Реальность такова, что даже модернизированные агрегаты  будут находиться на грани потери конкурентоспособности в конце нынешнего или начале будущего десятилетия.

Строительство новых агрегатов с энергоемкостью ниже 7 Гкал/т и с потреблением природного газа ниже 850 ст. м3 на тонну аммиака станет крайне необходимым для всех компаний, желающих активно оперировать на рынке аммиака и азотных удобрений. Это должно входить в стратегию их развития как обязательное условие выживаемости.

Принимая во внимание появляющиеся разработки, ГИАП постоянно вносит изменения в технологию производства аммиака, с тем чтобы создать концепцию агрегатов нового поколения, способных удовлетворить требованиям двадцать первого века. Некоторые положения этой концепции уже были опубликованы [1]. За последнее время “ГИАП” исследовал  новые процессы и аппараты для переработки топлива  в технологический газ для производства аммиака, метанола, водорода, монооксида и диоксида углерода и других продуктов. Эти новые достижения “ГИАП” в области технологии, аппаратуры и катализаторов создают научную и техническую базу для разработки новой концепции аммиачного агрегата. Выше мы уже упоминали, что новая технология реформинга с большим успехом реализована на Синьцзянском заводе азотных удобрений в Китае. О пуске этой установки мы докладывали на конференции международной ассоциации производителей удобрений, которая состоялась в сентябре 1999 года в Новгороде при поддержке АО «Акрон» [2].

При разработке концепции нового аммиачного агрегата следует принимать во внимание следующие аспекты проблемы.

Термодинамический аспект. Очевидно, что существуют два принципиальных подхода.  Первый не ставит жестких ограничений на количество вводимой в аммиачный агрегат первичной энергии. Основное внимание в этом случае уделяется поискам изощренных методов последующей утилизации  энергии, частично диссипированной в  процессе производства. Такой подход лежит в основе концепции  упомянутых выше аммиачных агрегатов 70-х годов, в которых производится  огромное количество энергетического пара (6.5 тонн/тонну NH3) и огромное количество механической энергии (около 1.0 Mвт/тонну NH3). Такие же приемы используются и при модернизации этих агрегатов. Из термодинамических соображений ясно, что количество вводимой в агрегат первичной энергии должно быть ограничено, поскольку утилизационные процессы неизбежно связаны с ростом энтропии. Весьма трудно избежать технологических потерь вещества, которые даже в старых аммиачных агрегатах не превышают 1 - 2%. Следовательно, необходимо, прежде всего, снизить производство пара (на производство которого затрачивается до 4.6 Гкал на тонну аммиака), ограничившись неизбежными технологическими нуждами, и производство механической энергии, используемой на компремирование технологических потоков и гидравлические потери. При этом неизбежную рекуперацию тепла следует проводить на наиболее высоком температурном уровне. В этом сущность второго подхода, который мы использовали при разработке концепции нового аммиачного агрегата.

Экологический аспект. Понятно, что новая концепция аммиачного агрегата или любых других агрегатов (метанольного, производства водорода, высших спиртов, искусственного  жидкого топлива и т.д.) не может упускать из виду экологичский аспект проблемы, поскольку российское законодательство предусматривает тщательную и жесткую экспертизу любого проекта строительства химического объекта. Нужно также учитывать, что природоохранное законодательство будет ужесточаться под давлением  международных экологических требований, которые распространяются, в том числе и на нетоксичные выбросы, в частности диоксида углерода. Известно, что в США и ряде стран Европы введены налоги на выбросы СО2 , так  называемый “Carbon-tax”. Поэтому “ГИАП” в настоящее время концептуально закладывает в разрабатываемую технологию принципы минимизации вредных выбросов в окружающую среду. Такой подход дает, несомненно, больший эффект и с точки зрения экономичности является более предпочтительным, чем применение дополнительных устройств или установок для очистки выбросов.

Мы сформулировали принципы экологической толерантности технологической установки, которые учитывали при разработке технических решений для концептуального аммиачного агрегата. Вот эти принципы:

1.Минимально возможное вовлечение природных ресурсов в технологический  процесс.
2.Рециклирование в границах установки отходящих и отбросных потоков.
3.Использование малотоксичных и не коррозионных материалов и химических веществ.
4.Использование материалов и катализаторов, поддающихся рециклированию.
5.Повышение надежности аппаратов и оборудования с целью уменьшения риска аварийных выбросов.

Ниже показано, каким образом, упомянутые принципы реализованы в технических решениях нового аммиачного агрегата.

Мы исходили из необходимости снизить вредные газовые выбросы в 2-3 раза и почти полностью исключить выбросы технологического конденсата. Как показано ниже, эта цель может быть достигнута разработкой технических решений, приводящих к существенному уменьшению затрат энергии на производство целевого продукта.

Надежность и безопасность. Следует принять во внимание, что надежность и безопасность агрегата повышается, если удается уменьшить долю оборудования, работающего при наиболее высокой температуре и давлении, упростить компрессоры. Система управления должна обеспечивать надежное функционирование всех установок агрегата, содержать подсистемы диагностирования состоянии оборудования, обрабатывать и выводить их информацию.

Программное обеспечение инженерно-технологических решений. При разработке современных технологий большее значение имеет программное обеспечение моделирования химико-технологических процессов, так как ис¬пользование программ позволяет с одной стороны значительно сократить расходы и время на проектирование, а с другой правильно обобщать и использовать опыт экс¬плуатации действующих установок в поиске оптимальных, надежных решений.

Упор сделан на создание программных средств для расчёта процессов в каталитических реакторах, поскольку производство аммиака в значительной мере базируется на каталитических процессах, а  его дальнейшее развитие связано с прогрессом в области исследований гетерогенного катализа. Любая разработка современной аммиачной технологии не может быть осу¬ществлена без использования программ кинетических расчетов реакторов реформинга, конверсии СО, синтеза аммика и др. Указанные программы созданы с учетом многолетних исследований ГИАП в области кинетики гетерогенного ка¬та¬лиза и обобщают уникальный опыт внедрения разработок института в промышлен¬ности.

Мы перешли от одномерных моделей химико-технологических процессов с набором критериальных уравнений тепломассообмена к созданию программ более сложных двумерных моделей. Использование таких моделей уменьшает количество экспериментально определяемых параметров, которые на настоящий момент либо нельзя достаточно точно определить, либо они вообще не определяются существующими методами измерения. Кроме того, такие модели в несколько раз увеличивают объем получаемой полезной информации.

В частности разработана программа для расчета паровой конверсии природного газа по двухмерной модели катализаторного слоя [3], которая делает возможным:

•Предсказание получаемого состава газа на выходе из реактора с катализатором различных форм и размеров
•Определение производительности риформинга.
•Определение степени использования и ресурса дальнейшей работы катализатора.
•Расчет оптимального объема катализатора согласно требуемой производительности установки и с учетом возможного старения катализатора.
•Расчет радиального и аксиального распределения температур,  концентраций, ско-ростей потоков и т. д.

Как и все программные разработки, сделанные в ГИАПе, она базируется на фундаментальных теоретических построениях и использовании значительного коли-чества промыш¬ленных экспериментальных данных.

Теоретическая база программы расчета конверсии природного газа в трубке с катализатором позволяет создавать аналогичные программы и для других процессов гетерогенного катализа, например, для моделирования процессов синтеза аммиака в радиально-противоточном реакторе.

Технические решения. Выше мы указали, что термодинамические соображения, положенные в основу концепции энергосбережения  могут быть реализованы  путем использования новейших разработок ГИАП в области технологии, аппаратуры и катализаторов. В соответствии с этой концепцией аммиачного  агрегата мы приняли следующие технические решения. 

Удаление серы из природного газа. В зависимиости от содержания соединений серы в природном газе  используется цеолитная очистка (цеолиты типа NaX - 13X)  или  очистка методом каталитического гидрирования и последуещего поглощения H2S оксидом цинка. При двухстадийной каталитической очистке используются катализатор гидрирования АКМ и поглотитель ГИАП-10 разработки ГИАП.  Особенностью технологии является то, что в обоих случаях для проведения процесса используются радиальные реакторы конструкции ГИАП, имеющие низкое гидравлическое сопротивление (0.03 бар) и позволяющие увеличить примерно на 5% степень использования адсорбента, а также на 72% понизить вес аппаратов по сравнению с агрегатами предыдущего поколения.

Комбинированный реформинг природного газа. Cистема комбинированного реформинга  в соответствии с принятой концепцией энергосбережения обеспечивает рекуперацию энергии введенного в агрегат первичного топлива на наиболее высоком температурном уровне. Комбинированный реформинг природного газа включает трубчатую печь в комбинации с трубчатым реактором рекуперативного реформинга и  реактором вторичного реформинга. В межтрубное пространство трубчатого реактора подается газ из реактора вторичного реформинга, около 63% тепла которого используется для проведения эндотермической реакции паровой конверсии метана.

Это позволяет в 2.7 раза снизить производство пара в паровом котле, который работает в температурном интервале  340 - 600 °С. Надежность функционирования парового котла существенно повышается из-за уменьшения температуры газа на входе с 1000 до 600°С. Из-за снижения нагрузки на трубчатую печь и уменьшения общей выработки пара потребление топливного газа составляет только 130 куб. м на тонну аммиака против 420-440 куб. м в обычном агрегате. Соответственно выброс дымовых газов в атмосферу снижается более чем в 3 раза по сравнению с обычным аммиачным агрегатом. В такой же пропорции уменьшаются теплопотери и выбросы оксидов азота и серы. 

Комбинированная система реформинга позволяет гибко приспосабливаться к условиям на площадке клиента, изменять соотношение между потреблением природного газа и электроэнергии,  экспортом и импортом пара, оставляя при этом суммарное потребление энергии на тонну аммиака, потери тепла и выбросы в окружающую среду минимальными. Описанная здесь комбинированная система не нуждается в установке разделения  воздуха. Если такая установка имеется на площадке клиента, то можно исключить из технологической схемы трубчатую печь или уменьшить ее размеры. В предельном случае мы переходим к классической системе реформинга "Тандем", которая, как упомянуто выше,  реализована на Синьцзянском заводе азотных удобрений в Китае.

Аппараты комбинированной системы реформинга приспособлены к общей концепции агрегата. Трубчатая печь освобождена от вспомогательного котла. В трубчатом реакторе конструкции ГИАП используются цельнотянутые трубы из хромоникелевой стали с внутренним диаметром 89 мм и толщиной стенки 7 мм. Разница давлений на стенке труб составляет только 1 - 2 бар.  Для вторичного реформинга применен радиальный реактор конструкции ГИАП, имеющий гидравлическое сопротивление около 0.25 бар и низкие теплопотери. Общее гидравлическое сопротивление системы  комбинированного реформинга снижается примерно  на 2 - 3 атмосферы по сравнению с обычными установками. В результате общее давление в системе реформинга может быть понижено. Это благоприятствует повышению степени конверсии метана и увеличивает надежность работы всех аппаратов, включая воздушный компрессор. Потребление энергии воздушным компрессором уменьшается

Конверсия моноксида углерода. Двухступенчатая конверсия моноксида углерода  осуществляют в радиальных реакторах конструкции ГИАП, обеспечивающих постоянное низкое гидравлическое сопротивление (0.07 бар - для среднетемпературной ступени и 0.05 бар -  для низкотемпературной) , длительный пробег катализатора при  степени конверсии 0.98.

Очистка газа от диоксида углерода метилдиэтаноламином. В рассматриваемом здесь варианте технологической схемы очистка газа от диоксида углерода осуществляется 52%-ным водным раствором метилдиэтаноламина, чтобы удовлетворить потребности клиентов, имеющих установки для производства карбамида. Содержание диоксида углерода в очищенном газе составляет 0.05%. Установка очистки позволяет выделить практически 100% диоксида углерода.  Количество получаемого диоксида углерода составляет 1.23 тонны на тонну аммиака. Расход тепла  в этой схеме  составляет 0.674 Гкал, электроэнергии - 62 квтч на 1000 куб. м диоксида углерода. Вследствие практически полного отсутствия коррозионной активности растворителя все оборудование установки очистки изготавливается из углеродистой стали, что существенно влияет на его стоимость. В десорберах первой и второй ступеней используется металлическая насадка ГИАП-Н3, эффективность которой примерно на 15% превышает эффективность колец  Палля. 

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 мы использовали в новом аммиачном агрегате каскадный синтез аммиака при давлении от 72 до 80 бар.

- понизить мощность компрессора синтез-газа до 8.7 Мвт (производительность петли синтеза - 1520 тонн аммиака в сутки)
- использовать простой и дешевый однокорпусной двухступенчатый  компрессор синтез-газа с электроприводом
- уменьшить кратность циркуляции до 2.2
- получить концентрацию аммиака на выходе из реактора синтеза 11.7 - 12.7%(около 16% при использовании Ru-катализатора), и приращение концентрации аммиака  9 - 11%
- уменьшить стоимость аппаратуры и трубопроводов
- использовать  железный промотированный катализатор
- уменьшить гидравлическое сопротивление.

При проведении синтеза аммиака при низком давлении очень важно добиться низкой циркуляции и низкого гидравлического сопротивления петли синтеза. Дело в том, что при понижении давления увеличивается степень сжатия циркулирующего газа в циркуляционном компрессоре. Этот негативный эффект в каскадной схеме синтеза купируется низкой циркуляцией газа и низким гидравлическим сопротивлением аппаратуры, конструкция и размеры которой должны быть соответствующим образом выбраны. В частности, для проведения синтеза аммиака при давлении 78 бар применяются высокоэффективные радиально - противоточные реакторы конструкции ГИАП, имеющие гидравлическое сопротивление 1.5 - 2 бар [4], и при использовании активного железного катализатора СА-КЖ, приготавливаемого по технологии ГИАП,  обеспечивающие высокие степени превращения. Полная система технических решений в петле синтеза позволила применить циркуляционный компрессор с потребляемой мощностью 2.050 Мвт. Для обычной петли синтеза при 80 бар потребовался бы циркуляционный компрессор мощностью 9 - 10 Мвт.

Компрессия. Следует принять, что природный газ поступает в агрегат под давлением процесса. Таким образом, компрессия представлена воздушным компрессором, компрессором синтез-газа, циркуляционным компрессором и компрессором для сжатия газообразного аммиака. Суммарная мощность компрессоров, приходящаяся на 1 т аммиака, в 1,54 раза меньше, чем в агрегате ТЕС мощностью 1360 т/сутки.

Система парообразования и распределения пара. В этой системе получают пар с давлением 40 бар и с температурой 370-380°С для технологического процесса и  для турбины воздушного компрессора. Насыщенный пар перегревается в пароперегревателе трубчатой печи до 370-380°С и  направляется в паровую турбину воздушного компрессора и в коллектор. Питательная вода до деаэрации подогревается за счет тепла газа после низкотемпературной конверсии моноксида углерода. Деаэрированная вода (107 тонн в час) в систему парообразования подается двумя насосами с электроприводами.

Технологический конденсат, образующийся при охлаждении газа, и растворенные в нем компоненты полностью используются в агрегате. Конденсат предварительно нагревается и  подвергается очистке паром, подаваемым в технологический  процесс, в насадочном скруббере. Пар, выходящий из скруббера вместе с десорбированными примесями, смешивается с природным газом и подается в первичный реформинг. Соотношение пар/углерод поддерживается равным 2.9-3.15. Очищенный  конденсат (около 1 т/т NH3 )  подается в систему производства пара в петле синтеза.   

Базовые показатели потребления энергии аммиачных агрегатов по технологии ГИАП.  В приведенной ниже таблице 7 показано достижимое потребление энергии на тонну аммиака. Наименьшее потребление энергии имеет агрегат с давлением синтеза 80 бар, в котором производится наименьшее наименьшее количество механической энергии - около 0.566 Мвт на тонну аммиака. 

Таблица 7

БАЗОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАСХОДА СЫРЬЯ , ЭНЕРГИИ И МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ АММИАЧНЫХ АГРЕГАТОВ ПО ТЕХНОЛОГИИ ГИАП
на 1 тонну NH3

Уровень энергопотребления в подобном агрегате только примерно на 20% превышает теоретический термодинамический минимум, что говорит о достаточно высоком термодинамическом совершенстве технологической концепции.

Инвестиции. Рентабельность производства аммиака в новом агрегате обеспечивается тем, что, несмотря на снижение энергоемкости, инвестиции не возрастают по сравнению с агрегатами предыдущих поколений. Это достигается тем, что используются  более дешевые компрессоры и оборудование синтеза аммиака на давление 80 бар, радиальные каталитические реакторы, уменьшенная вдвое трубчатая печь, упрощенная и более дешевая система производства и потребления пара. Существуют дополнительные предпосылки, связанные с новыми разработками в области катализаторов для снижения потребления электроэнергии примерно на 15% . Срок окупаемости (4.6-6.7 лет)  при 15%-ной депозитной ставке на инвестируемый капитал, находится внутри экономической целесообразности  строительства  нового агрегата  в России. 

Мы полагаем, что новая концепция аммиачного агрегата соответствует ожидаемому  уровню технологий производства аммиака текущего десятилетия и будет представлять интерес для большого числа производителей удобрений в России и различных регионах мира. Строительство аммиачных агрегатов с показателями энергопотребления, приведенными в таблице 7, обеспечат конкурентоспособность российской азотной промышленности в долгосрочной перспективе.

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

Начало материала смотрите в статье АММИАЧНЫЕ АГРЕГАТЫ В РОССИИ (ЧАСТЬ I)

Литература:

1.S.P. Sergeev. The GIAP ammonia synthesis concept.   Nitrogen & Methanol, № 233, p. 31, May-June 1998
2.C.П. Сергеев, Н.П. Майдуров. "Пуск установки  риформинга для  производства  аммиака в Китае с реактором-теплообменником по технолгии ГИАП". IFA TECHNICAL SUB-COMMITTEE AND COMMITTEE MEETING,      Novgorod, Russia , 15-17 September 1999.
3.S.P. Sergeev, M.O. Shlensky.  The simulation of the natural gas steam reforming in tubular reactor.  13th International Congress Of Chemical and Process Engeneering. Praha (HISA’98), 1998.
4.S.P. Sergeev, I.I. Podolsky, M.O. Shlensky. COUNTER-CURRENT  FLOW  RADIAL AMMONIA SYNTHESIS REACTOR.  IFA Technical Conference, Marrakesh, Morocco, 1998.
С.П. Сергеев, ГИАП, Москва

www.newchemistry.ru