合成氨裝置節能降耗控制措施

文 濤,魏常星

(1.河南能源化工集團煤氣化公司 義馬氣化廠，河南 義馬 472300；2.河南興發昊利達肥業有限公司，河南 輝縣 453000)

合成氨裝置節能降耗控制措施

文 濤1,魏常星2

(1.河南能源化工集團煤氣化公司 義馬氣化廠，河南 義馬 472300；2.河南興發昊利達肥業有限公司，河南 輝縣 453000)

為了降低生產成本、節能降耗、減少污染物和排放總量，對氨合成裝置工藝原理有流程進行了闡述，并論述了系統節能降耗優化操作及氨合成的節能降耗改進措施。

氨合成；單耗；優化

0 前言

義馬氣化廠12萬t/a甲醇弛放氣合成氨裝置采用低壓氨合成工藝技術，利用膜分離與變壓吸附串聯技術提取甲醇弛放氣中的氫氣，再與空分裝置的中壓氮氣按照一定比例混合，在鐵系催化劑作用下合成氨。為降低裝置生產能耗，從生產、管理方面深挖節能降耗潛力，從生產實踐角度簡單分析了能源損耗的原因，總結了一些具體的節能降耗措施。

1 合成氨裝置工藝原理及流程簡述

合成氨裝置主要包含工序有：合成氣壓縮、合成氣精制、氨合成、冷凍，針對各工序工藝流程進行簡介。甲醇弛放氣聯產合成氨裝置流程簡圖見圖1。

圖1 甲醇弛放氣聯產合成氨裝置流程圖

1.1 合成氣壓縮系統630#

來自空分分廠的中壓氮氣與來自變壓吸附的中壓氫氣進行配比形成新鮮氣，經過氨合成壓縮機低壓缸一段，送入合成氣精制裝置，除去新鮮氣中的氧元素后返回壓縮機低壓缸二段，高壓缸一段壓縮后，與合成系統分離后的循環氣混合后經壓縮機高壓缸二段壓縮送至氨合成裝置，進行氨合成反應。

1.2 合成氣精制系統620#

本裝置原料氣來自甲醇合成弛放氣回收得到的純H2，配入空分工藝氮氣。氣體中可能殘留有微量的CO、CO2及O2等對氨合成觸媒有害的雜質，因此本裝置的主要任務是對合成氨原料氣中微量的 CO、CO2及O2進行精脫除，為后序提供合格的原料氣。氣體精制是在一定溫度下，CO2、CO、O2與H2進行反應，其反應機理為：

1.3 氨合成系統632#

合成氨裝置是利用符合要求的氫氣和氮氣壓縮到一定壓力，在高溫和催化劑作用下合成生成氨氣并冷卻分離得到產品液氨的過程。

采用的Φ2000全徑向氨合成塔及配套合成廢鍋，合成氣出廢鍋后經熱交換熱器出口約72 ℃氣體進入水冷器，溫度降低至約37 ℃進入冷交換熱器換熱繼續降低溫度，反應氣中的氨部分被冷凝，冷凝的液氨在一級氨分離器被一次分離。一次分氨后的氣體約23 ℃依次進入一級、二級氨冷凝器，溫度降至約-9.7 ℃與新鮮氣匯合進入氨分離器進行二次分氨。二次分氨后的氣體經冷交換器換熱至約32 ℃進入壓縮循環機循環段。一級氨分離器、二級氨分離器分離出的液氨，減壓至1.6 MPa進入液氨換熱器再進入液氨閃蒸槽，液氨經過閃蒸槽液位調節閥送到液氨儲槽。

1.4 冷凍系統633#

氨合成塔只能將一部分氫氮氣合成為氨，為了使產品氨與未反應的氣體分離，需要采用降溫冷凝的方法。降溫所需的冷量，由冷凍工序的液氨蒸發來提供，蒸發后的低溫、低壓氣氨經螺桿壓縮機(冰機)壓縮成高溫、高壓的氣氨，再經冷卻液化成液氨送至氨冷器減壓蒸發，這樣就構成了整個制冷循環。

2 精制系統節能降耗優化操作

2.1 實施背景

氨合成精制系統使用的催化劑為KJ108-2Q型甲烷化催化劑，使用溫度：250～430 ℃，高壓蒸汽主要用于控制精制反應器的溫度，以保證甲烷化催化劑能夠正常工作。

由于使用的氣體組分中有氧成分CO+CO2+O2較低，精制出口在線分析CO+CO2+O2≤3×10-6，精制反應器在正常投用時造成高壓蒸汽的浪費。為了降低氨合成蒸汽單耗，分廠討論決定在保證氨合成各項工藝指標的前提下，降低精制反應器溫度，減少蒸汽單耗。但由于目前國內氨合成裝置無類似情況，無法借鑒，分廠在與氨合成催化劑廠家溝通后，建議將精制反應器床層溫度維持≥220 ℃的催化劑起活溫度，精制出口在線分析CO+CO2+O2≤20×10-6。基于以上原因，分廠制定各項管控措施，加強在線分析監控，定期進行取樣分析對比，確保CO+CO2+O2控制指標范圍內，將精制反應器溫度(廠控工藝指標)TIA62005/06控制值由280～415 ℃修訂為220～260 ℃，蒸汽耗量由10 t降至約5 t。

2.2 基本內涵

在確保氨合成裝置安全穩定運行的前提下，控制精制系統CO+CO2+O2≤20×10-6，減少蒸汽使用量，節約資金，降低單耗。

2.3 控制措施

①保持精制系統工藝流程不變，僅停用高壓蒸汽，對反應器降溫，在新鮮氣指標突破時能夠隨時投用。②穩定PSA裝置運行，確保產品氫氣中的CO+CO2+O2微量組分含量<10×10-6。③每日對中壓氮氣中O2含量進行分析，>20×10-6時，及時聯系調度室調整(空分系統有大的波動，造成中壓氮氣中O2含量指標上升時，需要調度室及時告知分廠)。④利用精制系統出口在線分析儀，監控新鮮氣CO+CO2+O2微量組分含量，每日手動分析一次數據校對在線準確性；在線分析儀(CO+CO2+O2)和微量超出報警值(20×10-6)時，及時加樣分析比對，查找原因，視情況降負荷進行觀察。⑤在線分析儀(CO+CO2+O2)和微量超出30×10-6時，及時加樣分析比對，查找原因，視情況降負荷運行，同時高壓蒸汽及時投用，對精制系統升溫，投用精制催化劑。

2.4 效果

通過近期試運行期間各項數據觀察，合成氨精制反應器溫度調整后，氨合成工況運行正常，各項數據均在控制范圍內，同時氨合成精制系統可節約高壓蒸汽5 t/h左右，按蒸汽80元/t，每年運行8 000 h計算，每年可節約320萬元左右。根據氨合成運行情況，分廠將繼續調整精制反應器高壓蒸汽用量，若精制系統停運，可節約高壓蒸汽10 t/h。截止目前為止，該方法效果較明顯，建議可在同類裝置中推廣應用。

3 氨合成節能降耗改進

3.1 實施背景

惰性氣(CH4、Ar)含量的增加，對氨合成反應的化學平衡和反應速度均不利，理論上是越少越好。但實際生產中惰氣是由新鮮氣帶入的，隨著反應的進行，惰氣量會不斷地積累增加，因此必須排放部分氣體以控制惰性氣含量。

3.2 改進措施

合成氨裝置合成系統放空位置原來是位于一級氨分離器后，通過HV63205進行控制。但出一級氨分離器的循環氣中氨含量約在11%，為減少氨氣的放空量，降低生產成本，可將放空點移至冷交換熱器出口后，此處循環氣中氨含量在3%～4%，見表1。

表1 改進前后放空氣體分析數據對比 %

3.3 效果

合成系統需進行排惰性氣放空時，利用技改后的管線進行控制可大幅度降低排放氣量中的有效組分，減少氨氣浪費。提高氨合成塔反應溫度，提高氨產量。

項目效益估算：改造后能保證放空中的氨氣有原來濃度由11%降至濃度3%～4%，進一步提高氨的回收率。按照當前間斷性開閥開度為3%～5%，一天8 h為準(最大放空量4 000 Nm3/h)，所以每天放空960～1 600 Nm3的氣氨。改造后，每小時能減少6%～8%氨氣放空，減少排放氨氣1.46～1.94 t，可節約3 000元左右。既有經濟效益也能達到社會效益。

4 結語

當前，節能降耗不僅是合成氨企業，降低成本、提高競爭力的關鍵。技術改造和科技進步是合成氨企業實現節能減排的重要手段。通過采取以上措施，使合成氨裝置依靠優化操作和技改取得了較大成績，每噸液氨耗高壓蒸汽由3.1 t降至2.7 t蒸汽，每噸液氨耗氫氣。由2 075 m3氫氣/t降至2 020 m3，每年可減少氨氣排放量約17萬m3。

中國科大基于單原子催化劑研究金屬—載體相互作用獲新進展

負載型金屬納米催化劑在產氫反應中有著優異的催化性能，影響其性能的關鍵因素甚至是決定性因素便是襯底的選擇。因此，深入研究催化劑中金屬—載體相互作用與其催化性能之間的關系至關重要。然而，由于缺乏在原子尺度上對多相催化產氫反應過程的詳盡理解以及對活性位點的明確標識，定量理解金屬—載體相互作用的本質仍是一項巨大的挑戰。基于單原子催化劑研究金屬—載體相互作用能夠排除金屬顆粒在金屬—載體界面上尺寸、形貌和取向的影響，單原子催化劑被視為理想的研究平臺。此外，氧化物相變材料被認為是研究該相互作用理想的載體材料，因為它可以在調控能帶結構的同時，保持單原子或活性位點的空間分布不改變。

基于此，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室和化學與材料科學學院教授曾杰課題組、南開大學教授胡振芃和中科院上海應用物理研究所研究員司銳合作，將Rh單原子負載在相變材料VO2納米棒上，構筑出Rh1/VO2單原子催化劑。在氨硼烷產氫反應中，載體VO2納米棒的金屬—絕緣體相變引起了催化反應活化能的改變。研究人員發現載體的金屬—絕緣體相變誘導了Rh單原子中電子最高占據態的能量變化，其能量變化值大致相當于催化反應活化能的改變量。因此，研究人員認為Rh1/VO2的催化性能與Rh單原子的電子最高占據態直接相關，Rh單原子的電子最高占據態取決于載體的能帶結構。基于此機理，研究人員還通過調控單原子中電子最高占據態，進一步設計出高效非貴金屬單原子催化劑。

2017-01-12

文 濤(1978-)，男，助理工程師，從事化工生產技術管理工作，電話：13639875084。

TQ050.2

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1003-3467(2017)04-0037-03