簡析合成氨系統的能源利用及節能方法

文長明(山東洪業化工集團項目指揮部,山東 菏澤 274500)

我國合成氨系統的引入較早，以焦爐煤氣制合成液氨為代表的一系列技術具有較高的實用性，但氨合成的過程中必然需要消耗大量能源。從符合我國可持續發展的需要，和公司可長遠發展的規劃，如何能充分利用能源，達到提高合成氨系統的節能率，從而提高產能具有重要意義。

1 合成氨系統一般凈化方法介紹

合成氨所指的就是氫氣與氮氣受到高壓催化劑作用后合成的氨，也可稱為氨氣，世界上的氨大部分都是合成氨，氮是其主要元素，在自然界中有廣泛分布，空氣中的含氮量也非常高，其體積約為79%。合成氨的用途較多，它可以用來制作氮肥，是一種非常高效的肥料，在農業增產中有著較高的應用價值。

針對目前合成氨系統的節能及能源充分利用改造，根據公司主要采用加壓催化部分氧化工藝為代表的焦爐氣制氣生產合成氨的技術特點，利用系統內部余熱、循環利用進行節能化改進，從而能提高能源利用率、節約資源，實現節能目的。凈化處理粗原料，有利于將氮氣與氫氣以外的雜質清除，這一過程主要包括以下幾個步驟：

1.1 CO變換

無論采取何種原料制取方法，均含有一氧化碳，體積分數通常在12%至40%之間，采用一氧化碳變換反應，在不同溫度條件下完成變換，主要包括低溫變換與高溫變換，可以控制一氧化碳濃度，使其降低至0.25%，這一過程實際上就是凈化過程。

1.2 脫硫脫碳方法

所有粗原料氣的制取，均含有碳與硫的氧化物，要想防止氨生產過程中，出現催化劑中毒的情況，需于合成前，采取脫碳操作，原料主要為天然氣，轉化法為蒸氣轉化法，脫硫為首道工序，以一氧化碳變換情況為依據，明確耐硫催化劑脫硫情況。

1.3 二氧化碳精制方法

通過一氧化碳變換、二氧化碳脫出后，原料中會包含少量一氧化碳與二氧化碳物質，必須采取措施減輕氨合成催化劑毒害作用。在合成工序實施前，需凈化原料氣，這就是所謂的精制過程。

2 合成氨系統節能改造具體措施

目前合成氨系統的節能改造可從采用以下節能技術，具體措施簡述如下。

2.1 余熱利用

主要是利用了生產系統中將焦爐煤氣的甲烷在經轉化、變換等得到高含量氫的過程中，出催化劑爐或器的氣體溫度較高，必須再降溫達到下一步工序溫度要求，所以可以利用這部分需要轉移的熱量，即達到降溫目的，又將轉移出的熱量進行再利用。減少利用蒸汽量，實現減少煤資源消耗的效果。在變換爐廢鍋回收一部分熱量，轉變成需要等級的蒸汽后，可增加一套熱水型制冷機組，利用換熱器換熱氣體后，轉移的高溫水作為制冷機組的動力來源，制冷機組利用熱水能，將需要冷卻的冷水進一步降溫。可供冷水空調用或其他用冷水生產單元。現國內有很多利用余熱的工藝或技術方案，根據全廠系統平衡及技術產生的效益，是否能回收那部分熱量。

2.2 節約用水

隨著生產、生活的加劇，水資源越來越缺。在生產系統中給工藝氣體降溫，通常采用循環水或脫鹽水換熱降溫，但還可以用空冷降溫。根據自身工藝特點、用水量、綜合耗能，我公司在變換有一臺循環水冷卻器，用水量較大，根據實際耗能比較，改用空冷法冷卻，同樣將工藝氣溫度150℃左右降到50℃左右，但每小時節約循環水1200多方；從用電方面比較，空冷自身耗電要比將1200多方的水用泵輸送來耗電比要低。雖然增加設備投入，但長期比較帶來的經濟效益、社會效益還是比較好的。

2.3 循環利用、減少排放

由于前系統提供的氫氮氣中可能含有少量甲烷、氬等惰性氣體，在氨合成系統生產中不參加反應，但影響系統分壓，從而影響氨產量。所以，在實際生產中惰性氣體要排放，將惰性氣體含量控制在合理范圍內，但排放出的氣體含氫、氨、較高，還有部分含氫、氨較高閃蒸氣。若直接排放污染環境，所以氨合成系統配套一回收這部分氨的回收裝置（水洗法氨回收裝置）。我公司在實際生產中根據經驗或結合已有技術，將洗氨氣用的脫鹽水經過精餾塔回收氨后，再利用此水洗排放含氨氣，洗氨后的氣體氨含量達到做燃料氣要求，再利用。國內有很多技術回收含氨氣體，水洗精餾法、膜分離法等，同樣的方法，工藝路線并不相同。

2.4 氣體成分優化

我公司采用國內低壓合成氨工藝。大概流程是工藝氣經過加壓14MPa左右后，進合成塔氫氮氣在合成塔內反應合成氨，經冷卻后成液態氨。眾所周知，在工藝氣中甲烷含量的高低對合成氨一定影響。工藝氣中甲烷含量在0.9%左右，氨凈值能到13%；若甲烷含量在0.08%左右，氨凈值能到16%，系統壓力在13MPa左右,并且工藝甲烷低，系統需要的反應壓力降低，耗氣量降低，產氨量高。根據氨合成生產經驗，針對現有工藝氣甲烷含量較高的氨合成系統，工藝氣中含甲烷是有一個平衡值的，達到無排放氣（調節系統惰性氣體）的要求。通過制氫系統操作將甲烷含量降低到這一值，是有利于氨合成系統生產。

2.5 催化劑升溫還原法

結合國昌合成氨技術的相關方法以及國昌公司的催化劑選擇建議，最終選擇使用AC-H型催化劑，因其具有預還原式低溫氨合成的優點，且還原速度良好，催化劑活性也遠遠優于A110系列催化劑。液氧合成主要是利用化產車間送來的焦爐煤氣（經過初步脫硫脫氨）將氣體中含24%左右的甲烷在轉化爐中與蒸汽反應轉化成一氧化碳、二氧化碳和氫氣，氣體甲烷小于0.5%；再經過中低變，將一氧化碳轉化為二氧化碳、氫氣，氣體中一氧化碳小于0.3%；再經過PSA脫碳脫除二氧化碳，氣體中二氧化碳小于0.1%；再經過甲烷化，是氣體中一氧化碳、二氧化碳轉化為甲烷，因為甲烷進合成塔不參加反應，在合成塔中屬于惰性氣體，不影響氮氣與氫氣反應生成氨。氣體中甲烷小于0.5%，進合成塔。通過溫度、流量、壓力調節生成液氨。

最后使用合成塔對催化劑及廢氣進行升溫催化還原，不僅可以有效回收能源，并且能提高液氨合成節能效益。合成塔開始運轉后，催化劑床層溫度逐漸上升至250℃，水氣濃度在0.45g/Nm3左右，之后逐漸將升溫至420℃。在升溫過程中，隨時保障床層溫度的穩定，同時相應調整水氣濃度，從而將出水量控制在合理范圍內。在逐漸上升床層溫度的同時，調整塔內壓力，降低入塔的氣體量，并配合采用提高電爐功率以及熱鍋爐蒸汽壓力等方法，從而把催化劑床層溫度提高至最高，保持一段時間后，即可結束催化劑還原工藝，并進行后續輕負荷成產。

3 結語

通過采取合理的措施，有利于對能源動力結構進行調整，達到降低成本，提高經濟效益的目的，合成氨系統是現階段一項可靠的技術，在系統運動過程中，要明確物料與能源的具體利用情況，防止非正常流失的出現。企業要注重凈化方法的選擇，實現合成氨系統的節能改造。

[1]王士榮.合成氨系統節能降耗改造及工藝流程模擬的研究[D].武漢工程大學,2012（05）.

[2]郭殿廳.合成氨系統節能技改方案的設計與選擇[J].中氮肥,2013（04）.

[3]馬如芬,汪旭紅,魏煥景.合成氨系統變換工藝的設計與優化[J].煤化工,2012（01）.