Высокотемпературная некаталитическая конверсия метана

Метод предусматривает конверсию метана с водяным паром без катализатора при высоких температурах порядка 1400–1500°С. Процесс конверсии может осуществляться в установках при атмосферном и высоких давлениях. Конверсия под давлением нашла более широкое распространение.

Природный газ поступает в подогреватель, в котором нагревается до 450°С за счет теплоты сгорания части природного газа. Нагретый газ направляется в горелку конвертора метана, куда подается также кислород.

На выходе из горелок газокислородная смесь горит, развивая температуру 1400–1500 °С, вследствие чего происходит частичное окисление метана.

Конвертированный газ с содержанием метана 0,3–0,5% и углерода (сажи) примерно 20 мг/м3 из зоны реакции поступает в котел-утилизатор, совмещенный с конвертором. За счет охлаждения конвертированного газа до температуры 250°С в котле образуется пар с давлением 3,6 МПа. Далее газ охлаждается до 170°С в теплообменнике, нагревая при этом химически очищенную воду.

Для оценки технико-экономических показателей того или иного метода конверсии метана необходимо знать расходные коэффициенты по природному газу и кислороду на 1 т аммиака и расходы на электроэнергию, пар и воду. Данные о расходных коэффициентах приведены в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2. Расход природного газа и кислорода на 1 т аммиака при различных способах конверсии

 

 

Давление и расход газов

Каталитическая

одноступенчатая

конверсия

Каталитическая двухступенчатая конверсия Некаталнти-ческая высо­котемпера­турная кон­версия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Давление, МПа

Расход природного газа, м3 Расход кислорода (100 % О2), м3

 при кислородно-воздушной    конверсии

при кислородной конверсии

 

0,17-0.19 800-850

 

 

 

300—350 470—485

 

1,7

840—880

 

 

 

510—525

 

0,15 1030

 

 

 

 

2,0–3 1100

 

 

 

 

01,7-3.0

920-970

 

 

 

550

 

 

Примечание.  Расчеты даны на объем газов, приведенных к нормальным условиям.

 

Расход топлива и энергии на 1 т аммиака в зависимости от метода конверсии природного газа показан в табл.1.3

 

 

 

 

 

Таблица 1.3.  Расход топлива и электроэнергии на 1 т аммиака в различных про­цессах   конверсии природного газа

 

 

Процесс

Расход электроэнергии,

% общего расхода энергии в процессе

Удельный расход энергии на 1 т аммиака  

Энергети-ческий к.п.д.,

%

масса., т кДж
Парокислородная конверсия природного газа без давления

Парокислородная конверсия природного газа под давлением 2,0–3,0 МПа

Паровоздушная двухступенчатая трубчатая конверсия природного газа под давлением 3,0–3,3 МПа

 

 

28

 

 

28

 

 

от 10 и ниже

 

1,8

 

 

1,6

 

 

1,02

 

5,4·107

 

 

4,6·107

 

 

3,8·107

 

35,4

 

 

40,0

 

 

55,0

 

 

Доля расходов на сырье составляет 30–40 % себестоимости аммиака. Из приведенных данных следует, что наименьший расход метана и кислорода наблюдается в системах одноступенчатой каталитической конверсии под давлением 1,7 МПа вследствие высокого выхода Н2+СО в процессе конверсии метана.

Наряду с этим в последние годы широко применяется метод паровой бескислородной конверсии природного газа в трубчатых печах под давлением с применением низкотемпературного катализатора для процесса конверсии оксида углерода. Метод позволяет исключить установки разделения воздуха для получения кислорода и заменить сложные процессы очистки газовой смеси от СО и остатков СО2 процессом гидрирования СО и СО2 до метана. При этом себестоимость 1 т аммиака снижается примерно на 10 %, а удельные капитальные вложения уменьшаются на 15–20 % по сравнению с установками конверсии метана без давления.

Новые мощные системы синтеза аммиака с использованием теплоты реакции для выработки пара практически автономны в энергетическом отношении. Для ведения в этих системах процесса не требуется подвода со стороны значительных количеств энергии и пара, так как последние вырабатываются внутри самой системы. Удельные капитальные вложения и себестоимость аммиака также значительно снижаются при сооружении энерготехнологических систем большой мощности с применением парогазовой и паровоздушной конверсии природного газа под давлением 3,0–3,3 МПа. Эти выводы подтверждаются данными табл.1.4

Благодаря этим преимуществам системы конверсии природного газа под повышенным давлением получили наиболее широкое распространение.

 

Таблица 1.4.  Технико-экономические показатели различных процессов конверсии метана в производстве аммиака

 

 

 

 

Процесс

Расходные коэффициенты на 1 т аммиака  

Удельные капитало-вложения, %

 

Себестои-мость 1 т NH3, %

природ-ный газ (32682 кДж/м3), м3 пар,

т

электро-энергия, кВт вода,

м3

1.                  Каталитическая паро-воздушно-кислородная кон-версия природного газа без давления со средней темпе-ратурной конверсией СО; производительность агре-гата 150–250 т NH3 в сутки.

2.                  Паровая каталитичес-кая конверсия природного газа в трубчатых печах под давлением 3–3,3 МПа с па-ровоздушной каталитичес-кой шахтной конверсией метана и средне- и низко-температурной конверсией СО. Мощность агрегата 600 т NH3 в сутки.

3.Конверсия природного газа такая же, как и в п.2 Сжатие азотоводородной смеси в турбокомпрессоре высокого давления; синтез аммиака под давлением до 32 МПа с использованием теплоты реакции для выра-ботки пара под давлением до 14 МПа и температурой до 570 ºС. Пар используется для привода турбокомпрес-соров, получения электро-энергии и на технологичес-кие нужды. Мощность агрегата 1000–1500 т NH3 в сутки

 

 

 

 

 

 

 

900

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1140

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1150

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1350–1400

 

 

 

 

 

 

 

 

 

700

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30–40

 

 

 

 

 

 

300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

300

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

400–450

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

65–70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50–55

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

55–60