節能型合成氨工藝與節能技術探討

趙學俠

摘 要：在基礎化學工業中合成氨工業占據著重要位置，其對我國國民經濟發展有著較大的影響力。在化學工業中，氨這一原料非常重要，用途之廣泛超過了絕大多數的化工原料。近幾年我國在合成氨技術的節能降耗和工業技術等方面都取得了不小的進步，但是由于合成氨在我國各行各業中都有著非常廣泛的應用，有著較大的需求量，其在生產過程中造成的能源損耗和原材料浪費情況依然非常嚴重?；诖?，本文主要對節能型合成氨工藝與節能技術進行分析探討。

關鍵詞：節能型合成氨；工藝；節能技術

1、合成氨工藝概述

合成氨生產與國民經濟密切相關，其產品氨是制造化肥和其它許多化工產品的原料。合成氨生產過程因所采用的原料和凈化、合成方法的不同形成了不同的工藝流程，能量消耗（能耗）也有差別。就合成氨典型流程而言，一般分為以下三種：

（1）以煤為原料的中小型合成氨流程，如碳化工藝流程、三催化劑凈化流程。特點是生產能力較低，噸氨能耗較高。

（2）以天然氣為原料的大型合成氨流程，采用蒸汽轉化、熱法凈化生產方法。特點是生產能力大，設備效率和能量利用率高，噸氨能耗小。

（3）以重油（或煤）為原料的大型合成氨流程，采用部分氧化、冷法凈化生產方法。特點是生產能力大，噸氨能耗較小。

選用什么方法合成氨，應根據原料、工藝要求和技術經濟比較，力求經濟合理和操作可靠。合成氨生產是耗能“大戶”，噸氨生產成本中能源費用占70%以上，因而能耗是衡量合成氨技術水平和經濟效益的重要標志之一。合成氨生產中所用原料和燃料有一次能源———煤、石油、天然氣等；二次能源———電、蒸汽、熱水等。噸氨能耗的降低體現合成氨技術的進步，如何合理、高效利用能源，作好節能降耗工作，對合成氨生產具有重要意義。

2、合成氨節能技術

2.1 轉化工序

（1）調整一、二段轉化爐負荷，使一段爐溫降低，燃料天然氣用量減少，降耗明顯。

（2）采用蓄熱式或熱管式換熱器加熱助燃空氣，使煙道氣排放溫度從250℃降至120℃，可回收熱量1.17GJ/t。

（3）采用低水碳比操作，使H2O/C（摩爾比）從3.5降至2.5，H2O/C每降低0.1可節能0.12GJ/t。

（4）設置天然氣蒸汽飽和器，用水冷激預熱后的天然氣自產水蒸汽，減少了外供蒸汽。

（5）采用新型轉化器———管式換熱轉化爐進行一段轉化，取消傳統的外部加熱式一段轉化爐，熱能消耗下降。

（6）提高轉化壓力至4.5MPa，每1t可以節能0.191GJ。

2.2 變換工序

（1）采用低溫高活性、適應低汽氣比反應的新型催化劑替代傳統催化劑，變換爐溫降低，從而降低蒸汽用量。

（2）采用水冷列管式變換爐，并通過飽和熱水器回收變換反應熱。

（3）中小型合成氨廠，可采用飽和熱水塔流程回收部分水蒸汽。

2.3 脫碳工序

（1）采用先進的物理吸收法，如我國開發的NHD法（類似于Allied公司的聚乙二醇二甲醚法），脫碳能耗降低。

（2）采用改良的化學吸收法，如低能耗本-菲爾法，再生能耗可降低60%。

（3）采用活化MDEA法，能耗比低能耗本-菲爾法還低，僅為（3.2-4.25）×104kJ/kmolCO2。

2.4 精煉工序

（1）采用深冷分離法，在低于-100℃條件下除去惰氣并調整氫氮比，使合成回路不需放空。此法與前述二段轉化爐加入過量空氣的節能措施相配套，亦可脫除過量的氮。

（2）采用分子篩變壓吸附代替甲烷化，脫除微量CO、CO2、CH4、Ar，簡化了凈化流程。甲烷排放氣可用作一段轉化爐燃料，提高熱利用率。

2.5 壓縮工序

（1）壓縮機與循環機分開，避免壓縮機內部從循環段向高壓段因氣體泄漏造成動力損失。

（2）提高蒸汽透平效率，在運行操作中維持蒸汽參數的最佳化。

（3）采用分子篩干燥入塔氫氮氣，以節約壓縮機動力。

（4）采用燃氣透平驅動空氣壓縮機，可使燃料天然氣能耗降低2.093GJ/t。

2.6 合成工序

（1）采用新型節能合成塔，如徑向、軸徑向、臥式或冷激式塔，氨凈值高，熱能利用充分，并且壓降小，可有效降低壓縮機的功耗。

（2）采用低溫低壓高活性Fe-Co系催化劑，操作壓力可降到8～10MPa，明顯減少了壓縮機功耗。

（3）采用中空纖維膜分離裝置，回收合成尾氣中的H2。

（4）二級氨冷出口氣氨送冰機回收冷量。

（5）利用氨合成反應熱副產高壓蒸汽（凱洛格、布朗、ICI工藝共同的特點）。

2.7 聯合節能

（1）合成氨與合成尿素裝置的聯合

合成尿素的原料氨全部來自氨合成系統，冷凍系統的負荷降低，動力消耗亦減少；同時將尿素與合成氨裝置的蒸汽系統聯合“捆綁”，實現節能降耗。

（2）合成氨與合成甲醇裝置的聯合

用天然氣制甲醇會出現過量的氫，將其輸入合成氨系統，在二段轉化爐中用過量空氣補充氮。另外，氨—甲醇聯合裝置可將合成氨系統多余的CO2供給合成甲醇系統進行組分調節，從而減少甲醇裝置的排放氣量。

3、節能型合成氨工藝技術的改造措施

眾多企業在快速發展的科學技術及社會經濟背景下，紛紛采用合成氨工藝，但是從現階段我國合成氨工藝及技術的耗能情況來看，想要將合成氨生產過程中利用能源的效率和生產質量提高，就必須改造合成氨工藝，將其生產成本降低，將生產過程中多余的熱量有效回收利用。

3.1 改進造氣工段技術

在改造造氣工程技術的時候，可以對以下幾種技術充分運用：第一，對油壓危機控制和監測技術有效利用，充分分配調節時間，對氣爐工作情況以及氣爐環境等全面檢測，以便優化調節能夠隨時進行，從而有效提高生產效率；第二，對回收煤氣余熱技術有效利用，在生產的過程中產生的煤氣余熱較多，對其回收利用之后將熱量資源的再利用有效實現，將利用資源的效率有效提高；第三，有效利用自動加焦機技術，生產時間能夠在使用自動加焦機的過程中有效減少，將能源損耗有效避免，并且生產的安全性能也會得到有效提高；第四，對入爐蒸汽品質改進技術有效利用，將過熱蒸汽品質提高，能夠確保穩定狀態是爐溫一直保持，能源損耗也會在蒸汽分解時有效減少，進而將合成氨的質量有效提升。

3.2 改進氨分離技術

現階段，在對氨進行分離的時候，采用的方法主要有冷凝分離法和水吸收法。其中氨分離器是所使用的主要裝置，利用該裝置能夠防止使用傳統分離器過程中發生的問題出現，將合成氨生產過程中的浪費和資源損耗降低，將氣體流向改變，從而有效分離高純度的氨氣。

4、結束語

節能減排工作在我國近幾年大力開展，在未來我國大型企業改造合成氨的工藝，發展節能型合成氨工藝將會為必然趨勢。在新的環境和政策作用下，將會有越來越多的企業對合成氨的工藝流程全面改造，將工業生產成本降低、能源節約的同時，還能夠大力保護環境。企業在改進節能型合成氨工藝與技術時，首先需要對工藝流程嚴格控制，然后改進氨分離技術、廢水循環使用技術以及造氣工段技術等，只有如此才能實現節能改造的目的。

參考文獻

[1]孟凡成.大型低壓氨合成技術應用總結[J].化工設計通訊，2016，42（7）：1.

[2]陳五平.無機化工工藝學（上冊）[M].第三版.北京：化學工業出版社，2005：5-11、233-246.