В качестве сырья для производства аммиака может быть использован кокс, уголь, коксовый газ, природный газ. Однако, в основном, аммиак производят из природного газа.

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:

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.
 
Себестоимость производства аммиака в различных странах

Источник: ФосАгро, собств. оценка

Традиционная схема получения аммиака из природного газа выглядит следующим образом:

Рис. 1.1. 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 нижеследующей диаграмме представлена динамика изменения расхода электроэнергии по мере усовершенствования технологий  производства аммиака. 

Динамика энергопотребления при производстве аммиака в 1920-2006 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. 1.10 и 1.11 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%.

Рис. 1.10. Радиальная насадка колонны синтеза Ammonia Casale Рис. 1.11. Радиальная насадка колонны синтеза Haldor Topsoe

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.

Рис. 1.12. Схема процесса предреформинга

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.

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.

Для оптимизации процесса предлагаются следующие положения:

- соотношение пар/газ=2.8 за счет использования предреформинга и спец. катализатора СТК,

- высокая температура в первичном реформинге за счет использования жаропрочных труб,

- остаточный СОx после очистки от СО₂ удаляется синтезом метанола.

Рис. 1.13. Схема агрегата ICI (LCA)

Агрегаты IV-го поколения ICI (AMV Process) отличают следующие особенности:

- подача избыточного (на 20%) количества воздуха во вторичный реформинг и более мягкие условия первичного реформинга,

- низкое давление синтеза (80-110 атм),

- рекуперация водорода из продувочных газов при давлении синтеза,

- экономия энергии (6.8-6.9 Гкал/т).

В таблице представлены основные технические параметры процесса AMV фирмы ICI и традиционной технологии.
 
Технические показатели процесса синтеза аммиака AMV (ICI) и традиционной технологии

Второй процесс, разработанный ICI (LCA Process), предполагает использование первичного реформинга с газовым обогревом. На рис. 1.5 представлена схема реактора синтеза аммиака, разработанного ICI для данного процесса.

Основные особенности процесса:

- первичный реформинг без огневого подогрева,

- большой избыток воздуха во вторичном реформинге,

- соотношение пар:газ=2.5,

- конверсия СО в одну стадию,

- выделение N₂, Ar, CO₂ методом КЦА,

- давление синтеза – 80 атм.

Упрощенно схему процесса LCA можно представить следующим образом:

Рис. 1.14. Схема процесса синтеза аммиака LCA (ICI)

Также вкратце хотелось бы описать современные  варианты агрегатов синтеза аммиака компаний Linde, Kellog Brown & Root, Lurgi.

Особенности агрегатов синтеза аммиака Linde (LAC):

- водород получают паровой конверсией при 850°С, одноступенчатой конверсией СО и КЦА,

- азот получают криогенным разделением воздуха,

- нет продувочных газов,

- общее количество катализатора снижено в 2 раза.

В агрегатах производства аммиака 4-го поколения Broun&Root Purifier process основная идея  – использование во вторичном реформинге расхода воздуха на 50% выше стехиометрического с выделением избыточного азота криогенным разделением перед компрессором синтез-газа. Особенности данного процесса можно кратко представить следующим образом:

- метан и аргон выделяются криогенно. Синтез-газ содержит только 0.25% инерта (Ar),

- существенно снижена температура в первичном реформинге,

- соотношение пар/газ меньше 3,

- дополнительный воздух дает дополнительное тепло,

- остаточное содержание метана – 1.5%,

- концентрация СО после НТК – 2.35%.

Особенности процесса KAAP/KRES фирмы Kellog Brown & Root:

- отсутствие первичного реформинга,

- давление синтеза – около 90атм,

- катализатор синтеза – Ru/C,

- одноступенчатый компрессор синтез-газа,

- отделение H2 и N2 из продувочных газов,

- потребление энергии 6.5-6.7 Гкал/т NH3.

Особенности процесса Megammonia компании LURGI, мощностью 4000 тонн в сутки:

- нет первичного реформинга,

- автотермичный реформинг на кислороде при 60 атм.,

- нет НТК,

- азот после разделения воздуха,

- криогенное выделение СО₂, рециркуляция СН4, СО и Ar,

- синтез при 200 атм.

С анализом российского рынка аммиака Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок аммиака и карбамида в России».

Автор:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru

Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование

www.newchemistry.ru