淺談合成氨原料氣氫氮比調節工藝的優化

楊俊武

摘要：在造氣爐傳統工藝設計基礎上，采用“小加氮”的工藝操作方式，取代“大加氮”操作方式，在對原料氣氫氮比調節工藝優化同時優化穩定造氣爐爐溫，達到穩定造氣爐運行、提高單爐發氣量的目的。

關鍵詞：淺談;合成氨;原料氣氫氮比;優化

1 前 言

液氨的主要用途是氮肥、制冷劑、化工原料，工業液氨是將純凈的氮氫氣按一定比例混合，在高溫高壓有催化劑的作用下合成為液氨，所以又叫合成氨。

氨合成化學反應：

從液氨生產的工藝過程及生產實踐可知，要使氨合成化學反應順利進行，必須維持相對穩定的氫氮氣比例。而氫氮氣比例的調節是在造氣工序制備原料氣過程中通過調節氮氣的加入量來完成，生產液氨的氮來自于空氣，氫來自于蒸汽。

造氣工序制備生產液氨用的原料氣（半水煤氣），其過程簡單講就是向造氣爐內，交替地通入氣化劑（空氣和過熱蒸汽），與爐內灼熱的焦炭（煤）進行氣化反應生產合格半水煤氣的全過程。

公司造氣工序以傳統間歇式常壓固定床制取合格半水煤氣。Φ2610造氣爐是制氣工序的主要設備，利用造氣PLC（可編程邏輯控制器，英文Programmable Logic Controller）控制機及液壓油閥站（液壓油壓閥站內設一組電磁換向閥，通過換向閥對油路進行切換使油壓閥油缸供油及回油來實現油壓閥的開啟及關閉）使液壓閥交替開啟、關閉完成制氣循環的控制。每一個吹風及制氣過程稱一個制氣循環，每個制氣循環分為連續的五個階段：吹風階段（25秒）、上吹制氣階段（34秒）、下吹制氣階段（50秒）、二次上吹階段（6秒）、吹凈階段（5秒），吹凈階段結束轉入下一個制氣循環，周而復始，每個制氣循環時間為120秒。

在對氮氣加入量進行調節時，主要通過兩個途徑時間：第一，灌氮。吹風階段，產生以氮氣為主的吹風氣，直接進入半水煤氣系統，對水煤氣中的氫氣與氮氣比例進行調節;第二，上加氮或稱上吹加氮。在上吹制氣階段，將蒸汽通入造氣爐內，在制備半水煤氣的同時，將部分空氣加入補充氮氣。通過上述兩種“加氮”途徑，對氫氣與氮氣的比例進行調節，實現半水煤氣成分的改變，滿足后續生產工藝。

“上加氮”的優勢在于不僅對氮氣與氫氣的比例能夠調節，還能對上吹制氣過程中爐溫下降過快的情況進行改善。

完成造氣吹風階段后，進入上吹制氣階段，此時吹風閥不關閉（吹風閥延時關閉），用于調節造氣半水煤氣中氫氮氣比例，上吹制氣結束前，吹風閥提前關閉，這種方式稱為 “大加氮”。

工藝上，利用專用風閥，在上吹制氣過程中，可在造氣爐內同時通入空氣，用于調節造氣半水煤氣中氫氮氣比例，風閥在上吹制氣結束前，提前關閉，此種“上吹加氮”的方式，習慣上稱“小加氮”。

“上吹加氮”可簡單地分為“大加氮”和“小加氮”，“上吹加氮”的采用有利于原料氣的制備。

本文重點淺析合成氨裝置造氣爐“小加氮”工藝的實現。

2 ?造氣工序“上吹加氮”的現狀

公司合成氨裝置投產后，都沒有“上吹加氮”，半水煤氣氫氮氣比例的調節一般靠“灌氮”完成，隨著操作技能不斷提高，經多方努力、技術攻關后，將“大加氮”程序加入到PLC造氣控制機上，對穩定造氣爐工藝，使單爐發氣量提升均有促進作用，同時可大幅減少原料消耗;但同時“大加氮”操作方式的應也存在不足之處，其一，為控制能耗，設計上一般一臺風機供應4臺造氣爐空氣，當某臺造氣爐處于吹風階段時，其余造氣爐處于制氣循環的其它階段，造氣風機通過吹風閥向該臺造氣爐送風，由吹風階段轉入上吹制氣階段時吹風閥延時關閉進行“上吹加氮”，此時其余一臺造氣爐轉入吹風階段（或用氣階段），這種情況下，造氣風機同時供給兩臺造氣爐用氣，發生“爭風、搶氣”，直接影響剛剛轉入吹風階段的造氣爐風壓、風量，造氣爐整體負荷很難再提高，進而影響裝置負荷的提高;其二，DN600吹風閥通風量太大，“大加氮”過程中，雖對上吹制氣階段的爐溫穩定起到一定作用，但爐況仍波動較大。

3 “小加氮”的實現

3.1 工藝生產過程（見圖1）

為便于闡明，對造氣工藝制氣循環各階段進行簡述：

3.1.1 吹風階段

吹風階段的目的是使燃料所放出的熱量積蓄在炭層中提高氣化層的溫度，為其它階段提供有利的反應條件，同時副產吹風氣。出爐氣稱為“吹風氣”;溫度在300℃～400℃左右，吹風氣經旋風除塵器除塵后進入吹風氣總管，再經蒸汽過熱器，最后經水簾除塵器從煙囪排入大氣。（“灌氮”時吹風氣并不放空而是直接進入半水煤氣系統）

3.1.2 上吹制氣階段

吹風階段結束后開始上吹制氣，上吹時氣化劑為蒸汽。約0.14MPa左右的低壓蒸汽，由造氣爐底部送入，自下而上經過爐內炭層分解（吸熱過程）而產生半水煤氣，爐溫隨著過程的進行而下降。本階段所產生的半水煤氣（稱“上行煤氣”），經降溫、除塵后送往氣柜貯存。

3.1.3下吹制氣階段

上吹制氣階段結束后轉入下吹制氣階段，此階段氣化劑蒸汽由煤氣發生爐上部進入爐內，經過炭層分解得到半水煤氣，由爐底引出時溫度在250℃左右，經降溫、除塵后送往氣柜貯存。

3.1.4 二次上吹階段

與上吹制氣階段同，二次上吹階段在上、下吹制氣階段后進行，目的在于置換爐下部及管道中殘留的半水煤氣。

3.1.5 吹凈階段

流程同上吹制氣，但不用蒸汽而改用空氣，以回收系統中的半水煤氣，吹凈后改為吹風階段，從而完成一個制氣循環。

3.2 合成氨原料氣氫氮比調節工藝優化方案

3.2.1 采用“大加氮”操作時，吹風閥由于通徑比較大，爐底壓力對吹風閥的影響非常小，空氣也容易經過吹風閥進入造氣爐。采用“小加氮”工藝，可避免發生造氣爐間“爭風、搶氣”， 為達到這一目的，加入空氣量小且均勻，此時需要選取的上吹加氮風閥的通徑相對較小，加之從安全因素考慮，需要將其搭接在上吹蒸汽管的蒸汽閥后。為能在順利安全地完成“小加氮”過程的同時降低送風阻力，通過查閱相關技術資料并作了計算后，改造設計上，借助蒸汽噴射泵原理，蒸汽管在彎頭后采用喇叭型噴嘴，在生產時管道噴嘴局部區域產生一定的負壓，實現將上吹加氮風閥送來的空氣“吸入”造氣爐的過程，完成上吹加氮工藝過程。（如圖3所示）

3.2.2從空氣總管引入一條Φ273空氣支管，配DN250手動閥、DN250油壓閘閥各一只（即在圖1 中油壓閥1前、油壓閥2后，見圖2），專門用于上吹制氣階段時補充空氣，使爐溫波動較小。同時取消PLC造氣控制機上“大加氮”程序，增加“小加氮”程序。

3.2.3 “小加氮”工藝的運行程序

運行程序：吹風階段結束，上吹階段持續一段時間后，打開上吹加氮風閥，部分空氣加入，在調節原料氣氫氮比的同時爐溫能有效控制，爐溫波動處于較平穩的狀態，并且因風閥通徑較小，通入的空氣量也比較少，不會影響其它造氣爐。上吹制氣結束前，依據PLC控制機控制，關閉上吹加氮風閥，上吹制氣階段35～44秒，“小加氮”控制時間為20～25秒。

3.2.4 實現必備條件

造氣系統每臺造氣爐液壓油閥站預留有閥位，具備安裝用于控制上吹加氮專用閥的電磁換向閥，PLC控制機操作面板必須有空閑按鍵，生產過程中通過操作按鍵來完成“上吹加氮”過程。

4“小加氮”與“大加氮”運行比較

2003年1月對2#造氣系統實施了“小加氮”工藝改造，受操作及管理等各方面的原因，一直未能正常投用。2004年以后，在公司工程技術人員的共同努力下，“小加氮”工藝操作順利、正常投用。

從上表可看出，2#造氣系統采用“小加氮”操作方式，造氣爐工況較好時，可在上吹制氣過程中，添加25秒的空氣，而采用“大加氮”操作方式，空氣添加的時間控制在5秒以內。多年的實踐證明，上吹制氣階段，采用“小加氮”工藝操作方式，均勻、穩定、適量、長時間通入空氣有利于爐溫的控制，進而使造氣爐爐況穩定。經初步估算及對比分析，采用“小加氮”操作比“大加氮”操作，單爐發氣量提高（50 Nm3～100Nm3）/臺.小時，因單爐發氣量提高而下降的噸氨原料煤消耗約20kg～40kg，能有效實現原材料消耗降低的目的。

5 結語

通過工藝技術改造，使2#造氣系統“小加氮”工藝操作方式得以實現， “小加氮”工藝優化，有利于工藝過程的穩定。

2004年完成改造，直到2021年底合成氨裝置停運，此工藝一直服務于生產，一個小小的工藝改進為合成氨的生產作出巨大貢獻。目前來講，間歇式固定床制取合成氨原料氣這類工藝在逐步退出歷史舞臺，但從“小加氮”工藝的實現這一過程來看，只要善于消化吸收前人生產實踐經驗，通過努力學習，不斷創新，無論任何工藝技術都能得到改進和提高。

參考文獻：

[1] 化工工藝設計手冊（上、下冊） 1985 ?化學工業出版社

[2] 合成氨工藝與節能 張成芳 ?1988 ?華東化工學無機化工研究室