Описание технологической схемы

3.2.1. Паровая конверсия природного газа (первичный риформинг)

 

Паровая каталитическая конверсия природного газа (первичный риформинг) осуществляется на никелевом катализаторе в реакционных трубах, расположенных в 12 рядов в радиантной зоне трубчатой печи 101-В.

К каждому из двенадцати коллекторов подключены по 42 реакционные трубы, опущенные в радиантную камеру печи и заполненные никелевым катализатором (общим объемом 20,4 м³). В каждом ряду газ проходит реакционные трубки сверху вниз, попадает в нижний распределительный коллектор и по подъемной трубе поступает в передаточный коллектор 107-Д. Каждая реакционная трубка представляет собой самостоятельный реактор, в котором в присутствии катализатора происходит взаимодействие углеводородов с водяным паром за счет тепла, подводимого через стенку трубы. Рабочая температура стенок труб составляет 900-950 °С.

Парогазовая смесь перед подачей в реакционные трубы подогревается в конвекционной зоне до температуры не более 525 °С.

Процесс конверсии ведется при температуре не более 860 °С.

При первичном риформинге протекают реакции:

CH₄ + H₂O « CO + 3H₂

C_nH_m + nH₂O « nCO + H₂

CH₄ + 2H₂O « CO₂ + 4H₂

CO + H₂O « CO₂ + H₂

При недопустимом снижении соотношения пар : углерод возможно выделение углерода (за счет крекинга природного газа), который отлагается на поверхности и в порах катализатора, снижая его активность. Не исключено при этом и механическое разрушение катализатора.

Тепло, необходимое для проведения процесса первичного риформинга, получается за счет сжигания топливного газа в потолочных горелках инжекционного типа. Объемная доля кислорода в дымовых газах составляет не более 3 %. Она измеряется автоматическим анализатором кислорода О₂RA-4, сигнализирующим в ЦПУ повышение содержания кислорода.

Дополнительным источником тепла для подогрева парогазовой смеси являются дымовые газы туннельных горелок (12 штук) инжекционного типа, расположенных в торце каналов (отвод дымовых газов от потолочных горелок).

Между рядами реакционных труб расположены потолочные горелки инжекционного типа. Общее количество горелок 260 (13 рядов по 20 горелок в каждом).

Общий объемный расход газа на потолочные горелки (не более 30000 м³/ч) измеряется расходомером FI-19. Давление топливного газа поддерживается регулятором давления PICA-3.

Парогазовая смесь движется по реакционным трубам нисходящим потоком, подвергаясь конверсии по приведенным выше реакциям. Остаточная объемная доля метана в конвертированном газе составляет 9-11 %. Она определяется из анализной точки S-11 и автоматическим газоанализатором CH₄ R-1.

Объемные доли компонентов конвертированного газа после 101-В (в пересчете на сухой газ):

азот, N₂ – 1,02,0 %

диоксид углерода, CO₂ – 8,511,0 %

водород, Н₂ – 68,072,0 %

метан, СН₄ – 9,011,0 %

оксид углерода, СО – 8,011,0 %

Утилизация тепла дымовых газов, температура которых на выходе из радиантной камеры должна быть не более 1032 °С, осуществляется в конвекционной камере печи, где расположены змеевики для подогрева:

– парогазовой смеси, идущей на первичный риформинг;

– паровоздушной смеси, идущей в реактор вторичного риформинга;

– пара высокого давления, идущего в турбину 103-JT компрессора синтез-газа;

–– питательной воды, поступающей в паросборник 101-F;

– топливного газа, подаваемого к горелкам печи первичного риформинга.

Дымовые газы отсасываются из печи первичного риформинга с температурой не более 250 °С двумя дымососами 101-BJAT и 101-BJBT и поступают реактор денитрофикации дымовых газов. В реактор загружен блочный катализатор сотовой структуры на основе медьзамещенного цеолита CuZSM-5. В качестве восстановителя в дымовые газы подается природный газ после сероочистки. Природный газ в пересчете на метан подается в реактор очистки исходя из соотношения CH₄:NO₂ = 8:1. Реакция денитрофикации протекает по уравнению

2NO₂ + CH₄ = N₂ + CO₂ + 2H₂O.

Остаточное содержание оксидов азота не должно превышать 0,001 нм³/с.

Печь первичного риформинга смонтирована совместно со вспомогательным котлом 101-BU, служащим для получения дополнительного количества пара высокого давления, необходимого для поддержания парового баланса установки.

Дымовые газы из топки вспомогательного котла поступают в конвекционную камеру печи первичного риформинга, смешиваются с дымовыми газами печи и дымососами выбрасываются в атмосферу.

Ввод пара производится через форсунки специальной конструкции, рассчитанные таким образом, что при расходе пара, соответствующим режимному, создается паровой защитный конус в зоне подачи аммиака, что препятствует окислению аммиака на поверхности шамота. Испытания показали, что такое распределение пара не создает дополнительного аэродинамического сопротивления. Общее аэродинамическое сопротивление установки не превышает 0,01 мм вод. ст.

Форсунки крепятся на подводящих трубках и располагаются по центру каждого туннельного канала. Пар подается по коллектору, причем для уменьшения веса коллектора пар подается в центр коллектора по подводящей линии. Диаметр коллектора подводящих трубок и форсунок рассчитаны таким образом, что скорость пара на выходе равна критической скорости, что обеспечивает равномерное распределение пара по подводящим трубкам при любом расходе. Ввод пароаммиачной смеси производится через восемь отверстий диаметром 3 мм, оси которых расположены в плоскости, перпендикулярной оси туннельного канала на расстоянии 200 мм от точки ввода продуктов сгорания. Истечение пароаммиачной смеси при расчетных оптимальных режимах критическое. Распределение пароаммиачной смеси по подводящим трубкам аналогично распределению пара.

На всасе дымососов установлены жалюзи с ручным приводом.

После печи первичного риформинга газ по передаточному коллектору 107-Д поступает в реактор вторичного риформинга 103-Д.

 

3.2.2. Паро-воздушная конверсия (вторичный риформинг).

 

В реакторе вторичного риформинга производится окончательная конверсия непрореагировавшего в первичном риформинге метана кислородом воздуха и паром с одновременным обеспечением необходимого соотношения водорода к азоту в синтез-газе.

Необходимый для процесса вторичного риформинга воздух забирается из атмосферы на всас воздушного компрессора 101-J через механический фильтр 102-L. Перепад давления механического фильтра не должен превышать 0,5 кПа (0,005 кгс/см² ), измеряется он перепадомером PdI-2.

На всас первой ступени компрессора 101-J воздух поступает с разрежением не более 5,3х10³ Па (40 мм рт. ст.) сжимается до давления не более 0,2 МПа (2 кгс/см² ), нагреваясь при этом до температуры не более 175 °С, проходит воздушный холодильник 129-JС, где охлаждается до температуры не более 49 °С, в сепараторе 158-F влага отделяется, а воздух поступает на всас второй ступени компрессора.

После второй ступени воздух с давлением не более 0,63 МПа и температурой не более 193 °С проходит воздушный холодильник 130-JC, где охлаждается до температуры не более 49 °С, проходит сепаратор 159-F и поступает на всас третьей ступени, сжимается до давления не более 1,5 МПа, температура повышается до 165-180 °С, в воздушном холодильнике 131-JC она снижается до температуры не более 49 °С, затем воздух проходит сепаратор 160-F и поступает на всас четвертой ступени компрессора.

После четвертой ступени воздух с давлением не более 3,53 МПа и температурой 154-180 °С поступает на подогрев в змеевики конвекционной зоны печи первичного риформинга и поступает в головку смесителя реактора вторичного риформинга.

Отделившийся в межступенчатых сепараторах компрессора конденсат через конденсационные горшки отводится в дегазатор 170-F, а из него в канализацию.

Регулирование температуры воздуха после холодильников 129-JС, 130-JС, измеряемой приборами TIA-402-1, TIA-402-2, производится изменением угла атаки лопастей вентиляторов с помощью клапанов дистанционного управления НС-69 и НС-71. Указанные приборы сигнализируют в ЦПУ минимальную температуру охлаждающего воздуха. Сигнализаторы ТА-41 и ТА-42 сигнализируют в ЦПУ минимальную температуру окружающего (наружного) воздуха и переключают угол атаки лопастей с летнего режима на зимний и обратно.

В схеме компрессора 101-J предусмотрена антипомпажная защита путем сброса воздуха на свечу 107-U регулятором расхода FICA-4 с предварительной сигнализацией в ЦПУ о снижении объемного расхода до 45000 м³/ч. Клапан FICA-4 открывается при снижении объемного расхода до 37500 м³/ч. Для регулирования нагрузки корпуса низкого давления предусмотрен сброс через вентиль XSW-402. Для предотвращения превышения давления сверх допустимого на нагнетании компрессора установлены клапаны SV-3A, SV-3B.

После сепаратора второй ступени 159-F производится отбор воздуха на вспомогательные нужды (продувка аппаратов и трубопроводов и т.п.) по линии 3UA-29.

Перед поступлением воздуха в змеевики конвекционной зоны печи первичного риформинга 101-В в него дозируется пар среднего давления через дистанционно управляемый клапан НС-27 и контролируется по FI-14, массовый расход подаваемого пара 4000-6000 кг/ч.

Объемный расход подаваемого в реактор вторичного риформинга воздуха поддерживается регулятором FRC-3 (грубая регулировка) и FIC-58 (тонкое регулирование со сбросом части воздуха в атмосферу) и регулируется таким образом, чтобы обеспечить перед синтезом аммиака соотношение водород : азот равное 3.

При снижении объемного расхода воздуха менее 30000 м³/ч срабатывает блокировка FA-3ЕL, включая блокировки группы “В”. При этом закрывается клапан FCV-3 и отсекатель EmV-3, прекращая подачу воздуха в реактор 103-Д. Для защиты змеевиков от перегрева клапан НС-27 полностью открывается.

Подогретая до температуры не более 482 °С паровоздушная смесь поступает в смеситель реактора 103-Д по центральной трубе, оканчивающейся перфорированным куполом. Частично конвертированный газ из первичного риформинга с температурой не более 860 °С поступает в смеситель тангенциально, проходя затем через сетчатый распределитель, установленный вокруг купола трубы ввода паровоздушной смеси.

При смешении технологического газа с воздухом происходит частичное сжигание горючих компонентов газа с подъемом температуры не более 1245 °С, обеспечивающей конверсию оставшегося метана на расположенных ниже слоях катализатора.

В верхней части основную тепловую нагрузку на себя воспринимает алюмохромовый катализатор объемом загрузки 6,7 м³. Под ним расположен слой никелевого катализатора, занимающего объем 31,8 м³. Процесс вторичного риформинга характеризуется следующими реакциями:

CН₄ + 0,5 О₂ СО + 2Н₂

CН₄ + О₂ СО₂ + 2Н₂

CН₄ + 2О₂ СО₂ + 2Н₂О

Н₂ + 0,5О₂ Н₂О

CО + 0,5О₂ СО₂

CН₄ + Н₂О ® СО + 3Н₂

CН₄ + СО₂ ® 2СО + 2Н₂

CО + Н₂О ® СО₂ + Н₂

В результате этих реакций объемная доля метана в газе снижается до 0,3-0,5 % в пересчете на сухой газ. Она определяется автоматически анализатором CН₄ R-2 и лабораторным анализом из точки S-12. Контроль температур в зоне катализатора вторичного риформинга производится приборами TI-4 и TRA-7.

Объемные доли компонентов газа после вторичного риформинга (в пересчете на сухой газ):

диоксид углерода, СО₂ – 6,58,3 %

оксид углерода, СО – 10,013,0 %

водород, Н₂ – 56,060,0 %

метан, СН₄ – 0,30,5 %

азот, N₂ – 20,023,0 %

Конвертированный газ после реактора 103-Д с температурой не более 1010 °С и давлением не более 3,24 МПа поступает в два параллельно работающих котла первой ступени 101-СА и 101-СВ, в которых за счет утилизации тепла газа получается пар давлением 10,35 МПа. Температура конвертированного газа на выходе из котлов-утилизаторов первой ступени не более 482 °С. Затем газ поступает в котел-утилизатор второй ступени 102-С, где охлаждается до температуры не более 390 °С с получением пара давлением не более 10,35 МПа. Для регулирования температуры охлаждаемого конвертированного газа котел 102-С снабжен байпасом, по которому часть газа через регулирующий клапан TCV-10 проходит мимо котла.

Прибор TRCA-10 также сигнализирует в ЦПУ о минимальной 350 °С и максимальной 390 °С после котла 102-С. Для предотвращения повышения давления в системе конверсии сверх допустимого на котле-утилизаторе 102-С установлены предохранительные клапаны SV-8A, SV-8B, SV-8C, SV-8D. После котлов-утилизаторов на линии конвертированного газа предусмотрена свеча с электрозадвижкой EmV-6, через которую газ в аварийной ситуации и в пусковой период сбрасывается на факельную установку 102-U.

Передаточный коллектор 107-Д, реактор вторичного риформинга 103-Д и котлы-утилиза-торы 101-СА, 101-СВ оборудованы водяными рубашками для защиты металла от перегрева при байпасировании газа через футеровку.

Технологической схемой предусмотрена подача в рубашки парового конденсата из сборников 104-JCF и 101-JCF, отпарного конденсата из дегазатора 151-F и оборотной воды.

Рубашки снабжены дренажами для периодического сброса воды во избежание накопления осадка.

Температура металла корпуса 103-Д контролируется многоточечным прибором TI-3-20AH.