Современная энергосберегающая технология синтеза аммиака из азотоводородной смеси, осуществленная по циклической схеме

3. Современная техническая схема

  Показатель потребления  природного газа является одним из важнейших факторов, определяющих рентабельность производства аммиака. На выработку 1 тонны аммиака российские агрегаты потребляют 1115-1380 м3 природного газа. Зачастую высокое потребление природного газа связано с тем, что большинство российских агрегатов являются устаревшими и значительно уступают используемым в передовых странах по энерго- и материалоемкости и экологическим требованиям. Но в последние годы на большинстве предприятий проводятся работы по реконструкции и модернизации производств, в результате которых расход природного газа и электроэнергии снижается. Наилучшие показатели по расходу природного газа находятся на данный момент на уровне 1115 м3. Ниже представлены показатели потребления природного газа на некоторых российских производствах:

Таблица 2 -Расход природного газа на производство аммиака на некоторых российских предприятиях

 Источник: данные опросов    

 На данный момент  основным конкурентным преимуществом  российских производств аммиака является дешевый природный газ. Проследить изменение себестоимости производства аммиака в различных регионах мира можно по данным, представленным в нижеследующей таблице. Видно, что себестоимость производства аммиака в России одна из самых низких. В то же время, технологии производства, ресурсо- и энергопотребление на российских предприятиях существенно выше, чем на современных производствах, введенных в эксплуатацию в последние годы. Этот факт говорит о том, что без модернизации существующих производств, ввиду вероятного роста цен на исходное сырье, себестоимость аммиака существенно возрастет. 
  

Таблица 3 -Себестоимость производства аммиака в различных странах

Источник: ФосАгро, собств. оценка

Традиционная схема получения  аммиака из природного газа выглядит следующим образом:

Рисунок 2.1 -Традиционная схема получения аммиака из природного газа

На первой стадии происходит удаление серы из природного газа. В  зависимости от содержания соединений серы в природном газе  используется цеолитная очистка или  очистка методом каталитического гидрирования и последующего поглощения H2S оксидом цинка. Далее природный газ поступает в реакторы реформинга. Следующим этапом идет конверсия моннооксида углерода и очистка газа от диоксида углерода. Важнейшей частью схемы является синтез аммиака. В агрегатах аммиака предыдущего поколения синтез аммиака проводят при давлении 280 - 330 бар. Для сжатия синтез газа, подаваемого в петлю синтеза   требуется мощный 4-х ступенчатый компрессор с номинальной мощностью 32 МВт для агрегата, производящего 1360 тонн NH3 в сутки. Его турбина потребляет пар с давлением 100 бар и температурой 482°С в количестве 350 - 370 тонн в час. Именно эта турбина производит, а компрессор потребляет наибольшее количество механической энергии. Потери энергии только при конденсации мятого пара составляют 0.35 - 0.4 Гкал/т NH3. Чтобы сократить производство механической энергии  и производство пара в рамках концепции энергосбережения и уменьшения инвестиций предлагаются новые схемы синтеза, в частности каскадный синтез аммиака при низком давлении.

Энергопотребление является одним из важнейших параметров, определяющих рентабельность производства аммиака. В течении производителями ведутся работы по модернизации производства, которые в том числе ведут к снижению энергозатрат. По данным института катализа им. Г. К. Борескова в России действует 31 агрегат аммиака III-го поколения с расходом энергии 10.07-11.2 Гкал/т. То есть с 1960-х гг. энергопотребление снизилось на 29%.

На рис. 2.2 представлена динамика изменения расхода электроэнергии по мере усовершенствования технологий  производства аммиака.  

Рисунок 2.2 -Динамика энергопотребления при производстве аммиака в 1920-2012 гг. Источник: Институт катализа им. Г. К. Борескова

 
     В результате работ по совершенствованию  технологий производства карбамида был разработан ряд агрегатов IV поколения, технические показатели которых превосходят все существовавшие до этого аналоги.  
     Рассмотрим технологические  решения, предложенные различными лицензиаторами для усовершенствования процесса синтеза аммиака.   
     Разработкой технологий синтеза аммиака являются фирмы Haldor Topsoe, Kellogg Brown& Root, Ammonia Casale, ICICF Braun, Uhde и др. 
На рис. 2.2 и 2.3 представлены радиальные колонны синтеза аммиака, разработанные Ammonia Casale и Haldor Topsoe. Первый вариант предусматривает уменьшение давления синтеза на 30% и энергопотребления до 0,3 Гкал/т NH3. Второй – увеличение конверсии до 40% и снижение перепада давления до 60%.

     Метод повышения производительности  установки реформинга без увеличения ее размеров заключается в использовании установки предриформинга. Это хорошо отработанная технология, впервые примененная компанией British Gas под названием процесса «Каталитического обогащения газа» при производстве бытового газа из лигроина в 1960-х гг. 
     Предреформинг позволяет снизить соотношение пар/газ, улучшить показатели сероочистки, достичь экономии топлива на 5-10% и повысить мощность собственно реформинга на 15-25%. Ниже приведен пример схемы предреформинга.

Рисунок 2.5 -Схема процесса предреформинга

Использование предреформинга предлагает в частности  Haldor Topsoe. В целом агрегат синтеза аммиака IV-го поколения (Low Energy Process),разработанный данной компанией, представляет собой традиционную схему синтеза с оптимизированными стадиями. 

 Рисунок 2.6 -Схема агрегата ICI (LCA)