8、%),但是燃气轮机的乏气(压力温度535、氧含量1517%)全部作为一段炉的燃烧空气,热量被全部利用,这样燃气轮机与一段炉联合操作所需燃气量的总和比传统流程减少20%以上,装置总能耗降低5.2%左右。燃气轮机所需空气是经过两级过滤的。传统流程一段炉燃烧空气一般直接从大气中进入炉膛,转化炉管壁结垢严重,影响传热和炉管寿命,而采用燃气轮机乏气的转化炉管壁非常干净。一段炉烧嘴火焰稳定,辐射段、对流段温度易于调节控制。第7页/共43页 1.6 低能耗的MDEA脱碳工艺 CO2脱除系统采用BASF公司节能的aMDEA03工艺,MDEA是一种叔胺,溶液稳定性好,不降解,挥发性小;对碳刚设备基本无腐蚀。MD
9、EA溶液兼有化学吸收剂和物理吸收剂的特点,它与CO2反应生成一种不稳定的碳酸盐,比较容易再生,与其他吸收液相比,MDEA在降压时单位溶液所释放出的CO2量最多。因此,MDEA做为吸收液,可降低再生热耗,节省动力消耗,开工时不需钝化,缩短开工时间;另一方面,MDEA吸收CO2后的富液通过两级降压闪蒸(0.87MPa和0.06MPa)和加热再生后,CO2纯度达到99.83%,更适合二氧化碳气提尿素工艺。第8页/共43页2.关键设备 2.1 一段转化炉 一段转化炉是KBR顶烧炉设计,它包括辐射段和对流段。辐射室垂直安装了192根装有催化剂的竖琴管。烟道气在底部离开辐射段进入对流段,烟道气在对流段经过
10、混合原料气预热盘管、高压蒸汽过热盘管(两组)、工艺空气预热盘管(两组)、原料气天然气预热盘管、锅炉给水预热盘管后烟道气(170)由引风机烟囱排放。燃气轮机乏气作为一段炉燃烧空气和对流段盘管温度调节是KBR一段转化炉的低能耗设计。转化炉所需工艺热负荷仅仅是传统装置的60%。转化炉与燃气轮机的联合操作,无论采取何种方式,都能提供足够的氧气使转化炉顶有序开车,既是燃气透平跳车也不会导致转化炉完全停车,转化炉烧嘴在低负荷保持燃烧(5%),尽快重新开车。一段转化炉顶部使用小热量释放、低NOX烧嘴,正常操作是天然气和低热值工艺废气或其它任何组合。同一烧嘴采用天然气时能够达到100%的能力。第9页/共43页
11、 2.2 二段炉二段炉是KBR专利设备,主要特点:(1)带有水夹套双层耐火衬里,耐火衬里为 金属壳体温度提供了保证;(2)采用空气/工艺气混合器,以提供均匀的分配和良好混合。避免火焰直接影响催化剂床层;(3)在二段炉上部有2.85米的圆锥以使气体在催化剂上部均匀分布。其它部分与传统二段炉无区别。第10页/共43页 2.3 氨合成塔(105D)氨合成塔是单台卧式压力容器。有三个绝热床,内部冷却的合成塔,在合成塔壳内有可移动的催化剂筐,与催化剂筐一起集合的还有两个内部换热器(122C1/C2),在圆锥催化剂筐和高压壳侧之间是一个环形空间,是用来壳体冷却气体通道。121 C预热后的合成气约有60%经
12、HV1044(主气流)通过外壳/催化剂筐之间的环隙进入122C1的管侧,另一股冷却气经122C2管侧与第二床层出口气换热后也进入122C1的管侧,两股气流在122C1混合与第一床层出口气换热后进入第一床层入口,冷激线(HV1025)直接加到第一床层入口将入口温度控制在379。离开第一床层490490的合成气进入床层底部和催化剂筐壁之间,进到122C1内部换热器的壳侧,经冷却到进入第二催化剂床层,从第二床层出来的合成气通过122C2冷却后进入第三床层。此设计具有较高的转化率(15.52%)和较低的压力降(0.25MPa)。第11页/共43页 2.4 组合式氨冷器 组合式氨冷器代替了三个换热器和两
13、个闪蒸槽。合成塔出口气体通过中心管环隙流动,而循环气通过中心管内管流动,冷却氨在不同温度和压力下壳侧的两室蒸发,因此合成塔出口气体有两种介质即循环气和氨冷冻剂同时冷却。此设计减少了昂贵的高压管道和管件和系统阻力降。第12页/共43页3 中海石油富岛二期合成氨装置试车总结 3.1 催化剂装填与还原 合成氨装置所有催化剂及分子筛(共计622m3)由催化剂装填专业公司(上海阳申)承包,从2003年6月8日开始装填,于8月12日装填结束。催化剂装填各项指标均达到KBR规范和催化剂厂商要求。特别是一段炉催化剂装填后转化管阻力(最大偏差1.5%)及合成塔催化剂装填密度远高于KBR规范和催化剂厂商要求。第1
14、3页/共43页3.1.1 低变催化剂还原及并入系统 低变催化剂选用南化集团催化剂厂B-206型催化剂,该催化剂是采用铜氨络合技术制成,主要成份是氧化铜37.5%,氧化锌和三氧化二铝,堆比重1.50.1kg/l,比表面积1.5m/g,还原后铜晶76A。104-D2装填重量102300kg,装填体积70.6m,装填堆比重1.449 kg/l。8月15日9:00启动氮循环升压机173J进行低变炉氮气循环升温,以10C/h升温至120 C,8月16日5:00衡温4小时结束,由于在120C前升温衡温阶段低变催化剂脱除物理水仅为160 kg,根据催化剂厂商服务指导人员意见10C/h升温至150 C衡温至氮
15、循环升压机173-J 停 车,耗 时 4 9 小 时。该 阶 段 中 氮 循 环 流 量 保 持17700600kg/h,空速200小时,压力1.5kg/cm2,共计出水1000kg。第14页/共43页 由于氮循环升压机173-J在试车过程中不能满足工艺要求,8月19日13:30启动原料气压缩机102J进行低变炉氮气循环,16:00循还回路调整正常,维持床层温度150 C,102J入口压力0.53MPa,出口压力0.64 MPa,氮循环流量保持24200200kg/h,空速270小时。8月20日22:15床层温度达到185 C,开始间段配氢,配氢源为一期含72%氢合成气,间段配氢三次,每次均观
16、察到床层有明现的温升,共计配入合成气16.5kg。23:45开始连续配氢,并逐步增加入口氢气浓度至1%左右。8月23日1:00出口氢含量0.1%,并逐步将入口温度提至205 C,7:15出口氢含量1.06%,9:30出口氢含量5.01%,16:15出口氢含量15.33%,维持出口氢含量11.37-16.66%分析进出口无氢耗,床层无温升,床层各点温度210C,8月24日3:45切氢,8:20关闭低变进出口阀,切175C蒸汽,停102J102J低变升温还原结束,共出水9520 kg9520 kg。第15页/共43页 整个过程耗时180小时,出水10560 kg,消耗含氢72.16%合成气8089
17、kg,折合纯氢14320.84m,还原过程中为维持系统压力排放掉的氢和系统氮气中0.09%的氧与氢反应掉的氢以及还原后残留于循环回路中的氢共计消耗631.165m,还原过程中与氧化铜反应掉的氢量为13689.68m。以37.5%的氧化铜,堆比重1.449 kg/L计算,每m催化剂理论氢耗153.1 m /m ,本 次 还 原 每 m 催 化 剂 氢 耗193.9Nm/m。第16页/共43页3.1.2 低变串入系统 9月16日20:30高变放硫结束,出口硫含量分析连续四次小于0.1PPm,在工艺负荷50%,水碳比4/1,低变入口温度控制在180-185 C,系统放空压力1.8Mpa下。开低变入口
18、电动阀MOV1007旁路向低变炉充压,22:15开MOV1007、开低变出口电动阀MOV1008,关低变旁路阀MOV1009,将工艺气迅速倒入低变炉,通过时床层最高温度TI1350为229.1C,低于厂家要求250C。“热波”通过15分钟后取样分析CO含量0.04%。第17页/共43页3.2 一、二段炉烘炉 3.2.1 燃气轮机乏气管道烘干 根据KBR规范要求燃气轮机乏气管道烘干烧嘴可调比1:5000。烧嘴热负荷不低于7.5百万大卡,风量不低于8500m3/h。本次烘干选用可调比1:5000的SPE-G-LF750型大调节比燃烧器。设计基础条件:正常操作炉膛压力0-500mmH2O,过剩空气系
19、数1.10-1.20,最大热负荷75010104 4cal/h,最小热负荷0.510104 4cal/h。热风炉由八院设计,三化建现场制作。燃料气为一期天然气,热值8654.3kcal/m3,烧嘴最大热负荷时需燃料气870m3/H。强制风机采用尿素508-J最大风量为21000m3/h。第18页/共43页 乏气管道烘干分两个阶段进行:第一阶段101-JGT烟囱的烘干,第二阶段乏气风道的烘干。101JGT烟囱的烘干于6月1日9:28分开始,于6月7日9:10分D1、D2降至120。共计用时144144小时(见烘干曲线)。乏气烟道的烘干于6 6月7 7日9:109:10开始,6月11日8:15至2
20、3:30 以C1、C2T28/HT28/H开始降温,6 6月1111日23:30 23:30 C C1 1=112.6=112.6;C C2 2=124.5=124.5。灭烧嘴,风机继续运行,将整个风道和烟囱温度降到环境温度。6 6月1212日7:307:30灭烧嘴、停下508-J508-J风机,整个101-JGT101-JGT烟囱和乏气烟道烘干结束。整个烘干过程耗时266266小时(见烘干曲线)。第19页/共43页3.2.2 二段炉烘炉 二段炉烘炉与乏气管道烘干采用同一热风炉,6 6月2727日9:009:00热风炉点火 二段炉烘炉升温开始。7 7月2 2日 8:00 8:00 ATAT、B
21、TBT温度降至34.334.3。水夹套在烧嘴灭火后,连续上水2424小时停止上水,整个烘炉过程到此结束(见烘炉曲线)。此次103-D烘炉准备工作、烘炉过程、检验标准严格按照KBR PVD-103D和耐火材料厂商程序执行,技术规范按KBR P11-4TS执行。7月3日下午对103-D烘炉后进行了检查,炉内衬里裂纹宽度不超过1mm。低于KBR P11-4TS-01规范3mm要求,外观检查合格。在检查中发现炉内穹顶处附近有8处结晶物。7月5日对结晶物样品进行了定性分析,耐火材料厂商人员认为在烘炉过程中,由于水受热渗出,在渗出过程中溶解了耐火材料中的可溶性物质,烘炉热风将渗出水蒸干后,溶解物结晶的结果
22、。该结果不会影响耐火材料的强度,以及使用寿命,并承诺转入正常生产后不再出现这种结晶物。耐火材料生产商对渗出物已取样,带回日本分析,分析结果表明对今后运行无影响。第20页/共43页3.2.3 一段炉烘炉 8月17日11:20启动一段炉引风机101BJT,全开燃气轮机乏气排放档板PV1021,一段炉炉膛负压控制在-30mmH2O,14:30一段炉点火烘炉开始,以辐射段出口温度TI1317为准,按15/h速率升温,17日5:50升至120恒温,18日22:00恒温结束。继续按15/h速率升温,19日7:30升至250恒温,20日8:00按50/h速率降温,12:00灭火一段炉自然降温,第一阶段烘炉结
23、束。第21页/共43页3.3 3.3 锅炉给水及蒸汽系统 本套装置的蒸汽发生系统由高压锅炉给水系统、废热锅炉(转化废热锅炉101-C101-C、高变废热锅炉103C1/C2103C1/C2、合成废热锅炉123C1/C2123C1/C2)组成,蒸汽系统由高压(SHSH)、中压(SMSM)和低压(SLSL)3 3个系统组成,开车时SMSM由快装锅炉(60T/H60T/H、380380、46.5Bar46.5Bar)提供,在101-C101-C产汽后,工艺系统负荷达到70%70%时自产蒸汽可自足自给,高压蒸汽产汽来自101-C101-C、103C1/C2103C1/C2、123C1/C2123C1/
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