淺談合成氨生產中的降本增效措施

宋建峰

(山西晉豐煤化工有限責任公司聞喜分公司　山西聞喜　043800)

我國合成氨工業歷經幾十年的發展，在不斷吸收國外先進工藝技術的基礎上，進行了積極的整合和改良，逐步形成了適合我國國情的合成氨工業模式，其整體生產水平逐步提高。近年來，我國合成氨生產工藝技術取得了快速發展，隨著一些高度自動化、現代化、低能耗、大型化的合成氨生產裝置的建成投產，給一些中、小型合成氨生產企業帶來強烈沖擊；另外，國家對小氮肥企業的電價優惠政策取消后，中、小型合成氨企業由于電耗較高，生產成本高的壓力越發突出。是通過積極的節能技術改造、降本增效以提高自身的競爭力，在逆境中求生存，還是在行業整合的浪潮中慘遭淘汰，這是昔日曾有過輝煌歷史的中、小型合成氨企業所面臨的抉擇。正如物擇天華、適者生存的自然進化理論所展現的那樣，昔日的中、小型合成氨企業在激烈的行業競爭中，有的固步自封而破產倒閉，有的積極引進新技術并加以吸收改進，逐漸增強壯大。在這些能夠適應時代潮流的企業中，無不是在充分利用企業自有的人才優勢、抓好生產過程管理的基礎上，積極進行技術革新和改造，采用先進的生產工藝技術取代落后的生產工藝，采用先進的集成工藝實行多元聯產，通過積極的技術革新和改造逐步降低單位產品能耗，發展低碳經濟以適應行業激烈競爭的客觀現實，從而實現企業的可持續發展。

1　我國合成氨生產現狀

目前，我國合成氨生產企業的生產裝置水平參次不齊，大、中、小型生產裝置并存，有的生產企業是從20世紀70年代的小氮肥裝置建成投產，逐步進行技術改造發展起來的；有的是在20世紀80年代引進國外生產技術而建成的大型合成氨生產裝置；有的是在21世紀初，化肥市場行情較好的大背景下，一些大型國有企業或一些有經濟實力的部門通過資源整合而投資上馬的“18·30”、“40·60”或規模更大的生產裝置。我國的合成氨生產裝置就原料來源分類，主要有煤、石油、天然氣三大類，但因我國煤炭資源豐富而石油及天然氣資源相對短缺，以煤為原料的合成氨生產能力占總產能的80%以上。近段時期以來，由于合成氨生產規模越來越大，造成我國氮肥產能激增、產量過剩、供大于求，各氮肥企業間的競爭越發激烈。目前，我國化肥市場已全面開放，基本實行了市場競爭的調節手段，地區間的行政保護價已不復存在，化肥價格已由市場決定，價格差異已經很小。因此，以合成氨生產為基礎的各氮肥企業，行業內的競爭越發加劇，企業間的競爭主要依靠的是生產經營成本的競爭，企業為了求生存和謀發展，必須積極內部挖潛，從降低生產經營成本上下工夫。

2　合成氨生產成本

以合成氨為基礎的氮肥生產企業的成本主要包括原材料(煤、石油、天然氣等)成本、動力電成本、燃料煤成本(主要用于生產蒸汽)、固定資產折舊及維修費用、化工輔料費用、財務費用(主要為銀行貸款本息的償還)、采購和銷售費用(包括長、短途運輸及銷售損耗等)、安全環保治理費用、生產工人工資及附加。各企業的各項成本所占比例因企業自身情況不同略有差異，但是兩煤一電(原料煤、燃料煤、動力電)成本所占比例均在80%以上，因此，企業為降低生產制造成本，降低兩煤一電的單位產品消耗無疑是重中之重。同時，企業在生產經營過程中還須兼顧其他生產過程的控制管理，要有集小流以成江海的思想和全方位管理的思維，才能在日趨激烈的行業競爭中站穩腳跟，不斷發展。

3　節能降耗、降本增效的主要措施

目前，我國合成氨生產企業大都是以煤為原料，因此，重點探討煤基合成氨生產企業的節能降耗措施。

3.1　從源頭上降低原料煤成本

降低原料煤成本主要從使用原料煤的種類(煤種不同，價格差異很大)和降低單位產品原料煤消耗上進行。

3.1.1降低原料煤成本

在煤基合成氨生產過程中，原料煤種主要是根據煤氣化工藝的不同而選取。對于固定層氣化工藝，要求使用灰熔點和硬度較高的優質無煙煤、焦炭或特制的型煤；對于水煤漿加壓氣化工藝，要求使用灰熔點較低、可磨性較好、成漿性能較優的煙煤等為原料；對于氣流床粉煤氣化工藝，則可使用價格較低的褐煤或煙煤為原料。當前，由我國自行設計和研發的、適合我國國情的水煤漿加壓氣化和氣流床粉煤氣化工藝生產裝置相繼建成投產并很快達到設計產能，單位產品的原料煤成本大幅降低，如采用水煤漿連續氣化工藝所用煙煤含稅市場價為560元/t(山西省2016年下半年統計價格)，而同時期優質無煙塊煤價在815元/t左右，水煤漿氣化工藝噸氨醇煤耗在1.5 t左右，固定層氣化工藝為1.2 t左右，采用水煤漿氣化工藝噸產品原料煤成本可降低約140元，展現出了良好的經濟效益。

需要說明的是，煤的氣化工藝技術是隨著行業技術的不斷發展和操作經驗的不斷提高而逐漸進步的，各種氣化工藝有其各自的優缺點。固定層氣化工藝經過幾十年的摸索總結，技術比較成熟，國產化程度較高，生產操作經驗較為豐富，氣化裝置的制造和維修成本較低，但其所用原料優質無煙塊煤和焦炭價格相對較高，造成生產單位產品經濟成本也高。近年來，生產企業通過加工型煤，逐步拓寬了固定層氣化工藝原料煤的使用范圍，其原料煤成本略有下降，但其單位產品經濟成本仍較高。水煤漿加壓氣化工藝技術和氣流床粉煤氣化工藝技術最初是從國外引進的專利技術，如德士古水煤漿加壓氣化技術和Shell粉煤氣化技術等，其原料的使用突破了固定層氣化工藝必須使用優質無煙煤的局限性，可以使用價格相對較低的煤種，僅從所使用的原材料來說，單位產品成本有較大幅度的降低。但引進的氣化工藝一次性設備投資費用較大，是同等規模固定層氣化工藝的2倍甚至數倍，還需支付大筆外匯作為專利技術費用；同時，由于當時國內對水煤漿等氣化工藝技術和操作技能的掌握程度較低，大投入后達不到預期的生產能力，造成生產經營過程中財務費用成倍提高，故在引進水煤漿等加壓氣化技術之初，生產企業的單位產品生產成本整體降幅并不大。近幾年來，隨著我國煤化工科技人員對水煤漿加壓氣化技術及氣流床粉煤氣化工藝的探索和研究不斷深入，開發出了具有自主知識產權的水煤漿水冷壁氣化爐、航天爐以及一次性投資相對較低、規模較小、適合企業改造使用的高濃度廢水制水煤漿氣化爐等，使得水煤漿加壓氣化工藝和氣流床粉煤氣化工藝實現了國產化，一次性投資降低；同時，隨著對水煤漿及氣流床粉煤氣化工藝技術研究的逐步深入，生產操作技術的掌握程度逐步提高，使得這2種較為先進、節能的煤氣化技術的應用范圍得到進一步拓展。

因此，合成氨生產企業在節能技術改造過程中進行煤氣化工藝的選擇時，應根據行業發展水平、工藝技術的進步和操作熟練程度以及企業實際情況，選取既適合企業實際情況又符合行業發展方向的生產工藝，才能實現降低企業生產成本、增強企業競爭力和可持續發展的目的。

3.1.2降低原料煤消耗

生產工藝確定后，欲實現單位產品原料煤耗的降低，首先在原料煤的采購時，應從價格、質量上進行對比分析，在運輸和儲存上合理調配，做到質好價廉并減少運輸損耗，求取最佳效益。其次，在生產工藝允許范圍內，合理調整原材料種類。如固定層氣化工藝可采用價格較低的型煤取代無煙塊煤，或按一定比例將煙煤與無煙煤摻燒，或按一定比例將半焦與焦炭摻燒。有條件的企業，可利用當地其他企業排放的廢氣(高爐氣、焦爐氣、電石爐尾氣等)為原料氣，經氣體成分的加工和調整后生產合成氨。在制氣過程中采用新技術，如采用自動加煤和出渣、DCS尋優控制、增氧制氣工藝、蒸汽自動調節技術、常壓夾套改為加壓夾套、小加氮技術等，均可降低原料煤的消耗，采用上述技術后噸氨煤耗可降低100～200 kg。對于年產300 kt合成氨企業，通過以上措施按噸氨降低煤耗150 kg、煤價800元/t計算，全年可節約資金3 600萬元，其經濟價值是相當可觀的。對于采用水煤漿氣化技術或流化床氣化技術的企業，需了解各種煤的物化特性，根據生產的需要選擇能滿足工藝要求且價格相對較低的原料煤進行組織生產，必要時可組織中小型試驗以尋求合理的原料配比，以達到降本增效的目的。

3.2　降低燃料煤成本

3.2.1合理利用造氣爐渣

合成氨生產企業的燃料煤主要是用于生產蒸汽，因此降低燃料煤成本就需從減少燃料煤用量、增加生產過程中廢熱利用、降低燃料煤價格、高低位熱能合理利用方面綜合考慮。

合成氨企業的生產工藝路線及產能確定后，其生產過程中所需蒸汽量就基本確定。根據能量守恒原理，由水加工成蒸汽所需能量是一定的，因此生產蒸汽的理論耗煤量是一定的。但在蒸汽生產的實際過程中，能量的來源是可以不同的。如在固定層氣化工藝中，原料煤的使用往往是不完全的，原料煤氣化后的爐渣中含碳質量分數一般在15%～20%，若不加以利用，是極大的損失和浪費。三廢混燃爐的開發和應用，可將造氣爐渣中的殘碳燃用殆盡，用于生產一定量的蒸汽。對于年產300 kt合成氨的企業，用三廢混燃爐燃用造氣爐渣生產蒸汽，每年可節約燃料煤75 kt左右，按燃料煤價格260元/t計算，年節約資金近2 000萬元，具有相當可觀的經濟價值。

3.2.2減少生產過程中的蒸汽消耗量

采用水煤漿加壓氣化技術后，氣化所用蒸汽來源于氣化爐內高溫高壓狀態下水的汽化，無需外來蒸汽的加入即可滿足煤的氣化條件，故采用先進的水煤漿加壓氣化工藝可節約大量的蒸汽。同時，CO變換采用耐硫催化劑后，進變換裝置的工藝氣體對硫含量的要求放寬，較高壓力、較高溫度的煤氣可攜帶大量的飽和蒸汽直接進入變換工段，煤氣中所攜帶的蒸汽即可滿足CO變換所需，因此變換過程也無需外來蒸汽的加入。由此可見，采用水煤漿加壓氣化工藝技術后，合成氨生產過程中制H2階段就不需要外加蒸汽了，可從源頭上降低燃料煤的使用量。

3.2.3充分利用反應熱

在合成氨生產過程中，CO變換、甲醇合成、氨合成等都是放熱反應，可充分利用反應熱生產蒸汽。如采用水煤漿加壓氣化工藝，變換工段可設置廢熱鍋爐，噸氨變換過程可副產1.2 t左右的蒸汽；采用水管式甲醇合成塔，噸甲醇可以副產約1.0 t的蒸汽；采用廢熱鍋爐回收氨合成反應熱，噸氨可副產約1.2 t的蒸汽。以年產300 kt合成氨裝置為例，上述幾項副產的蒸汽在700 kt/a左右，相當于1臺80 t/h的鍋爐所產蒸汽量，按生產1 t蒸汽所需燃料煤成本60元計算，每年可節省資金4 200萬元。在采用水煤漿加壓氣化技術后，合成氨生產過程中的蒸汽不但能滿足自用，還有部分蒸汽外供甲醇精制、尿素生產、溴化鋰制冷、蒸汽驅動、發電等。充分利用生產過程中的反應熱，可極大地減少燃料煤的使用量，是降低生產成本的重要措施之一。

3.2.4高低位熱能的合理利用

高低位熱能的合理利用指在生產管理過程中，根據生產系統各環節對蒸汽品位要求的不同，提供不同品位的蒸汽。生產裝置在設計和安裝過程中應根據生產各環節的需要設計和安裝高、中、低不同品位的蒸汽管道，以備不同生產環節的需要。如固定層常壓造氣系統只需要低壓過熱蒸汽，CO變換系統、尿素系統需要中壓飽和蒸汽，甲醇精餾、硫黃回收、脫鹽水除氧、某些設備管道的伴熱等只需低壓飽和蒸汽。將高品位蒸汽用至只需低品位蒸汽的場合，就會造成能量的浪費，從而增加燃料煤的消耗。因此，企業應根據裝置的工藝及設備狀況，從生產管理上抓起，了解自身的蒸汽使用和可供情況，合理設計工藝管線，依靠嚴密的生產組織合理利用能源，達到降低燃料煤消耗的目的。

3.3　降低動力電的消耗

在合成氨生產中，動力電主要消耗于各種工藝流體的輸送過程中。目前，我國合成氨生產工藝中動力電的消耗差別是相當大的，節電潛力是巨大的。

3.3.1采用加壓煤氣化工藝取代常壓氣化工藝

對于采用常壓固定層氣化工藝生產合成氨的企業，生產1 t合成氨所需的動力電耗在1 200～1 500 kW·h，平均在1 350 kW·h左右。采用加壓氣化工藝技術后，合成氨生產的電耗可明顯降低，如：煤氣化壓力提高至2.5 MPa，噸氨醇電耗比常壓氣化可降低200 kW·h左右；采用4.0 MPa加壓氣化后，噸氨醇電耗比常壓氣化可降低350 kW·h左右。因此，目前的合成氨生產企業制氣工藝大都向加壓煤氣化的方向發展。

3.3.2壓縮機組大型化，電機高效節能化

工藝氣體的壓縮是合成氨生產過程的主要耗電環節，占合成氨生產總電耗的65%左右。采用大型高效壓縮機組取代小型機組，同時采用高效節能電機，噸氨工藝氣體壓縮電耗可以降低50～60 kW·h。羅茨風機、鼓風機、液體輸送泵等設備在滿足工藝要求的基礎上選用大型節能型設備以及高效節能電機，噸氨可以節電20 kW·h左右。

3.3.3降低能量損耗和電力消耗

(1) 采用等溫變換工藝取代傳統的絕熱變換工藝，可降低變換工段阻力約0.05 MPa，可在一定程度上降低壓縮機功耗。

(2) 變換工段與脫碳工段采用同一壓力等級，工藝氣體中占體積分數25%以上的CO2無需消耗壓縮功即可在脫碳裝置中脫除，噸氨醇可節電50 kW·h以上。

(3) 在生產工藝流程中設置低壓聯醇工藝，工藝氣體中的一部分CO、CO2和H2在較低壓力(5.5 MPa或8.0 MPa)下合成甲醇，既可初步凈化合成氣，又能降低氨合成系統壓力，噸氨可以節電80 kW·h左右，同時還能通過調節氨醇生產負荷以優化產品結構。

(4) 采用抽真空變壓吸附技術取代碳丙、NHD等濕法脫碳工藝，噸氨醇可以節電50～60 kW·h；而采用兩段吹掃法變壓吸附脫碳技術取代碳丙、NHD等濕法脫碳工藝，噸氨醇可節電約90 kW·h。

(5) 采用溴化鋰制冷技術，利用生產過程中的低位熱能生產較低溫度的冷卻水并用于降低氮氫壓縮機進口煤氣溫度，可增產2%左右；或用于降低氨合成循環氣溫度，降低冰機電耗。采用溴化鋰制冷技術，噸氨可節電40 kW·h左右。

(6) 隨著低壓氨合成技術的逐漸成熟，采用高效氨合成內件和催化劑，將氨合成壓力降至18～20 MPa，噸氨可節電50 kW·h左右。

(7) 采用高效蒸發冷凝器取代傳統的水冷器或冷卻塔，噸氨可節電30 kW·h左右。

(8) 采用氨水噴射吸收制冷技術取代冰機制冷機組制冷，噸氨可節電50 kW·h左右。

(9) 采用熱功聯產節電技術，即利用高溫高壓的過熱蒸汽的高位熱能驅動汽輪機高速轉動以帶動生產過程中的運轉設備，從而取代電機，達到降低電耗的目的。熱功聯產技術的應用須根據企業的蒸汽產量及蒸汽品位綜合考慮，做到高品位熱能利用后，稍低品位的熱能也能得到合理利用，切不可一味追求節電而致使蒸汽利用率降低，否則將造成生產過程中蒸汽無法平衡，進而影響合成氨生產系統的穩定。該技術的節電效果需根據所驅動運轉設備的功率計算，各企業的生產狀況不同，節電效果有所差別。

3.4　提高生產效率

生產過程中的工藝管理、設備管理及安全環保管理工作對生產成本的影響也是較大的。如生產設施中存在“大馬拉小車”現象，就會使電耗增大；嚴重的跑、冒、滴、漏會使煤耗、電耗及各種輔料消耗上升；設備出現故障會造成生產出現波動，不僅影響產量，而且造成消耗增加；生產設施前后工段不匹配，會造成設備效率降低，從而使各項消耗增加；生產過程中因工藝氣體中有效成分降低、無效成分增高，如煤氣中CO2含量增高、合成氣氫氮比不合適、甲烷含量增高等都會造成綜合產量的減少，各項消耗增加；生產系統冷卻設施對工藝氣體冷卻效果差，會造成壓縮機打氣量減小，噸氨電耗增加；壓縮機活門漏氣將造成壓縮機有效功降低，電耗增加；如果出現安全事故、環保事故后，造成減量生產甚至停產整頓等，對生產影響更大。因此，加強生產過程中各項基礎管理工作，對企業節能降耗是具有積極意義的。

3.5　降低生產運行費用

固定資產折舊費用和財務費用主要與各企業在投資建設時的資金來源、銀行貸款金額、貸款利率、投資過程中設備選型購置費用、基建周期、基建安裝費用等相關，各企業的情況不盡相同。但是企業在建設過程中應注意：設備的設計選型能滿足安全環保要求、符合生產工藝要求、能達到安全生產目的即可，切不可一味追求高、大、上，否則會使建設安裝費用增高，造成投產后生產費用的增大；在基建過程中應嚴把采購設備質量關、基建施工質量關、設備安裝質量關，嚴防在基建過程各環節中出現偷工減料、降低施工設計標準要求的現象，否則在裝置建成投產后，會形成重大安全隱患，給生產帶來不安全因素，從而造成生產成本的增大。

3.6　降低采購和銷售費用

采購和銷售費用主要與企業所在地理位置、當地物流輸送能力、企業的貨物采購與營銷網絡、供銷人員的業務素質、國內外市場行情等因素有關，企業應在保證產品質量和銷售渠道暢通的基礎上，盡量降低采購和銷售費用。

3.7　綜合治理三廢，變廢為寶

隨著國家對安全生產和環境保護重視程度的不斷提高，企業投入的安全環保治理費用會逐漸增多，但企業在三廢治理過程中可回收有效資源、降低污染物排放量，達到節能降耗的目的。企業應正確對待環保投入，只要找到治理污染的合適方法，環保設施的投入是能得到經濟回報的，對企業的不斷發展是大有益處的。這就要求企業深入了解和認識并加強研究和探討三廢治理和回收再利用的相關知識，達到污染治理、變廢為寶、增強企業經濟效益的目的。

4　結語

近年來，我國以合成氨生產為基礎的氮肥工業取得了快速發展，適合我國合成氨工業生產路線、具有我國自主知識產權的先進節能工藝不斷涌現，生產規模大型化、原料使用多元化、產品結構多聯化的市場化格局已逐步形成，企業間的竟爭已不是簡單的產能規模的競爭，而是成本的競爭、效益的競爭，是企業綜合贏利能力的競爭。因此，合成氨生產企業的經營者必須轉變經營理念，在節能降耗、降低生產成本、追求生產經濟效益上做文章，既要從采用新技術、新工藝以提升企業硬件設施著手，加強節能技術改造力度，又要靠細化、量化、科學化、合理化的生產管理過程來提升企業的管理水平，加強過程控制管理，全方位提升企業的經營水平，才能適應日益激烈的市場競爭，為企業贏得生存和發展的空間。