新時期合成氨節能降耗新思路

【摘 要】合成氨工業是氮肥工業的基礎，對于農業的增產占有十分重要的作用，因此對我國農業大發展起到了很大的推動作用。合成氨制造生產的主要原料是煤，利用煤加工工藝分離液氨和其他副產品。從工藝設計上看，合成氨的生產原料為不可再生能源，要想持續生產，必須創建節能新工藝、探索降耗的新思路，以推動合成氨產業的持續節能發展。在現實經濟中，能源產業的節能要求非常高，但往往落實效果不盡如人意。基于此，本文將結合合成氨的生產工藝內容，深度解析其節能降耗創新技術改革的重點和要點。

【關鍵詞】新時期；合成氨；節能降耗；新思路

前言：目前，合成氨在能源市場中的應用范圍非常廣泛，不僅是緊俏的再加工能源，還是性能優越的試驗添加劑。在能源格局變化的新時期，合成氨以其優越的性能開始占據主要地位，市場需求量和供應路徑正在不斷提高、擴大。所以，節能降耗的工藝改革問題迫在眉睫，急需優化工藝設計結構，創新技術應用。

一、合成氨相關理論概述

（一）合成氨

合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑共存下直接反應合成的氨，別名氨氣，分子式為NH3，反應方程式：N2+3H2≒2NH3。其主要生產原料主要有天然氣、石腦油、重質油、煤等。在工業生產中，合成氨的回收率要比其他能源加工產業高的多，為此，能源生產、加工企業紛紛轉移了能源技術改革重心，開始主動、積極的探索合成氨的工業特點和生產要義，想從中找出能源回收再利用的新型工藝，從而使合成氨工業進入了一個新的發展階段。

（二）合成氨的制備方式

1、天然氣：首先，天然氣應先進行脫硫處理，產生H2、CO和CO2，以及未能轉化的CH4和水蒸汽，之后對轉化爐反應管內氣體再進行二次轉化，注入空氣、氮氣；其次，在不同溫度下，通過改變溫度使轉化爐內的轉化氣——CO發生高溫、低溫變換反應，降低CO含量至0.3%左右，再脫碳工序除去CO2；最后，將殘余的CO和CO2通過甲烷化反應生成CH4排除，并壓縮剩余氣體，使氨進入設定的合成回路，生成合成氨。

圖1 天然氣催化部分制氨流程

2、重質油：因為重質油雜質成分多，所以一般會將該原料氧化，利用氧化反應，清除原料中的重金屬元素，形成沉淀物，過濾排出。之后，將剩余氣液共融體轉入合成裝置，將氣體和液體分別裝入壓縮設備中，進行氮化反應。因為重質油的氮元素含量極高，所以在反應時，不但會產生合成氨氣、還會產生液體氮。

圖2重質油、煤制氨流程

3、煤：石油化工產業中的煤炭資源用量極大，所以受能源結構限制，雖然煤可以制備合成氨，但是在現實工藝中，煤使用量是嚴格限制的。為此，合成氨生產要想使用煤原料，必須要經過相關部門嚴格審批。

制備要求如下：原料煤的固定碳>80%，灰分(Ag)<25%，硫分(SgQ)<=2%，水分(WQ)＜10%，灰熔點(T2)＞1 200℃，粒度＜10mm，機械強度＞65%，熱穩定性S+13＞60%。

二、合成氨生產工藝問題

目前，合成氨生產廠已紛紛推行轉型生產工藝，從傳統工藝流程入手，對合成氨生產工藝進行技術升級和性能優化。合成氨塔是工藝生產的核心設備，也是分離液氨反應、氮氣蒸餾反應的發生的主要場所，經過多年發展和完善，以合成氨塔為中心的操作流程已相對完整，基本能夠滿足合成氨生產需求。但是，從結構上來看，仍存在諸多設計問題。

（一）結構設計：合成氨塔的尺寸有限，很難實現大規模合成氨加工，由于在合成氨制備中，回收回來的煤原料并沒有反應完全，也就是說，現有合成氨塔并沒有高效利用煤原料，反應、制備和生產。

（二）熱量轉換能力差：中置鍋爐中，原料反應形成的高溫熱量并沒有有效回收，裝置中多余的熱能白白浪費，不僅會增加合成氨制備生產的能量投入和原料投入，還會進一步干擾后續反應程序。因為合成氨反應需進行嚴格的溫度控制，所以多余熱量，會使中置鍋爐中的溫度變得不穩定，從而影響制備工藝的加工效果。

（三）節能技術使用效果不好：節能技術是以智能加工生產系統為應用基礎，傳統煤制合成氨工藝鏈并沒有技術應用條件。所以，即便改變了合成氨塔的部分工藝結構，其根本的應用性能和反應原理并沒有轉變。節能技術無法切實有效的深入加工系統，其系統的優化能力會被嚴重限制。

三、新時期合成氨節能降耗思路探索

結合多年工藝生產經驗，企業、科研部門、高等院校已在合成氨生產工藝上找到了突破點，并引進了多項工藝技術、加工設備和催化材料。合成氨行業在能源生產問題上，得到了技術、設備、工藝的支持和支撐，無論是原料加工，還是廢料回收利用，其節能降耗特征都顯露無疑。

（一）固定層氣化集成技術：該工藝將傳統固定床轉變成了一個過渡氣化裝置，利用鍋爐中的結構設計改革，將護體改造成一個具有壓縮、排氣功能的裝置。這樣一來，煤氣可以在進入鍋爐之后，便形成高溫蒸汽，與添加劑和氧化劑發生反應，因為氣體分子活躍，所以合成氨反應制備效果會更加完全。同時，技術人員還在固定層中加入了微機油壓控制、DCS優化、除塵器、洗氣裝置等，這些裝置的技術應用效果非常好，能動性很強，能夠讓氮氣在循環裝置中不斷加工、反應，形成合成氨。

（二）余熱回收技術：上文提到，中置鍋爐中的熱能不能有效回收，造成能量損耗。研究人員為此專門設計了間歇氣化工藝，該工藝設備主要設置在中置鍋爐中，因為這個環節的反應熱能最多。余熱回收技術將原始風氣散熱系統打散，變成多個造氣吹風系統，系統雖不能大量吸收熱能、轉換熱能，但卻可以在不同位置、方向、角度吸收多余蒸汽熱量，并將它們排出中置鍋爐。這樣一來，造氣吹風系統不但吸收了多余熱量，還能有效控制反應裝置內的壓強和氣壓。

圖3 余熱回收技術結構圖

（三）低能耗變壓工藝技術：PSA技術是一種具有變壓吸附功能的脫硫技術，它能夠在氮氣初期制備中，將原料中的多余集中排出體外，形成節能聯動體，該系統由凈化段、提純段、雜質氣體排出段三個環節組成。因為雜質氣體會干擾反應，降低合成氨濃度，所以，凈化工藝和提純工藝需利用真空泵，逐層、逐級的對生成氣體進行吹掃、解吸、沖洗、再生處理。這樣一來，排出的雜質氣體會被進一步吸收、中和，得到可回收利用物質，在反應系統中的氮蒸汽，也會與氧化劑完全反應，生成合成氨。

（四）低壓氨合成技術：低壓環境下，合成氨的傳導速度快，精度變化小，消耗量小，所以合成氨工藝應發展低壓生產模式。因為系統中的壓力操作形態是固定的，合成氣體必須在規定時間內完成燃料回收和氧化反應。采用無動力氨回收技術，可以降低系統壓力，使其在低壓環境中傳導氮蒸汽、雜質氣體和液氮。到固液分離工藝時，低壓環境會極限壓縮“蒸汽原料”，使其能夠最大限度注入反應裝置，參與合成氨反應。由此可見，低壓技術不僅能夠提高合成氨反應精度，還能大幅度提高合成氨的反應生成量。

（五）新型氨合成塔內件的開發和研制技術：根據合成氨塔設計結構，分析Kel-logg4床層軸向冷激合成塔、Topse S-200型2床層徑向冷激塔、及I.C.I3床層軸向冷激合成塔等新型裝置的內件改造內容，如采用Kellogg 2床層軸向分流層，不僅能夠降低塔內流體阻力，提高氨凈值，還能降低循環壓縮機功耗。

結論：通過上文對合成氨節能降耗工藝問題、技術應用重點進行系統分析可知，合成氨的制作工藝復雜，要想實現節能降耗，必須從每個既定工藝入手，圍繞反應原理、工藝生產要求，設計系統結構，分析它們功能作用的相互影響。總之，合成氨產業發展前景廣闊，技術的革新、生產工藝系統的更新換代會進一步突出合成氨資源的價值優勢。

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