合成氨裝置酸性氣用于尿素裝置的研究

摘 " " "要： 隨著環保要求的提高，天然氣、焦爐氣等其他原料的合成氨裝置不斷增加，在合成氨生產過程中，產生了大量的酸性氣體（H2S）。該酸性氣具有污染大、浪費嚴重、環境影響大等特點，通過對H2S排放進行治理，并將其用于尿素裝置合成氨的生產中，可以實現降低企業生產成本、減少環境污染和資源浪費，同時提高了尿素生產的產品質量，產生了較好的經濟效益和社會效益。

關 "鍵 "詞：合成氨裝置；酸性氣；尿素裝置

中圖分類號：TQ441.41 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）04-0603-04

我國是煤炭資源大國，又是尿素生產大國，近年來尿素年產量一直維持在3 200萬t以上的水平。國內尿素生產主要以煤炭為原料，采用焦爐煤氣為氣化劑，經變換、熱解、合成、干燥等工藝過程而成。傳統的尿素生產方法為高溫高壓法（HPB），即將煤氣化后產生的合成氨裝置中的各種副產品（主要是二氧化碳等氣體）作為原料氣，通過變換、熱解、合成和干燥等工藝過程而成。該工藝在生產過程中需消耗大量的燃料（CO）、蒸汽和電能。

為減少CO2排放，一些尿素生產廠家將合成氨裝置的尾氣作為原料氣用于尿素生產，這樣雖然能夠降低CO2的排放量，但需要消耗大量的蒸汽和電能。合成氨裝置所排出的酸性氣（H2S）并不是真正的原料氣，其成分復雜，既含有CO2，又含有H2S等有害氣體，具有污染大、浪費嚴重、環境影響大等特點，如何有效利用合成氨裝置排出的酸性氣（H2S）對尿素生產來說具有非常重要的意義。

1 "尿素裝置生產過程中酸性氣的來源

及特點

尿素裝置生產過程中，由于原料氣（煤氣）在進入裝置之前經過了脫硫、脫氮，在進入裝置后又進行了脫硫、脫氮處理，所以，裝置內所排放出的硫化氫氣體中含有多種氣體組分，主要成分有：二氧化碳、氮氣、硫化氫、氨等[1-3]。其中，硫化氫是在反應過程中生成的，是生產過程中最主要的含硫污染物。據測算，尿素裝置每年生產時產生的H2S量約為15～20萬t。

由于尿素裝置排放出的H2S具有濃度高、排放量大的特點，因此，對于尿素裝置排放出的H2S，一般采用兩種方法進行處理：一是對其進行干法凈化（以NH3、CO2、N2和水蒸氣為原料，在催化劑作用下進行催化裂化）；二是對其進行濕法凈化（以NH3和水蒸氣為原料，在催化劑作用下進行催化 "裂化）。

2 "酸性氣治理措施及資源化利用現狀

在合成氨裝置酸性氣（H2S）的資源化利用方面，我國目前主要有3種方式：一是通過余熱回收將其直接用于發電；二是對酸性氣（H2S）進行氧化處理后返回合成氣系統進行合成，作為原料氣使用；三是將酸性氣（H2S）進行資源化利用，將其作為合成氨的原料氣使用[4-5]。

2.1 "余熱回收發電

一些企業利用酸性氣（H2S）在合成用氣單段加熱爐內燃燒產生的高溫煙氣，通過余熱鍋爐將其冷卻至280 ℃左右，從而達到回收利用酸性氣（H2S）熱量的目的。其優點在于：一是投資較少，余熱鍋爐造價較低，與合成氨裝置用氣單段加熱爐配套后，可在單段加熱爐附近建設一臺300 kW的余熱鍋爐，從而為企業提供更多的發電熱量；二是工藝流程簡單，回收余熱利用效率較高，可達70%～80%左右；三是裝置運行穩定，無需經常維護[6-7]。另外還有一些企業將合成氨裝置產生的酸性氣（H2S）通過閃蒸或氨水閃蒸等方式進行發電。

2.2 "氧化法脫硫

氧化法脫硫技術主要是指將酸性氣（H2S）在氧化劑（如H2O2或H2O2、Na2CO3的混合液）作用下進行氧化，并返回合成系統作為原料氣使用的方法，氧化過程主要包括：氧化過程、吸收過程和再生過程4個步驟[8]。在氧化法脫硫技術中，將H2S進行氧化處理后返回合成系統使用主要有兩種方式：一種是將H2S先在氧化劑的作用下氧化為二氧化硫，然后再進入合成系統；另一種是將H2S直接氧化成亞硫酸氫鈉，然后進入合成系統，如圖1所示。

2.3 "利用合成氣壓縮機出口尾氣制尿素

目前，國內一些合成氨企業為了降低二氧化碳的排放量，采取了利用合成氣壓縮機出口尾氣制尿素的處理措施，主要包括3種方式：一是采用由合成氨裝置引出的合成氣壓縮機出口尾氣進行分解氧化后直接返回合成氨裝置使用；二是先對合成氣壓縮機出口尾氣中的水蒸氣進行冷凝降溫，然后再與其他尾氣一同送至尿素裝置作為原料氣使用；三是先將合成氨裝置原料氣中的甲烷進行部分氧化，然后再由尿素裝置副產的水蒸氣與其他尾氣一同送至合成氨裝置使用[9-10]，如圖2所示。

圖2 "尿素工藝流程簡圖

2.4 "將合成氨裝置酸性氣（H2S）用于合成氨生產

將合成氨裝置酸性氣（H2S）進行資源化利用的方式是國內目前比較常見的處理方式，即將合成氨裝置酸性氣（H2S）通過蒸汽噴射式脫硫塔或者高壓富氧泵將酸性氣體進行脫除后進入尿素裝置作為合成氨的原料氣使用。

將合成氨裝置酸性氣（H2S）進行資源化利用后，需要先通過脫除酸性氣中硫元素以及降低酸性氣中二氧化碳含量等方式來提高酸性氣（H2S）的純度。此外還需要對合成氨裝置酸性氣（H2S）中硫化氫含量進行嚴格控制，當硫化氫質量分數達到0.5%時應進行嚴格控制，以防其造成重大安全事故。

通過以上方式對合成氨裝置酸性氣脫除處理后返回到尿素裝置中作為原料氣使用是比較合適的處理方式，但這一處理方式也存在一定的弊端，如氨水消耗大、運行成本較高等。因此對于合成氨裝置酸性氣脫除后返回尿素裝置作為原料氣使用具有較大的應用前景。

3 "效益分析

3.1 "降低企業生產成本

由于合成氨生產過程中產生的酸性氣（H2S）濃度較高，造成了氨水、甲醇等消耗大，尿素的生產成本增加，同時隨著環保要求的提高，對酸性氣（H2S）的治理也提上日程。酸性氣（H2S）排放對企業來說是一個不小的污染問題，通過治理后再用于尿素生產，則可大幅降低企業生產成本。以當前市場價格來計算，尿素產品按價格每噸5 000元來算，則每年可降低企業生產成本10萬元左右。

3.2 "減少環境污染

酸性氣體（H2S）除了造成嚴重的大氣污染外，還會對人體產生極大的危害。在環保要求日益嚴格的今天，將酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素生產，可以極大程度地減少酸性氣體（H2S）對人體和環境的危害。

3.3 "提高尿素產品質量

尿素生產中主要采用氨水吸收法、稀硫酸吸收法等工藝過程。由于在生產過程中會產生大量的含硫化合物和硫醇、硫醚等物質。若將酸性氣體（H2S）用于尿素生產中，則可將這些含硫化合物和硫醇、硫醚等物質脫除后再用于尿素生產[11-12]。由于該過程不需要消耗大量的能量和消耗大量的水，且尿素生產過程中還可將酸性氣體（H2S）用作脫硫劑及氨溶液噴入系統以代替部分循環水，因此將酸性氣體（H2S）用于尿素裝置合成氨生產中具有顯著的經濟效益。

3.4 "經濟效益

酸性氣體（H2S）經處理后用于尿素生產，按尿素產品平均價格每噸5 000元計算，則每年可增加企業銷售收入約660萬元，每年可節約企業成本約1 360萬元。酸性氣體（H2S）治理后還可以回收一部分蒸汽，按每噸蒸汽100 元計算，則每年可節省蒸汽費用約240萬元。按市場價格每噸5 000元計算，則每年可節約尿素產品生產成本約460萬元。同時由于酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素生產，因此可以避免大量新鮮水的消耗，即降低了尿素生產的水消耗費用。根據目前國內尿素裝置每噸尿素耗水量120 t計算，每年可以節約新水約165.8萬t，則可節約新水費用約440萬元。因此，對于合成氨廠來說將酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素生產是非常經濟的一項節能降耗措施。

3.5 "環境效益

將酸性氣體（H2S）治理后，再用于尿素裝置生產中，不需要消耗大量的能量，不需要大量的水進行循環，減少了大量的循環水和污水產生量，可大大減少環境污染。

一方面可以減少合成氨廠產生的酸性氣體（H2S）對環境帶來的污染，另一方面可提高尿素產品質量。另外經治理后再用于尿素裝置生產中，還可以有效地改善和提高企業產品在市場上的競爭力。因此，將酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素生產中，不但可以提升企業社會形象、提高產品競爭力，而且還能增加企業在市場上的信譽度及提升企業利潤。綜上所述，通過將酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素裝置生產中可以有效地降低企業生產成本、減少環境污染、提高企業產品質量和效益。

4 "存在的不足及今后的改進方向

經過不斷的探索和改造，尿素裝置酸性氣回收利用項目已達到預期效果，但由于酸性氣外排處理和利用存在一定的問題，需要進一步改進：

1）氨合成系統采用氨水作為吸收劑，通過對氨合成塔及氨水洗滌塔進行改造，使氨水溶液的堿度達到設計要求。

2）采用了新型的換熱器，可以將酸性氣中的水分離出來，不再需要用冷卻水去冷卻。由于采用了新型換熱器，相應的換熱效率提高，對降低氨合成塔出口溫度有利。

3）對吸收塔填料進行了更換，因為吸收塔填料內徑變小、內壓增大，不利于氣體的流動，使氣體在填料內部停留時間縮短。

4）通過對氨水噴淋系統的改造，使噴淋層下壓力更高、溫度更高，更有利于氨水吸收。

5）對氨氣洗滌塔進行了改造。改造后氨水洗滌塔入口壓力提高到2.6 MPa以上，同時在塔頂設置了兩臺噴淋泵，將液位控制調整到較低水平，保證進入氨水噴淋系統的氨水液位能達到飽和狀態。噴淋頭與氨氣液面高度差由原來的4 m降低到2.5 m左右。

5 "結 論

經過對合成氨生產中產生的酸性氣（H2S）進行處理，實現了將其用于尿素生產工藝中，不但避免了H2S排放對環境的污染，提高了企業生產的經濟效益，而且將其用于尿素生產后，也提高了尿素產品質量，減少了環境污染和資源浪費。根據相關資料統計，以焦爐氣為原料合成氨裝置中每年產生的H2S約為2 500 t，將其用于尿素生產后，每年可節約蒸汽消耗約3 000 t、煤氣消耗約5×105 m3、減少年廢水排放量約6 000 m3。同時，通過對合成氨裝置產生的H2S進行回收利用后，每年可產生可觀的經濟效益。

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Study on Application of Acid Gas to Urea Plant in Ammonia Unit

WANG Lian-hai

（Liaoning Northern Coal Chemical industry（Group）Co.， Ltd.， Benxi Liaoning 117021， China）

Abstract： "With the improvement of environmental protection requirements， there are more and more synthetic ammonia plants using natural gas， coke oven gas and other raw materials. In the process of synthetic ammonia production， a large amount of acid gas （H2S） is produced. The acid gas has the characteristics of big pollution， serious waste and great environmental impact. By controlling H2S emission and using it in the production of synthetic ammonia in urea plant， the production cost of enterprises can be reduced， environmental pollution and resource waste can be reduced， and the product quality of urea production can be improved， resulting in better economic and social benefits.

Key words： Ammonia synthesis plant; Acid gas; Urea plant