合成氨生產過程中的節能與降耗研究

李慧敏

(晉中市節能監察支隊，山西 晉中 030605)

要實現合成氨生產過程中的節能降耗目標，需要研究探討合成氨的生產工序，明確各生產環節的節能潛力，有針對性地進行節能分析。合理有效提升合成氨產量的同時，實現能耗降低、污染物排放減少，不僅能促進合成氨行業節約資源，減輕環境污染，更有利于我國可持續發展戰略的推進。

1 合成氨生產工藝的探究

在我國合成氨企業中，雖然生產工藝各不相同，原料采用、設備結構和操作條件也各有差異，但是實現合成氨的基本步驟則是相同的。

首先，原料經過預處理后以不同的方式制備原料氣(氫氮混合氣)，隨后經過脫硫、變換、凈化等工序后，將原料氣壓縮至一定的壓力后，引入合成系統。然后，氣體通過最終凈化，并換熱升溫至操作溫度，送入合成塔內的催化劑層，在其中進行氨的合成反應。反應后，氫氮混合氣不能全部轉化成氨，必須將其中的氨分離，剩下的氫氮混合氣由循環壓縮機補充壓力后，與壓縮機送來的新鮮氣混合，再次進行合成，如此連續循環操作合成氨[1]。

合成氨生產過程較為復雜，為保證各工序有序進行，在生產過程中根據不同的反應情況，給予合適的溫度、壓強和相應的催化劑等。合成氨原料氣的制備過程不僅將消耗大量的能源物質(煤、碳、天然氣、水蒸氣)作為原料，更需要消耗大量的能源物質作為動力能源消耗。因此，制氣環節能耗和成本較大，占合成氨生產的60%～70%。其次在變換、凈化及合成過程中都需要壓縮，壓縮機的使用也要消耗大量的動力能源。最后，整個工藝過程中需要大量的換熱蒸汽，產生大量的余熱及三廢物質。因此如果能夠實現合成氨過程中的各種能源物質的有效綜合利用，可降低整個過程中的能耗，減少不必要的能源損耗，實現合成氨過程中的節能減排[2]。

2 合成氨生產過程中實現節能降耗的重要性

合成氨行業是能源消耗大戶，世界上約有3%的能源用于生產合成氨，同時合成氨工業又是污染物排放量較大的行業，化學需氧量、氨氮、二氧化硫等排放量都比較大?，F今我國資源緊缺、環保壓力不斷加劇，合成氨工業的節能減排任重而道遠。

合成氨生產過程中需消耗大量的能源物質，包括煤、油、工藝水、冷卻水、工藝蒸汽、加熱蒸汽、傳動設備的電耗、壓縮空氣、儀表空氣等消耗，能源成本占生產總成本的70%左右，合成氨生產過程實現節能降耗不僅有利于節約資源，降低能耗，還有助于降低生產成本，提高經濟效益，最終提升企業的核心競爭力。當前，我國合成氨工藝存在生產設備和技術水平落后，能源消耗較世界先進水平高等狀況，所以加強合成氨生產過程中的節能降耗研究十分重要[3]。

3 合成氨生產過程中實現節能降耗的相關舉措

合成氨生產過程實現節能降耗主要集中在關鍵性的工序和設備及相應的技術。

3.1 優化合成塔，降低生產能耗

氨合成塔是在高壓、高溫下用來使氮氣和氫氣發生催化反應以進行氨合成的設備, 是合成氨工藝的心臟設備。在相同工況下，氨產量和氨凈值的高低主要取決于合成塔。若合成塔的轉化效率不高，則將直接造成合成氨生產裝置運行效果差，最終導致整個生產過程能耗提升。因此，優化氨合成塔是提升合成氨經濟效益、降低合成氨能耗的關鍵。選擇合適的合成塔構建材料，可以優化合成塔內部結構，對氨合成塔及內件進行高效節能改造，實現合成塔的耐高壓耐高溫耐腐蝕性能的提升，促進合成塔內部換熱高效運行，充分利用催化劑的活性，提高合成氨的合成速率及凈產值，在實現能源降低的同時提升合成氨產量[4]。

3.2 加強新型高效催化劑的研究，提升合成氨效率

研究采用高活性的催化劑，實現低溫低壓合成氨。氨合成催化劑是合成氨工藝技術的核心和關鍵，也是節能降耗的核心技術。使用高活性的催化劑，可以提高氨產量，從而降低合成氨單耗；同時如果研究出低溫低壓高效催化劑，可以降低整個合成工藝的反應溫度、壓強，把高壓機的功耗切實地降下來，減少動力能源消耗，從而降低合成氨的成本，實現合成氨的低能耗、低成本、高產量等綜合節能效果和經濟效益[5]。

3.3 研發先進的煤氣化技術，提高氣化率和碳轉化率

我國“富煤、貧油、少氣”的能源結構，決定了我國合成氨原料以煤為主，煤氣化是合成氨生產過程中的關鍵工序，所消耗的能源占全部能耗的70%，是直接影響產品經濟效益和企業能源消耗的主要環節。不同的煤氣化技術耗煤量、耗蒸汽量以及產生的環境污染物程度不同，因此，應積極研發先進的合適的煤氣化技術，提高蒸汽分解率和氣化強度，降低蒸氣的損耗，提高碳轉化率，加大煤的利用程度，降低煤耗量，減少污染物的排放，實現煤氣化過程的節能減排。具有我國自主知識產權的水煤漿、粉煤加壓氣化等大型先進煤氣化技術與裝備已成功應用于合成氨生產過程[6]。

3.4 重視資源綜合利用，實現節能減排

合成氨過程中產生了大量的化學熱及蒸汽余熱、廢氣、廢水等物質，有效利用各種資源，可以減少能源損耗，緩解環保壓力，降低企業成本。如合成氨生產過程中副產蒸汽，可集中回收進行熱電聯產，減少企業熱損失；合成氨尾氣中含有甲烷和氫氣，氫氣是合成氨的原料氣，采用合理的回收技術可以循環利用合成氨，甲烷即是一種清潔能源，也是溫室效應很強的氣體，采用有效的技術加以回收利用，可以減輕環境壓力；合成氨生產過程中產生的低熱值爐渣可回收供循環流化床鍋爐或三廢爐燃燒使用，以提高原料煤的碳利用率，且其燃燒后的灰渣還可以用來制水泥與粉煤、粉磚等等。綜合利用合成氨生產過程中的各種資源，可獲得最大效益。

3.5 加強清潔生產，實現可持續發展戰略

清潔生產是合成氨未來發展的趨勢。合成氨生產過程中會產生各種副產品和對身體有害的物質，應當積極引進先進的綠色技術和設備，采用先進的節能工藝，有效控制各工序合成條件，合理使用高效催化劑，盡可能不生產或少生產副產品和有害物質，實現或接近“零排放”，減少環境污染和避免影響工作人員的身體健康。

4 結束語

實現合成氨生產過程中的節能降耗可以給企業帶來較好的環境效益和經濟效益。在實際生產過程中，應就當前的生產環節進行探討，找到能耗高現象的根本原因，積極研究探索節能技術，不斷改進節能工藝，提高合成氨的質量和產量，減少副產品和廢氣廢渣的生產和排放，實現合成氨生產過程中的節能降耗，提高合成氨生產的經濟效益。