四川自贡某化工集团于2003年率先运用一、二段转化炉转化技术对6万t/a合成氨装置进行了改造。
a) 转化流程的问题与改进
降低一段转化炉负荷，放宽出口甲烷含量，使较多的甲烷转移到二段炉转化。在二段转化炉加入过量空气，让其与H2和甲烷作用产生大量反应热，满足该炉中较多残余甲烷深度转化所需的热量。同时在甲烷化工序以后加设深冷分离装置，以脱除多余的N2并获得高纯度的氢氮气。这样就使一段转化处于比传统流程更低的反应温度下操作，从而减少燃料天然气消耗。由于新增了除氮气的净化分离装置，造成投资增加，动力消耗增大，所以一段转化炉负荷不能太低，一般将一段炉出口甲烷含量（体积分数）由传统的10%提高到30%左右，将二段炉出口气甲烷含量放宽到1%～1.5%，就可收到良好的效果。
此外，采用新开发的换热式转化炉，将一段转化放在该炉中进行，管内充填催化剂，管外热源由二段炉高温出口气体提供，而不再由直火加热方式提供，从根本上避免了燃料天然气的消耗。当然受CH4深度转化的热量消耗和氢气／氮气比的限制，二段炉高温转化的可用热量是有限的，不能满足一段转化炉的需要。因此，外热式和换热式转化炉要联合使用，即采
用外热式一段转化炉和换热式一段转化炉并联再串联二段转化炉的转化工艺（简称双一段炉转化），在保证甲烷深度转化指标的前提下，通过一段炉负荷分配和甲烷转化程度的优化，达到燃料天然气消耗最少的目的。
因此，四川自贡某化工集团在原外热式一段炉外并联了一个3万t/a能力的换热式转化炉；将传统的二段炉出口高温气体进入锅炉产生蒸汽的流程，改为二段炉出口高温气体作为换热式转化炉的热源；对后续系统作配套改造，提高处理能力。通过1年多的运行表明，改造后设备运行平稳,安全可靠。整个装置的消耗检测结果见表1。
|
表1 改造后装置顿氨消耗检测结果 |
||||
|
|
燃料天然气 Nm3 |
总天然气 Nm3 |
电耗 kW.h |
蒸汽 t |
|
改造前 |
350 |
1060 |
856 |
0 |
|
改造后 |
150 |
840 |
830 |
0.6 |
b) 转化炉负荷的调整
降低一段转化炉负荷，使其出口甲烷含量（体积分数）由传统的10%提高到30%根据除过量N2的需要，对原系统增设分离装置。调整改造后吨氨燃料天然气消耗降低约40Nm3，按天然气市价0.737元/Nm3、氨生产能力6万t/a计算，可降低成本176.88万元/a。新增的深冷分离装置费用估算为200万元左右，新增动力消耗估算为50万元／a，该方案投资回收期仅为1.4年。
c) 转化炉的改造
根据二段转化气的高温热源有富余的特点，采用外热式一段转化炉和换热式一段转化炉并联的双一段炉转化工艺，让一部分天然气在换热式转化炉内转化，其热源由二段高温出口气的富余热源提供，省去了传统工艺的天然气燃烧反应，吨氨节约燃料天然气200Nm3，吨氨天然气总消耗下降220Nm3。改造后节约电26Wh/tNH3，新增蒸汽消耗0.6t/aNH3。按天然气市价0737元、Nm3、电价0.38元／kWh、蒸汽价54元／t、氨生产能力9万t／a计算，吨氨成本下降139.7元，年节约1257.3万元。另外，改造后使合成氨生产能力净增3万t／a，按液氨市价1850元／t计算，新增销售收入5550万元／a，扣除综合成本3750万元／a，每年新增经济效益1750万元。新增换热式一段转化炉及其它系统改造总费用3352.8万元，此方案投资回收年限为1.1年。
