聯堿廠合成氨工藝的發展趨勢

楚士和

（實聯化工江蘇有限公司，江蘇 淮安 2 2 3 1 1 2）

聯堿廠合成氨工藝的發展趨勢

楚士和

（實聯化工江蘇有限公司，江蘇 淮安 2 2 3 1 1 2）

聯堿生產成本主要影響因素是液氨、二氧化碳的成本即合成氨的成本。分析了我國聯堿合成氨裝置現狀，國內大型合成氨廠的發展趨勢及特點；比較了水煤漿制氣的大型合成氨裝置和固定床制氣的小合成氨裝置的優勢。

聯堿；合成氨；成本；水煤漿氣化；發展趨勢

近年來聯合制堿的產量增加較快，產品質量也有了很大提高，但行業內盲目擴產，行業外強勢介入使聯堿的產能出現嚴重過剩，純堿行業面臨新一輪洗牌。本文就以水煤漿制氣的大型合成氨裝置和以固定床制氣工藝的小合成氨裝置進行全面的比較來論述聯堿廠合成氨工藝的發展趨勢。

1 聯堿生產成本分析

純堿生產主要原料有液氨、二氧化碳和氯化鈉，如氯化鈉以市場價為基準設為定值，則純堿主要原料成本為液氨和二氧化碳，主要能源消耗是電和蒸汽，聯堿產品以重質純堿計雖然各家工藝有所不同，但蒸汽和電耗差別不大，所以影響純堿成本的主要因素是氨和二氧化碳的成本。而二氧化碳是合成氨生產的副產品，不同的凈化工藝其脫碳的成本不一樣，最終影響合成氨的成本，這樣聯堿廠制造成本競爭就是合成氨成本的競爭。

2 聯堿廠合成氨裝置現狀

小聯堿是伴隨著中國小合成氨工業的發展而不斷發展的，以無煙塊煤為原料固定床制氣的合成氨工藝在中國化肥發展史中有著濃重的一筆，為中國農業的發展作出了很大貢獻，直到今天其綜合產能占化肥工業的6 0%以上，在聯堿工業中除大化和天津堿廠外全都是采用固定床制氣的小合成氨工藝。小合成氨工藝是在特定歷史條件下發展起來的產物，它符合了2 0世紀7 0年代中國工業基礎薄弱，機械工業落后，鋼鐵材料質量差而農業又急需化學肥料的基本國情，經過幾十年的發展在工藝技術上也取得了很大的進步，單套裝置的生產能力從5 0 0 0 t／a發展到現在2 0萬t／a以上的規模，可以說現在的合成氨不再是以前的小合成氨了。但由于先天的不足小合成氨原料只能選擇無煙塊煤，資源少價格高，固定床工藝碳轉化率低，合成氨系統各級能量分布不合理，低品位熱能過多，從而導致合成氨綜合能耗居高不下，行業內雖然做了多年的不懈努力但還是不能從本質上取得突破，同大型合成氨工藝相比存在較大差距。

表1 小合成氨廠主要原料消耗

3 國內大型合成氨廠的發展趨勢及特點

2 0世紀8 0年代中國從日本等國引進了十幾套以重油為原料的大型合成氨裝置，使我們第一次接觸了國外先進的設計理念和生產工藝，但隨著國際能源市場的變化原油價格從十幾美元1噸漲到一百多美元，引進的以油為原料的大型化肥裝置嚴重虧損紛紛停產。9 0年代末，魯南化肥廠從德國引進了先進的水煤漿生產工藝，通過消化吸收推廣逐步被認識，而成為大化肥行業使用最多的氣化工藝。近年來粉煤氣化的工藝發展較快，引進的有S h e l l、G S P等工藝，國內有中國航天科工集團開發的航天爐干粉煤制氣，各廠可根據不同的產品結構和原料來源選擇合適的氣化工藝。本文以水煤漿氣化工藝的大型氮肥裝置為比較主體來闡述大型氮肥廠的工藝特點及其先進性。

圖1 水煤漿氣化工藝的合成氨裝置流程圖

其工藝特點主要體現在以下幾個部分：

3.1 水煤漿氣化

原料：水煤漿氣化用煤為灰熔點較低的成漿性能好的年輕態的煙煤，其市場價格比無煙塊煤低5 0 0元／t左右；

反應壓力高、溫度高、碳轉化率高：以9 9.6%的氧氣為氣化劑，在1 3 5 0℃度高溫6.5MP a壓力下反應生成半水煤氣，碳轉化率9 8%以上，而固定床制氣碳轉化率只有8 5%左右；

高汽氣比：出碳洗塔的煤氣汽氣比1.4，保證了變換過程的用汽。

固定床制氣噸氨需外供1.5t蒸汽用于氣化反應，大量未反應蒸汽通過廢熱鍋爐回收部分顯熱后用水冷凝，白白浪費了大量熱量。進變換的煤氣必需補充大量蒸汽才能滿足一氧化碳變換反應的需要，一般噸氨需補0.6t左右的蒸汽。

3.2 一氧化碳變換

變換轉化率高：由于氣化工段來的煤氣汽氣比高達1.4，使一氧化碳轉化效率高，一般變換氣中一氧化碳只0.5%；

附產蒸汽多：由于煤氣中含有大量的蒸汽，經過變換部分參加了反應，一變爐出口溫度5 0 0℃左右，通過廢熱鍋爐附產3.8MP a的中壓蒸汽0.5t／t氨；二變爐出口溫度3 5 0℃通過廢熱鍋爐生產0.6MP a的低壓蒸汽2t／t氨。熱水余熱折0.6 MP a的低壓蒸汽為1t／t氨。

噸氨能附產蒸汽3.5t，而小合成氨變換工段不但不能附產蒸汽，而且需要外供蒸汽一般噸氨需外供0.3～0.6t蒸汽。

3.3 凈化

凈化率高：大氮肥裝置凈化一般都采用低溫甲醇洗和液氮洗。通過－6 0℃的甲醇來吸收變換氣中的酸性氣體，再通過－1 9 0℃的液氮清洗除去一氧化碳、甲烷等雜質，通過低溫甲醇洗和液氮洗以后的凈化氣中C O＋A r＋CH4＜1 0p p m，幾乎是純凈的氫氮氣。小氮肥廠凈化工藝一般采用MD E A或NHD，但凈化氣中C O＋C O2一般在0.5%左右，需進一步凈化才能達到合成原料氣的要求，由于工藝的原因凈化氣中含有2%左右的A r和CH4。

運行成本低：甲醇在低溫高壓的工況下吸收二氧化碳的能力是NHD的5～1 0倍，所以其循環量小，噸氨循環量6m3，電耗3 5kWh／t氨，蒸汽耗3 0 0 k g／t氨，冷凍量6 8kW／t氨。

3.4 氫氮氣壓縮

設備單純運行穩定：大氮肥裝置一般采用1臺蒸汽透平離心壓縮機，單純穩定便于管理；小氮肥廠一般采用多級壓縮的活塞壓縮機，由于單機能力小、臺數較多，活塞壓縮機一般有6級，由于工藝復雜運行不穩，檢修管理工作量大。

動力消耗低：4 0萬t／a合成氨的蒸汽透平離心壓縮機（包括合成循環機）每小時需3.8 MP a蒸汽3 0t，噸氨需0.6t蒸汽，如噸蒸汽按2 0 0元計則需1 2 0元，如果公司低壓蒸汽有出路，汽輪機采用背壓機組則運行費用還要降低一半。小氮肥流程中壓縮機都是用電拖動，噸氨壓縮機耗電8 0 0kW左右，電價按0.6元／kWh計則需4 8 0元，可見大裝置在壓縮功方面有絕對優勢。

3.5 氨合成

技術先進凈氨值高：國內現有大型合成氨裝置都采用引進卡薩利或托普索的氨合成技術，由于原料純度高無惰性氣體提高了合成效率，氨凈值達到2 0%，觸媒使用壽命長一般有1 0～1 5年。

高品位回收熱能：引進的氨合成設計都采用了高合成塔出口溫度的方法來生產3.8 MP a的過熱蒸汽，用于發電，大幅提高了熱能的利用率。合成塔出口溫度4 2 5℃。而現有小合成氨裝置合成廢鍋只能生產1.6MP a以下的低壓蒸汽。

3.6 氨氣壓縮機

大氮肥裝置一般采用蒸汽透平離心壓縮機，噸氨需3.8MP a的蒸汽0.5t，而小型裝置一般都是采用電拖動的螺桿壓縮機，不但運行效率差而且運行過程中需噴進大量的油進行潤滑降溫，雖經降溫分離氨氣，但部分油氣仍不可避免地隨氨氣冷凝，從而降低了液氨的質量。

綜合以上所述大型水煤漿氣化制氣的合成氨裝置的主要消耗如表2。

表2 水煤漿氣化制氣的合成氨裝置主要消耗

4 水煤漿制氣的大型合成氨裝置和固定床制氣的小合成氨裝置的比較

新建一套大型氮肥裝置投資需2 0億元，噸氨財務費用2 5 0元左右，而現有小聯堿廠大多是老廠或在原裝置逐步擴建而成的，財務費用一般都很少，新建大型裝置主要原料價加財務費用在1 7 0 0元左右，而小廠主要原料加財務費用則在2 7 0 0元左右，所以新大型合成氨裝置成本和小合成氨裝置相比有絕對的競爭優勢。

中國是純堿生產大國產量占全球的一半，但我們不是生產強國，無論是產品質量還是能源消耗和國際先進水平都存在著很大的差距，要改變現狀我們不但要在純堿生產工藝上下工夫努力提高聯堿生產的純堿質量，更應針對我們的薄弱環節合成氨生產的落后工藝下功夫，只有這樣聯堿生產的綜合消耗（包括氨成本）才能大幅下降，企業才能有競爭力。

T Q 1 1 3.2

B

1 0 0 5－8 3 7 0（2 0 1 2）0 5－4 4－0 3

2 0 1 2－0 3－2 0

楚士和（1 9 6 4—），大專學歷，高級工程師。1 9 8 7年進清江化肥總廠長期從事合成氨裝置的改擴建和生產管理工作，2 0 0 3主導淮安華爾潤3 0萬t／a聯堿項目的建設任項目技術副總，2 0 0 8年調江蘇井神鹽業任6 0萬t／a聯堿項目副總指揮，2 0 1 0年進入臺灣玻璃集團在淮安鹽化工園區投資建設的1 0 0萬t／a純堿項目任技術經理。