煤制合成氨工艺中的高温垫片

发布日期:2020年08月01日   作者:admin
前言
氨(Ammonia) 是重要的无机化工产品之一, 也是许多化工产品的原料之一,在国民经济中占有重要地位。农业上使用的氮肥,除氨水外, 诸如尿素、硝酸氨、磷酸氨、氯化氨以及各种含氮复合肥都是以氨为原料生产的。
合成氨是大宗化工产品之一,世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上,其中约有80% 的氨用来生产化学肥料,20%作为其它化工产品的原料。世界上的氨除少量从焦炉气中回收外,绝大部分是合成的氨。
合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。别名氨气,分子式为NH3,英文名: synthetic ammonia。
合成氨主要用于制造氮肥和复合肥料。氨作为工业原料和氨化饲料,用量约占世界产量的12% 。硝酸、各种含氧的无机盐及有机中间体、磺氨药、聚氨脂、聚酰胺纤维和丁脂橡胶等都需直接以氨为原料生产。液氮常用作制冷剂。

煤制合成氨工艺流程是怎样的?
以煤为原料合成氨的工艺种类非常多,各种工艺流程的最主要区别在于煤气化过程,也就是原料气的制备工序不同。传统的煤气化工艺采用块煤固定层间歇气化法,主要包括碎煤固定层加压气化工艺、水煤浆加压气化工艺以及粉煤加压气化工艺等。但是由于对煤种要求高,能耗大,效率较低,所以已逐渐被淘汰。固定层连续气化工艺对煤种的适应性广,生产大型化、规模化,是目前比较新型的合成氨工艺流程。

固定层连续气化是什么?
固定层连续气化生产合成氨原料气有常压和加压两种。气化剂用氧气或者富氧空气(含O2 50%--60%)和蒸汽。气化过程基本达到自热平衡,生产能连续平稳地进行。常见的固定层加压气化流程采用的煤气炉为加压鲁奇炉。固定层加压连续气化是将粒度为5—50mm范围的碎煤由气化炉顶加入炉内,在1.0—3.0MPa压力、900—1200℃温度下与从炉底来的气化剂逆流气化反应。
碎煤由煤斗进入煤锁,通过操作煤锁,使碎煤间歇加入气化炉内与气化剂反应。反应后的灰渣经炉算排入灰锁。
碎煤加压气化适用于多煤种,尤其适用于灰熔点高、不黏结的煤,如褐煤、次烟煤、贫煤等。所得煤气组成大致可以分为:40% H2,22% CO,26.5% CO2 ,7.5% CH4 ,1.9% (N2+Ar),0.4% CnHm,煤气中甲烷含量高,需加工才能成为合成氨原料气。

固定层连续气化条件有哪些?

1)温度
炉温高,煤气中一氧化碳和氢气的含量增加,甲烷含量下降,煤气产量高,质量好。但炉温会受煤的灰熔点限制,为了保证顺利排渣,炉温应控制在灰熔点以下。控制炉温的主要手段是调节蒸汽/氧比。蒸汽/氧比增大,炉温下降。通常根据经验观察炉灰的颜色和形状来判断。如果灰为不规则玻璃状的小球或熔结成小块的渣,说明炉内温度最佳。灰是黑色颗粒或无烧结的细灰,则炉温偏低。灰为大块渣,说明炉温太高,蒸汽/氧比太小。一般气化炉出口煤气的温度为650~700℃,由炉底排入灰锁的灰渣温度为400~500℃。

2)压力
提高操作压力,气化反应速率加快,可节省动力,减少煤气的含尘量。但压力越高,粗煤气中甲烷含量越高,会加大后序甲烷转化的负荷;对设备材料及制造的要求提高,而蒸汽分解率有所下降。因此,压力的选择必须根据工艺和经济两方面综合考虑。目前气化压力般为2.4~3.1MPa。

3)氧比
蒸汽与氧的比例,影响气化温度及煤气的组成。汽氧比增大,煤气中氢和一氧化碳增加。但炉温下降,使甲烷含量提高。汽氧比的控制应保证固态排渣下温度尽可能高。

合成氨系统该如何选择合适的垫片?
合成氨系统生产条件高温、高压、易燃、易爆, 若管道连接处密封不好, 污染环境的同时,还会给生产安全造成威胁, 因此, 合理选用管道法兰密封垫片,是管道密封安全可靠性的保障。
由于橡胶垫片的使用温度比较低,因此,在合成氨系统多用于冷却水及循环油等低压管道系统, 对不常拆卸、使用年限较长部位,宜选用橡胶垫片。
纤维类垫片由于制作方便, 适用用范围广, 因此在合成氨系统中、在低压管道法兰连接中广泛使用。
此外,合成氨系统的中压管常选用缠绕式垫片, 它具有使用方便, 密封性好,而且大直径没有焊接接头, 受温度压力波动影响较小等优点, 但普通的缠绕式垫片在使用中也存在一些问题,即由于径向失稳而易发生松散, 特别是大直径的更容易扭曲松散,石墨填充材料在高温条件下变脆, 甚至石墨会烧失掉,导致密封的泄漏,安装时, 要求垫片尺寸准确, 法兰不能有较大的偏转, 螺栓把紧力必须均匀等。
合成氨系统的压力在其高压管道采用的是法兰连接, 与其相配合的垫片一般是透镜垫, 根据合成系统的温度, 压力特点, 考虑管道流通介质, 用透镜垫可满足使用要求, 安装时应注意透镜垫球面与管道锥面的配合, 把紧螺栓时用力要均匀, 防止垫片压偏造成泄漏。但由于透镜垫和法兰之间是线密封,法兰与垫片之间的接触面比较小,在承受高压后容易对密封面造成损伤(类似于压痕样的损伤),如果使用过一段时间检修之类的原因打开重新安装前往往要对密封面进行维修。
针对以上所述的缠绕垫片使用中石墨变脆或烧失的问题,以及透镜垫使用中的法兰密封面损伤的问题, Garlock THERMa-PUR®;高温缠绕垫片或者齿型垫片可以完美的解决。

THERMa-PUR®; 4122的优势和特性
THERMa-PUR®;材料在高温下不会变脆或烧失,缠绕垫片或齿型垫片也不会损坏法兰,且THERMa-PUR®;高温垫片还有以下的优势和特性。

价值和优势
极端高温 — 能够经受住1000ºC下连续性高温工况或1000ºC下的热循环工况。
抗氧化性能 — 采用的专有材料,有更好的抗热失重性能。
耐化学性能 — 专有的材料配方能够抵抗大多数的化学介质,例如四氯化钛,熔融盐和其它强氧化剂。
疏水性 — 能够抵抗水的沾染和侵蚀。
容易从法兰上拆除 — 不会粘结在法兰面上,更容易更快地从法兰面上拆除使用后的垫片,减少维修时间,降低维修成本。

典型的物理性能

高温垫片的结构型式

在合成氨工艺中,由于压力较高,主要选用4122-KAMM和4122-SWG。Garlock THERMa-PUR®;高温材料能够有效解决合成氨中高温(450℃-1000℃)密封中的问题,消除石墨缠绕垫片在高温中使用的安全性问题,避免了在使用透镜垫时法兰的修复成本。
在工艺和设备不断改进的今天,政府和企业都致力于通过更科学环保的生产制造工艺来保障环境的洁净和安全,而选择合适的密封垫片以应对不同的苛刻工况是其中非常重要的环节。因此,在合成氨系统管道法兰密封垫片选择时,Garlock会根据客户的具体工况进行严谨的分析研究,最终为客户提供最佳的密封解决方案。

参考资料
1. 《合成氨系统管道法兰密封垫片的选用》
2. 《尿素生产工艺-煤制合成氨工艺(一)》
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