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
|