淺析合成氨工藝節(jié)能措施

趙陽

摘要：合成氨的生產(chǎn)能耗分為原料能耗和燃料能耗兩部分，布朗公司正是基于降低合成氨過程燃料能耗方面的構(gòu)思以及在這方面的努力，形成了溫和的一段轉(zhuǎn)化、二段爐加入過量空氣、深冷凈化的布朗基本工藝。這就是布朗合成氨技術(shù)在合成氨的過程中，有諸多節(jié)能工藝，與其它的節(jié)能工藝相比，布朗合成氨工藝在甲烷化的凈化基礎(chǔ)上又添加了一道被稱為“大冰箱”的深冷凈化工藝。

關(guān)鍵詞：煤制合成氨；裝置；布朗合成氨；深冷凈化工藝；

節(jié)能是我國未來發(fā)展的重要內(nèi)容，以現(xiàn)階段煤制合成氨裝置應(yīng)用情況為基礎(chǔ)，結(jié)合近年來能源消耗特點，分析煤制合成氨裝置能源消耗特點，并結(jié)合我國未來發(fā)展需求提出全新的節(jié)能方向，基于此，主要探討分析煤制合成氨裝置的節(jié)能措施。

一、布朗合成氨工藝

和其他合成氨技術(shù)基本相同，布朗合成氨生產(chǎn)工藝主要包括壓縮原料氣體，對原料氣體進(jìn)行脫硫處理、轉(zhuǎn)化與壓縮以及一氧化碳的高低溫變換和對于氣體的吸收（主要是二氧化碳，兩個時期的變換），甲烷化，干燥的合成，低溫凈化合成氣壓縮、氨合成和冰凍等工序。其中布朗合成氨技術(shù)的核心所在就是深冷凈化工藝。低溫凈化的效果是完全分離制備新鮮氣體和合成氨，在很大程度上提高了操作的靈活性。生產(chǎn)過程中，深冷凈化技術(shù)可以有效地解決轉(zhuǎn)化，凈化部分等不可預(yù)料的波動操作，所以對合成部分基本沒有影響，增加了操作彈性，使得操作更容易、更便捷。另一個主要作用是去除雜質(zhì)，主要是一些雜質(zhì)氣體（一氧化碳、甲烷氬氣等），使得H2與N2的比率維持在3∶1。布朗公司在生產(chǎn)過程中的重要的措施是降低能源消耗（降低燃?xì)庀模瑴p少一段轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷，增加二段轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷。其中重要的一個步驟是保證二段轉(zhuǎn)化爐中含有過量氣體，這可以使得加入的多于氣體和氫、甲烷反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，從而滿足工藝生產(chǎn)中所需的熱量。甲烷化工序的過程后，深冷分離裝置可以用來去除多余氮，同時也能得到濃度較高的H2和N2（大約含有0.2%的Ar）。我國引入布朗設(shè)備的一段轉(zhuǎn)換爐，低水碳比是其主要的節(jié)能措施，生產(chǎn)中所需要的高壓蒸汽可有廢熱鍋爐提供，這可大大的降低對燃料的消耗。

二、合成氣氣質(zhì)

合成氣的成分會對合成氨綜合能耗產(chǎn)生很大的影響，如果控制不當(dāng)將會造成合成氨綜合能耗增大，甚至?xí)苯佑绊懻w系統(tǒng)的溫度和壓力，而且會在裝置運行過程中產(chǎn)生衍生類問題，導(dǎo)致整體系統(tǒng)都受到影響。第一，循環(huán)氣中氫含量的影響。氫氮比是合成氨生產(chǎn)過程中控制的一個重要指標(biāo)，從實際生產(chǎn)情況看，循環(huán)氫由53%上升到62%時，系統(tǒng)壓力降低，同時系統(tǒng)壓差也相應(yīng)降低。因此，在實際生產(chǎn)過程中應(yīng)控制較高的循環(huán)氫含量，以降低合成系統(tǒng)壓力和綜合能耗。第二，循環(huán)氣中甲烷含量的影響。通過分析合成氨的化學(xué)反應(yīng)原理可知，甲烷是一種無效氣體，合成氣中的甲烷含量與原料氣的生產(chǎn)和原料煤組份及氣體凈化等過程密切相關(guān)，因此循環(huán)氣中甲烷含量越低則各個階段的壓縮機無效做功也會減少，且可以提高合成塔催化劑的利用率，這對減少整體生產(chǎn)階段的能源消耗有一定的影響作用。但在實際生產(chǎn)過程中，因為甲烷在合成塔溫度控制調(diào)節(jié)中具備無法替代的作用，所以在生產(chǎn)中需要將甲烷含量保持在一定的范圍內(nèi)，甲烷含量過低則合成反應(yīng)速率加快，在短時內(nèi)放出大量熱，導(dǎo)致合成塔內(nèi)催化劑溫度過高，嚴(yán)重時還會損害催化劑，甲烷含量過高，放空量越大，有效氣體損失也越大；所以要在保護(hù)好合成氨催化劑的同時減少有效氣體損失，找到甲烷含量最優(yōu)佳控制點。

三、煤制合成氨裝置節(jié)能方向分析

1.應(yīng)用現(xiàn)代化節(jié)能的氣流床煤氣化技術(shù)。通過對以往實踐案例的分析和研究可知，煤氣化技術(shù)在引導(dǎo)煤制合成氨裝置節(jié)能中占據(jù)重要的作用，氣流床煤氣化技術(shù)因為其具備高效、節(jié)能以及環(huán)保等特點，逐漸成為改變生產(chǎn)方式的重要技術(shù)。由于國外技術(shù)壟斷等諸多主客觀因素的約束，我國在大范圍高效氣流床煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ)分析工作受到制約發(fā)展緩慢，但近年來很多大型的煤化工企業(yè)致力于具備自主知識產(chǎn)權(quán)的大規(guī)模高效氣流床煤氣化技術(shù)的研究和開發(fā)成效顯著，這符合國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對煤炭清潔應(yīng)用的需求。在現(xiàn)階段的發(fā)展背景下，引用煙煤、褐煤等粉煤和水煤漿獲取合成氣技術(shù)，主要發(fā)展方向是為了降低凈化壓縮費用支出，原材料大都選擇應(yīng)用劣質(zhì)粉煤，優(yōu)化煤種的適應(yīng)水平和單爐生產(chǎn)能力，減少原料的損失，且熱能回收率較高，排渣的方式是液態(tài)，有助于降低環(huán)境污染程度。

2.轉(zhuǎn)換催化劑改型提升同時回收低位熱能。一方面通過應(yīng)用工藝余熱實施工作。主要是依據(jù)劃分等級收回引用變換余熱，在符合工廠運行條件的背景下，更多的回收利用低位余熱；另一方面，需要創(chuàng)造具備高活性、低溫低壓氨合成催化劑，且在實際生產(chǎn)中加以應(yīng)用，其有助于為提升氨凈值、減少循環(huán)氣量，對降低合成氨成本和綜合能耗有著十分重要的意義。

3.熱能耦合。為了降低生產(chǎn)過程中存在的熱損失和效率損失，將變換步驟與低溫甲醇洗的熱能實施耦合，這是合成氨發(fā)展過程中急需研究的課題。這種方案全面縮短低溫甲醇的工作流程，降低低壓蒸汽的能源消耗。

4.應(yīng)用低溫甲醇洗和液氮洗的聯(lián)合工藝。在應(yīng)用這一技術(shù)過程中，低溫甲醇洗階段出現(xiàn)的原料氣會在分子篩吸附器中對甲醇、二氧化碳等雜質(zhì)實施清洗，之后在氮氣冷卻器中氣體和尾液實施逆流換熱之后，引導(dǎo)液氮洗滌進(jìn)入塔底，促使氣體中的CO、甲烷等冷卻、凝固并且溶解在液氮之中，精制氣體需要通過液氮洗滌頂部進(jìn)行獲取。結(jié)合改工藝技術(shù)開發(fā)的各類專利設(shè)備的應(yīng)用，實現(xiàn)了節(jié)能增產(chǎn)的目標(biāo)，并開始走向國外市場，取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展，并對國內(nèi)煤化工業(yè)的發(fā)展提供了有力的支持。

四、深冷凈化工藝的特點

1.在生產(chǎn)過程中，深冷凈化系統(tǒng)的存在使得二段爐中可以容納過量的氣體，大大節(jié)省一段轉(zhuǎn)化爐的燃料，在一定程度上降低了一段爐的熱負(fù)荷，同時還能有效地減小其體積。

2.與其它合成氨技術(shù)相比，深冷凈化系統(tǒng)的存在使得合成原料氣中兼具高含量的甲烷，有效地降低了二段轉(zhuǎn)化爐的出口溫度，通常比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝降低了100℃。

3.在實踐中，它可用于回收弛放氣中的氫氣，氫氣的利用率因而得到有效地提高。如果燃料的成本較低，可以合成回路的吹出氣體送回干燥器進(jìn)口，與合成氣充分混合，使之在冷箱中得到有效地回收。氫回收的效率很高，合成電路中氫的利用效率可以達(dá)到為99%。

4.由于采用深冷凈化系統(tǒng)，布朗型氨廠的能耗大大降低，噸氨能耗降低到29.31GJ以下，同時減少了設(shè)備投資，真正達(dá)到了投資少、能耗低、效益高的目的。

5.低溫凈化系統(tǒng)對含氮量和甲烷氣體的壓力有最小的要求。為了確保各個比分的熱交換器有足夠的溫差，含氮量應(yīng)大于32%，壓力應(yīng)大于2.7 mpa。

總之，合成氨工業(yè)是國家保障糧食安全的基礎(chǔ)，我國自身的地理位置和礦產(chǎn)資源促使煤制合成氨裝置成為合成氨工業(yè)發(fā)展的重點。布朗氨合成的工藝是現(xiàn)代世界合成氨的先進(jìn)工藝，是低能量，低溫凈化工藝的核心，也是獨特的。生產(chǎn)中對其合理科學(xué)的應(yīng)用增加了系統(tǒng)的操作靈活性，使整個過程更加靈活、方便、穩(wěn)定，同時還能在很大程度上降低生產(chǎn)過程中的能耗。目前，我們是一個最大的發(fā)展中國家，也是應(yīng)用布朗合成氨過程工廠最多的國家，該技術(shù)已經(jīng)十分成熟應(yīng)用在大型合成氨工廠，可以考慮在未來發(fā)展中加強對深冷凈化系統(tǒng)在小、中合成氨工廠中的應(yīng)用。但是，如果引進(jìn)國外技術(shù)，對于小型合成氨工廠來說，設(shè)備的成本是會大幅提高，所以應(yīng)該開發(fā)國內(nèi)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]高振平.布朗型合成氨裝置深冷凈化系統(tǒng)綜述.2017.

[2]李攀山.淺談煤制合成氨裝置能耗分析與節(jié)能方向布朗深冷凈化工藝綜述.2017.

（作者單位：安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司）