煤化工合成氨工藝分析及節能優化措施

解洪偉 (泰安漢威集團有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

煤是一種不可再生能源，隨著合成氨應用需求量的不斷增大，用煤來直接合成氨的工藝改進顯得尤為迫切，在節能改造方面下功夫，減少對煤能源的消耗，提高合成氨的效率和質量，是積極響應節能與環保等生產政策方針的號召，順應煤化工合成氨領域的穩中求進發展需要。

1 煤化工合成氨的生產工藝分析

在化工科技發展的帶動下，煤化工合成氨的工藝逾發成熟，能夠滿足市場對氨與化工產品等方面的需求。改造煤化工合成氨的生產工藝，更利于拓展合成氨工業的經濟效益空間和穩健發展。利用煤直接合成氨的生產工藝在合成氨的工藝中仍占據主導地位，該工藝主要是在一定的壓強條件下，將氫氣與氮氣進行催化合成反應制得合成氨。而在此階段氫的制備難度較大，也是比較關鍵的環節，為滿足工業發展需求，利用天然氣或焦煤等高效制取氫氣的工藝，逐步取代了傳統產量較低的水電解法，成為目前合成氨生產中常見的工藝手段之一。

1.1 焦煤制取氫氣的工藝

制取氫氣的過程，涉及到原料制取、凈化、精煉、氨合成、提純等生產步驟，水煤漿氣化與脫硫變換、液氮洗等是典型的煤化工氨合成生產工藝。

一是制取原料氣：煤化工成為原料結構調整主導，主要受我國富煤與少氣、缺油的能源結構影響，促使我國煤氣化的裝置與技術門類相對豐富。煤氣化是指煤在高溫條件下，與氧和催化劑發生反應，轉化為氫氣與一氧化碳等氣體的方法。氣態烴類通常以二段蒸汽轉化法為主。在重油部分的氧化法，主要以重油為原料，在氧氣條件下進行不完全燃燒，使烴類在高溫下裂解燃燒產生的水蒸氣與二氧化碳在高溫下與甲烷進行轉化反應。煤氣化技術類型多樣化，其中，多噴嘴水煤漿爐屬于水煤漿氣化法，相對于單噴嘴氣化爐，有碳轉化率高、煤耗低、壓縮功耗少、氧耗低等優勢特點，由于該技術的渣中含碳量低，渣和濾餅的黏度低，渣水分離的操作更加便利，環保壓力隨之降低。

二是原料氣凈化。通過各種方法制得的粗原料氣，含有氫、氮、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳等。氫氣與氮氣是合成氨的重要條件，所以需通過變換與脫硫脫碳等手段，達到高效除去雜質的目的。將一氧化碳變換為氫氣與二氧化碳，達到凈化原料氣與制取有效組分的目的。由于原料氣中含飽和水蒸氣，利用水煤漿氣化裝置，可簡化變換流程的操作，利用變換分離凝液回氣化的溫度與壓力去合理調控水汽。鈷鉬系的變換催化劑在硫化后會形成有活性的二硫化鉬與羰基硫，所以催化劑需升溫硫化。在化工科技發展的帶動下，新型預硫化催化劑應運而生，解決了現場排放含硫有毒介質的問題。二氧化碳在合成氨的生產過程中，是制造碳酸氫銨或尿素等必不可少的原料，脫碳工序主要涉及到對二氧化碳的脫除及回收利用。脫硫是以天然氣為原料的蒸汽轉化法的關鍵，合成氨裝置以天然氣部分氧化法，產生乙炔尾氣作為原料，可實現低能耗加壓催化轉化法制備合成氨，該方式減少了煤原料的應用與污染物產生，降低了成本與環境污染的情況，節能減排價值較高。而以煤與重油為原料的部分氧化法，需圍繞一氧化碳變換對耐硫催化劑的是否利用而決定脫硫的位置。根據吸收劑性能將脫硫方法分為物理吸收與化學吸收兩類，前者包括碳酸丙烯酯法或聚乙二醇二甲醚法等，后者包括低熱耗本菲爾法或熱鉀堿法等。在實踐中，相對于碳酸丙烯酯與PSA(變壓吸附技術)方法，低溫甲醇洗的應用價值更高，可同時去除二氧化碳與硫化氫，憑借溶液循環量小和吸收能力大、分離效率高等優勢特點，得到了廣泛的運用，可輕松滿足氨合成的要求[1]。

三是原料氣精煉。原料氣在脫除硫與二氧化碳后，仍含有不同程度的甲烷、氧等，也包括殘余的二氧化碳與一氧化碳，還需利用深冷液氮洗法、甲烷化法與銅氨液吸收法等方式實現深度的凈化。

四是氨合成。合成塔內的氫氮混合氣在催化劑作用與高溫、高壓的條件下反應為氨。反應后混合氣體中的氨含量相對較低，需經冷卻與分離出液氨；反應不完全的銨根氣體與新鮮氣，在升壓后返回合成塔進行繼續反應與系統循環。作為整個合成氨工藝的核心，氨合成工段的生產效率等情況，直接影響整個工藝的經濟性。

五是氨的分離。反應平衡會限制氨合成反應，讓部分的銨根氣合成氨，為得到高純產品氨，充分利用合成塔出口混合氣中未反應的氮氣與氫氣。在合成氨工序受到熱力學平衡的影響，合成氨的一次轉化率相對較低，為提升整體反應的效率，需對液氨進行分離提純，將未反應的原料氣進行再次反應。而氨的分離系統在其中發揮著重要的作用，冷凝分離法與水吸收法是工業常用的分離方法。其中冷凝分離法的應用相對普遍，即冷凝降溫處理合成氨工序產物，氨液化得到液氨，再利用分離器進行分離提純。

1.2 重油制取氫氣的工藝

通過氧化反應將重油較大的分子量轉變為小分子。分離空氣中的氮氣與氧氣，需基于非催化部分氧化法與高溫條件，將重油氧化生成一氧化碳與氫氣、硫化氫等氣體。去除反應中的炭黑，通過等溫變換將一氧化碳轉變為二氧化碳與氫氣。利用低溫甲醇洗技術去除混合氣中的硫化氫與二氧化碳等雜質。利用液氮法去除殘留的一氧化氮與甲烷，最后精制合成氨。

1.3 天然氣制取氫氣的工藝

通過預處理措施，將天然氣成分中的含硫化合物去除。利用鈷鉬加氫催化劑實現有機硫與無機硫的轉變，再利用氧化鋅降低含硫化合物的含量。甲烷在兩段轉化操作下得到一氧化碳、氫氣與氮氣的混合氣體，再利用等溫變化處理去除一氧化碳，從而得到氫氣與二氧化碳。利用低溫甲醇洗技術去除二氧化碳。處理后混合氣中的一氧化碳與二氧化碳的含量相對較低，再通過催化劑與甲烷化反應，實現含碳化合物與甲烷的轉變，進一步降低混合氣中的一氧化碳與二氧化碳的含量，使其處于低于10 mg/L(的含量水平，最后獲得純凈的氮氣與氫氣，滿足氮氣催化制備合成氨的條件需要。

2 煤化工合成氨工藝節能優化措施

2.1 更新換熱元件

做好換熱器的更新換代工作，利用異型管換熱器、波紋管換熱器、板式換熱器等，提高設備與管線間傳熱的效率。如：升級改造換熱器內部的換熱元件，可強化蒸發式冷凝器的冷卻與換熱能力，達到降低能耗的目的。

2.2 廢水回收利用

為降低生產成本，通常采取碎煤進行合成氨工藝，但碎煤形成煤氣水內的煤粉塵與焦油處理不到位，極易堵塞合成氨管線，從而降低熱傳導的速率，加劇熱量的損失。引入采取廢水循環工藝，提高生產效率，確保生產裝置得以穩定運作。加強對廢水的回收再利用，可實現能源的高效利用，前提是需對煤粉與煤焦油進行多次的沉降處理，利用氣浮裝置去減少懸浮物的含量，從而達到理想的運行效果。

2.3 引入變頻控制方式

利用變頻控制設備去有效控制流動設備，以往固定供電頻率的設備控制方式，啟動設備不變頻會加劇電力耗損。而變頻控制方式的增速或減速更加平穩，節電效率更高。利用合成排放氣的氫回收裝置，減少原料氫的耗損。對甲烷化的設備增加選擇性氧化、分子篩的干燥工藝，促使合成氣的利用效率得以顯著提升。可引入油壓微機控制技術，及時調節分配時間，監督生產全程情況，優化配置合成氨工藝，切實提升生產的質量及效率[2]。

2.4 解決爐內掛灰問題

吹風氣回收系統的長期運作，極易出現爐內正壓或爐內掛灰等現象，運行的效率隨之降低，還需從以下幾方面入手去改造吹風氣回收系統：一是采取折流式的措施去改造燃燒室內原格子磚蓄熱層，減少發生爐灰阻塞的現象及其運作阻力，強化裝置的儲熱度。二是利用蒸汽吹掃系統去吹掃換熱管表面的掛灰沉積，解決掛灰問題，強化換熱成效。三是臥式低空換熱器取代以往的立式，解決掛灰與積灰等問題，提高系統的換熱效率。四是引入新型的引風機，強化吹風氣回收系統運作中的引風量級。在其基礎上，利用吹風預熱回收利用，進一步減少資源損失，達到預期的節能減排效果。

2.5 優化余熱回收環節

引入煤氣余熱回收技術，及時回收利用反應中產生的熱資源，提高能源的重復利用率。在氨水制取后的余熱回收環節，普遍存在運作能耗大與回收效益差等問題，還需升級改造膜分離提氫系統。將無動力氨回收系統嵌入至膜分離提氫系統內，利用換熱器降溫處理液氨貯槽的馳放氣，通過分離冷凝操作實現氣氨與液氨的轉化。再利用換熱器將氣氨引向冷凝環節，將反應形成的尾氣轉向燃燒爐。

2.6 發揮變壓吸附氫回收裝置的作用

變壓吸附閃蒸氣回收系統的長時間運作，易出現碳丙脫碳與變壓吸附脫碳排入空氣的現象，會加劇原料與能源的損失。從提高原料可回收利用性的角度入手去進行升級改造。利用變壓吸附氫回收裝置去引導碳丙脫碳閃蒸汽與變壓吸附裝置，使其能夠回到壓縮機入口，解決氣體浪費問題，提升資源的回收利用率與原料煤的使用率。

2.7 提高合成系統的安全穩定性

作為煤化工合成氨的關鍵環節，合成系統的危險程度較高。合成氨的生產工藝，需要氮氣與氫氣在鐵催化劑和高溫等條件下進行，決定了合成系統易燃易爆的特點，加上液氮屬于劇毒物質，儲運過程中的安全風險隨之增大。因此，需不斷優化安全管理體系，提高合成系統與液氮儲運的安全可靠性。合成系統部分的安全管理側重在防火與生產條件控制、人員隔離等方面，時刻做好氣體檢測和防靜電等安全管理工作，確保員工的人身安全。隔離使用合成系統，系統周圍禁止出現明火，及時發現合成系統的泄漏危險因素，防止引發爆炸火災與人員中毒等安全事件。

2.8 提高反應速率

不同原料制備合成氨的過程及各生產工藝的基本原理相對近似，都需預處理原料，再對目標混合氣進行脫硫、脫碳、精制等處理，將獲取到的高純度氮氣與氫氣導入合成塔，在催化反應下形成合成氨。制氣過程是整個生產工藝流程中能耗成本最高的環節，除此之外，催化反應合成氨過程中反應速率等問題產生的能耗不能忽視，還需積極引入節能減排措施。如應用新型高效的催化劑，提高合成氨與混合氣的制備反應速率，降低整個生產工藝的時間成本；如：在低壓條件下應用高活性催化劑去制備合成氨；應用新原料合成氨技術，由于天然氣與煤等屬于不可再生資源，為減少此類資源的消耗，需在合成氨新原料的研究與開發方面下功夫。不斷擴大合成氨的生產規模，適當的延長生產周期。發揮各大工藝的優勢協同效應，并分別處理合成氨中常見的氫氣與甲烷、一氧化碳等氣體，將其作為其他有機產品生產的原料，切實增加物質的轉化率，達到提高效益與節能減排等優化目的。如：在一氧化碳的變換反應環節，變換反應雖然可輕松脫除一氧化碳，實現原料氣的再生產[3]。但在此環節需消耗大量的蒸汽，也是合成氨工藝中的主要耗能之一，可將其作為節能降耗的關注點。

3 結語

綜上，煤化工合成氨的工藝流程復雜繁瑣，涉及到原料氣的制備與凈化等工序。立足合成氨工藝中的較大耗能環節，引入升級改造換熱器設備、安裝變壓吸附氫回收裝置、加大對合成系統的安全管理力度等多措并舉的方式，發揮各煤化工合成氨工藝節能優化措施的聯動效應，不斷提高生產效益與質量。