МОДЕРНИЗАЦИЯ ПЕЧЕЙ РИФОРМИНГА, КАК СПОСОБ ПО-ВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АГРЕГАТОВ АММИАКА

МОДЕРНИЗАЦИЯ ПЕЧЕЙ РИФОРМИНГА, КАК СПОСОБ ПО-ВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ АГРЕГАТОВ АММИАКА

Раздел: Техника

Важнейшую роль в производстве аммиака сегодня играет способ производства синтез-газа, то есть смеси водорода и оксида углерода.

В нашей стране, богатой запасами природного газа, он реализуется паро-углеводородной конверсией, то есть в результате взаимодействие водяного пара и метана при повышенных температурах.

Промышленный процесс осуществляют в печах риформинга, в которых размещены сотни реакционных труб, заполненных никельсодержащим катализатором в виде гранул различных размеров и форм. В контактных аппаратах указанного типа необходимая для протекания химического процесса теплота передается из зоны сжигания топлива путем ее конвективного и излучательного переноса на внешние поверхности жаропрочных труб. Благодаря высокой теплопроводности металла труб тепло аккумулируется газовой фазой и гранулами катализатора. Температура последних, как правило, на 100 °С ниже (особенно в центральной части слоя катализатора), чем температура внутренней стенки трубы [Промышленный катализ в газохимии. Монография./ Под ред. д.т.н. С.В. Афанасьева. – Самара.: СНЦ РАН. 2018. – 160 с.].

Реализованный на агрегатах аммиака ПАО «ТОАЗ» более 40 лет назад промышленный способ производства синтез-газа с участием отечественных и зарубежных фирм выявил впоследствии следующие недостатки:

- необходимость поддержания более высокой температуры наружных стенок труб по сравнению с температурой слоя катализатора, что приводит к повышенному расходу энергоносителей и сокращению срока эксплуатации реакционных труб;

- выбор оптимальных размеров гранул катализатора зачастую вступал в противоречие с диаметром трубы, вследствие чего могли возникать неоднородности полей температур и скоростей газа по сечению труб;

- имели место повышенные расходные нормы по природному газу и значительные выбросы оксидов азота в атмосферу.

Для отнесения агрегатов аммиака в разряд промышленных установок с наилучшей доступной технологией необходимо было решить комплекс сложных задач.

В качестве первого шага был усовершенствован и запатентован узел подготовки природного газа, исключены из него энергозатратные стадии        [Патент RU №87692. Линия подготовки природного газа в составе производства аммиака. Авторы С.В. Афанасьев и др.]. После выполнения указанного мероприятия совместно с ООО «НИАП-КАТАЛИЗАТОР» впервые в отечественной и зарубежной практике был апробирован перфорированный никельсодержащий катализатор НИАП-03-01Ш шаровой формы, отвечающий требованиям ТУ №2171–007–83940154–2011. Его использование при заполнении поставленных по импорту реакционных труб позволило повысить их производительность и снизить такой важный показатель, как перепад давления. Результаты проведённых исследований были также защищены патентом на изобретение [Пат. RU № 2357919. Способ получения синтез-газа, обогащенного водородом и монооксидом углерода, путем каталитического риформинга углеводородсодержащего сырья. Авторы С.В. Афанасьев и др.].

Проанализировав полученные данные, специалисты завода решили пойти дальше по пути более существенного наращивания мощностей агрегатов аммиака. Согласно проведённых технологических расчётов с участием ОАО «ГИАП» было установлено, что решением проблемы могло бы стать снижение толщины реакционных труб с 18 до 12 мм и увеличение за счёт этого их внутреннего диаметра с 89 до 101 мм.

Это иллюстрируется данными табл. 1.

Таблица №1. Расчётные параметры работы печи риформинга с реакционными трубами разного диаметра. 

Производительность, тн/сутки

1950–2000

1750–1800

1440

1440 (база)

Внутренний диаметр трубы, мм

101

101

101

89

Температура конвертированного газа, оС:

-в центре трубы

718,5

721,1

732,1

732,9

-у стенки

743,5

745,8

755,6

752,4

Линейная скорость, м/с:

-в центре трубы

2,233

2,084

1,996

2,536

-у стенки

2,288

2,126

2,002

2,549

Содержание метана в сухом газе на выходе из трубы, мол. %

13,2557

12,1942

11,7262

12,6346

Соотношение пар:газ на выходе из реакционной трубы

0,8831

0,8533

0,8009

0.8260

 Согласно выполненным кинетическим и теплофизическим работам, установка в печи риформинга реакционных труб с внутренним диаметром в 101 мм позволит снизить температуру конвертированного газа и содержание остаточного метана, существенно повысить производительность установки по синтез-газу.

Использование предлагаемого технического решения улучшит также теплоперенос через стенку труб в печи риформинга и, как результат, снизит разность температур между их наружной поверхностью и выходящим синтез-газом. Одновременно с этим удастся уменьшить перепад давления по катализаторному слою, сократить расход топливного газа на проведение конверсии метана, увеличить выработку синтез-газа на агрегатах аммиака.

Сложность ситуации для реализации инновационного способа состояла в том, что используемые жаропрочные импортные сплавы имели недостаточный уровень предела прочности при температурах 850 – 900оС при рабочих давлениях до 50 атм и не гарантировали длительную и безопасную эксплуатацию труб на их основе с пониженной толщиной.

С внедрением собственного производства труб, получаемых методом центробежного литья, коллекторов и других комплектующих для печей риформинга на площадке ПАО «ТОАЗ» [Пат. RU №85844. Установка центробежного литья жаропрочных труб. Авторы С.В. Афанасьев и др.], были проведены обширные исследования в области материаловедения по созданию аустенитных сталей нового поколения.  

Первой и весьма удачной разработкой учёных завода стал жаростойкий сплав ХН33БС (аустенит №1), включающий углерод, хром, никель, ниобий, церий, кремний, марганец, ванадий, титан, алюминий, вольфрам и железо при следующем соотношении компонентов, % мас.: углерод – 0,30÷0,40; хром – 20÷23; никель – 30÷33; ниобий – 1,0÷1,7; церий – 0.07÷0.11; кремний – 0.45÷0,95; марганец – 0.8÷1.45; ванадий – 0.0005÷0.15; титан – 0,0005÷0.15; алюминий – 0.005÷0.10; вольфрам – 0.05÷0.5; железо и примеси – остальное [Пат. RU № 2393260. Жаропрочный сплав. Авторы С.В. Афанасьев и др.].

Его испытание во ФГУП ЦНИИчермет подтвердили превосходства по физико-механическим показателям и пределу прочности в экстремальных условиях эксплуатации перед другими известными отечественными и зарубежными разработками.

Значение предела длительной прочности σB сплава ХН33БС при температуре 960оС за 100000 ч, полученное методом экстраполяции, составляет 17,4 Н/мм2. Это на 26% выше данных по жаропрочности известного сплава 45Х25Н35ВС. При 810оС и 1110оС величина данного показателя для ХН33БС равна 66 и 4,9 МПа, соответственно, что в 1,5 и 2 раза превосходит допустимые напряжения при эксплуатации [σ].

Значения длительной прочности и допустимого напряжения для аустенита-1 в широком интервале исследованных температур приведены в табл. 2.

Таблица № 2. Длительная прочность и допускаемое напряжение сплава ХН33БС при различных температурах для времени непрерывной эксплуатации 100 000 часов

Температура, оС

Длительная прочность, МПа

Допустимое напряжение, МПа

460

399,1

266,1

560

272,0

181,3

660

170,4

113,6

760

94,2

62,8

860

43,0

28,7

960

17,4

11,6

 

Проведённые фундаментальные исследования аустенита-1 позволили создать широкий ассортимент новых сплавов с интерметаллидным упрочнением, рекомендованные к использованию в печах риформинга агрегатов аммиака и метанола, а также при проведении пиролизных процессов на нефтеперерабатывающих заводах.

Сегодня указанные разработки входят в международную базу патентов наряду с такими известными компаниями, как Шмидт и Клемменс.

Их широкое внедрение на семи агрегатах аммиака с использованием тонкостенных реакционных труб подтвердило расчётные данные, приведённые в табл. №1 и в [Пат. RU № 2535826. Способ получения синтез-газа паровой конверсией углеводородов. Авторы С.В. Афанасьев и др.].

Оно позволило форсировать и другие работы по техническому перевооружению действующих производств, довести суммарную годовую производительность до рекордной величины – три миллиона тонн аммиака.

Немаловажным обстоятельством является и то, что существенно сократились расходные нормы по природному газу как на четырёх агрегатах Кемико, так и на трёх типа АМ-76. Ощутимо уменьшилось и негативное воздействие входящих в их состав модернизированных печей риформинга на окружающую среду.

 

 

 


Календарь событий
Химия - 2021
Дата проведения: 25-27 октября 2021
https://www.chemistry-expo.ru/
Искусство Речи paranova.ru
Химагрегаты № 55, сентябрь 2021 Версия PDF