淺談合成氨原料氣氫氮比調(diào)節(jié)工藝的優(yōu)化

楊俊武

摘要：在造氣爐傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用“小加氮”的工藝操作方式，取代“大加氮”操作方式，在對(duì)原料氣氫氮比調(diào)節(jié)工藝優(yōu)化同時(shí)優(yōu)化穩(wěn)定造氣爐爐溫，達(dá)到穩(wěn)定造氣爐運(yùn)行、提高單爐發(fā)氣量的目的。

關(guān)鍵詞：淺談;合成氨;原料氣氫氮比;優(yōu)化

1 前 言

液氨的主要用途是氮肥、制冷劑、化工原料，工業(yè)液氨是將純凈的氮?dú)錃獍匆欢ū壤旌希诟邷馗邏河写呋瘎┑淖饔孟潞铣蔀橐喊保杂纸泻铣砂薄?/p>

氨合成化學(xué)反應(yīng)：

從液氨生產(chǎn)的工藝過程及生產(chǎn)實(shí)踐可知，要使氨合成化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行，必須維持相對(duì)穩(wěn)定的氫氮?dú)獗壤６鴼涞獨(dú)獗壤恼{(diào)節(jié)是在造氣工序制備原料氣過程中通過調(diào)節(jié)氮?dú)獾募尤肓縼硗瓿桑a(chǎn)液氨的氮來自于空氣，氫來自于蒸汽。

造氣工序制備生產(chǎn)液氨用的原料氣（半水煤氣），其過程簡(jiǎn)單講就是向造氣爐內(nèi)，交替地通入氣化劑（空氣和過熱蒸汽），與爐內(nèi)灼熱的焦炭（煤）進(jìn)行氣化反應(yīng)生產(chǎn)合格半水煤氣的全過程。

公司造氣工序以傳統(tǒng)間歇式常壓固定床制取合格半水煤氣。Φ2610造氣爐是制氣工序的主要設(shè)備，利用造氣PLC（可編程邏輯控制器，英文Programmable Logic Controller）控制機(jī)及液壓油閥站（液壓油壓閥站內(nèi)設(shè)一組電磁換向閥，通過換向閥對(duì)油路進(jìn)行切換使油壓閥油缸供油及回油來實(shí)現(xiàn)油壓閥的開啟及關(guān)閉）使液壓閥交替開啟、關(guān)閉完成制氣循環(huán)的控制。每一個(gè)吹風(fēng)及制氣過程稱一個(gè)制氣循環(huán)，每個(gè)制氣循環(huán)分為連續(xù)的五個(gè)階段：吹風(fēng)階段（25秒）、上吹制氣階段（34秒）、下吹制氣階段（50秒）、二次上吹階段（6秒）、吹凈階段（5秒），吹凈階段結(jié)束轉(zhuǎn)入下一個(gè)制氣循環(huán)，周而復(fù)始，每個(gè)制氣循環(huán)時(shí)間為120秒。

在對(duì)氮?dú)饧尤肓窟M(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，主要通過兩個(gè)途徑時(shí)間：第一，灌氮。吹風(fēng)階段，產(chǎn)生以氮?dú)鉃橹鞯拇碉L(fēng)氣，直接進(jìn)入半水煤氣系統(tǒng)，對(duì)水煤氣中的氫氣與氮?dú)獗壤M(jìn)行調(diào)節(jié);第二，上加氮或稱上吹加氮。在上吹制氣階段，將蒸汽通入造氣爐內(nèi)，在制備半水煤氣的同時(shí)，將部分空氣加入補(bǔ)充氮?dú)狻Ｍㄟ^上述兩種“加氮”途徑，對(duì)氫氣與氮?dú)獾谋壤M(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)半水煤氣成分的改變，滿足后續(xù)生產(chǎn)工藝。

“上加氮”的優(yōu)勢(shì)在于不僅對(duì)氮?dú)馀c氫氣的比例能夠調(diào)節(jié)，還能對(duì)上吹制氣過程中爐溫下降過快的情況進(jìn)行改善。

完成造氣吹風(fēng)階段后，進(jìn)入上吹制氣階段，此時(shí)吹風(fēng)閥不關(guān)閉（吹風(fēng)閥延時(shí)關(guān)閉），用于調(diào)節(jié)造氣半水煤氣中氫氮?dú)獗壤洗抵茪饨Y(jié)束前，吹風(fēng)閥提前關(guān)閉，這種方式稱為 “大加氮”。

工藝上，利用專用風(fēng)閥，在上吹制氣過程中，可在造氣爐內(nèi)同時(shí)通入空氣，用于調(diào)節(jié)造氣半水煤氣中氫氮?dú)獗壤L(fēng)閥在上吹制氣結(jié)束前，提前關(guān)閉，此種“上吹加氮”的方式，習(xí)慣上稱“小加氮”。

“上吹加氮”可簡(jiǎn)單地分為“大加氮”和“小加氮”，“上吹加氮”的采用有利于原料氣的制備。

本文重點(diǎn)淺析合成氨裝置造氣爐“小加氮”工藝的實(shí)現(xiàn)。

2 ?造氣工序“上吹加氮”的現(xiàn)狀

公司合成氨裝置投產(chǎn)后，都沒有“上吹加氮”，半水煤氣氫氮?dú)獗壤恼{(diào)節(jié)一般靠“灌氮”完成，隨著操作技能不斷提高，經(jīng)多方努力、技術(shù)攻關(guān)后，將“大加氮”程序加入到PLC造氣控制機(jī)上，對(duì)穩(wěn)定造氣爐工藝，使單爐發(fā)氣量提升均有促進(jìn)作用，同時(shí)可大幅減少原料消耗;但同時(shí)“大加氮”操作方式的應(yīng)也存在不足之處，其一，為控制能耗，設(shè)計(jì)上一般一臺(tái)風(fēng)機(jī)供應(yīng)4臺(tái)造氣爐空氣，當(dāng)某臺(tái)造氣爐處于吹風(fēng)階段時(shí)，其余造氣爐處于制氣循環(huán)的其它階段，造氣風(fēng)機(jī)通過吹風(fēng)閥向該臺(tái)造氣爐送風(fēng)，由吹風(fēng)階段轉(zhuǎn)入上吹制氣階段時(shí)吹風(fēng)閥延時(shí)關(guān)閉進(jìn)行“上吹加氮”，此時(shí)其余一臺(tái)造氣爐轉(zhuǎn)入吹風(fēng)階段（或用氣階段），這種情況下，造氣風(fēng)機(jī)同時(shí)供給兩臺(tái)造氣爐用氣，發(fā)生“爭(zhēng)風(fēng)、搶氣”，直接影響剛剛轉(zhuǎn)入吹風(fēng)階段的造氣爐風(fēng)壓、風(fēng)量，造氣爐整體負(fù)荷很難再提高，進(jìn)而影響裝置負(fù)荷的提高;其二，DN600吹風(fēng)閥通風(fēng)量太大，“大加氮”過程中，雖對(duì)上吹制氣階段的爐溫穩(wěn)定起到一定作用，但爐況仍波動(dòng)較大。

3 “小加氮”的實(shí)現(xiàn)

3.1 工藝生產(chǎn)過程（見圖1）

為便于闡明，對(duì)造氣工藝制氣循環(huán)各階段進(jìn)行簡(jiǎn)述：

3.1.1 吹風(fēng)階段

吹風(fēng)階段的目的是使燃料所放出的熱量積蓄在炭層中提高氣化層的溫度，為其它階段提供有利的反應(yīng)條件，同時(shí)副產(chǎn)吹風(fēng)氣。出爐氣稱為“吹風(fēng)氣”;溫度在300℃～400℃左右，吹風(fēng)氣經(jīng)旋風(fēng)除塵器除塵后進(jìn)入吹風(fēng)氣總管，再經(jīng)蒸汽過熱器，最后經(jīng)水簾除塵器從煙囪排入大氣。（“灌氮”時(shí)吹風(fēng)氣并不放空而是直接進(jìn)入半水煤氣系統(tǒng)）

3.1.2 上吹制氣階段

吹風(fēng)階段結(jié)束后開始上吹制氣，上吹時(shí)氣化劑為蒸汽。約0.14MPa左右的低壓蒸汽，由造氣爐底部送入，自下而上經(jīng)過爐內(nèi)炭層分解（吸熱過程）而產(chǎn)生半水煤氣，爐溫隨著過程的進(jìn)行而下降。本階段所產(chǎn)生的半水煤氣（稱“上行煤氣”），經(jīng)降溫、除塵后送往氣柜貯存。

3.1.3下吹制氣階段

上吹制氣階段結(jié)束后轉(zhuǎn)入下吹制氣階段，此階段氣化劑蒸汽由煤氣發(fā)生爐上部進(jìn)入爐內(nèi)，經(jīng)過炭層分解得到半水煤氣，由爐底引出時(shí)溫度在250℃左右，經(jīng)降溫、除塵后送往氣柜貯存。

3.1.4 二次上吹階段

與上吹制氣階段同，二次上吹階段在上、下吹制氣階段后進(jìn)行，目的在于置換爐下部及管道中殘留的半水煤氣。

3.1.5 吹凈階段

流程同上吹制氣，但不用蒸汽而改用空氣，以回收系統(tǒng)中的半水煤氣，吹凈后改為吹風(fēng)階段，從而完成一個(gè)制氣循環(huán)。

3.2 合成氨原料氣氫氮比調(diào)節(jié)工藝優(yōu)化方案

3.2.1 采用“大加氮”操作時(shí)，吹風(fēng)閥由于通徑比較大，爐底壓力對(duì)吹風(fēng)閥的影響非常小，空氣也容易經(jīng)過吹風(fēng)閥進(jìn)入造氣爐。采用“小加氮”工藝，可避免發(fā)生造氣爐間“爭(zhēng)風(fēng)、搶氣”， 為達(dá)到這一目的，加入空氣量小且均勻，此時(shí)需要選取的上吹加氮風(fēng)閥的通徑相對(duì)較小，加之從安全因素考慮，需要將其搭接在上吹蒸汽管的蒸汽閥后。為能在順利安全地完成“小加氮”過程的同時(shí)降低送風(fēng)阻力，通過查閱相關(guān)技術(shù)資料并作了計(jì)算后，改造設(shè)計(jì)上，借助蒸汽噴射泵原理，蒸汽管在彎頭后采用喇叭型噴嘴，在生產(chǎn)時(shí)管道噴嘴局部區(qū)域產(chǎn)生一定的負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)將上吹加氮風(fēng)閥送來的空氣“吸入”造氣爐的過程，完成上吹加氮工藝過程。（如圖3所示）

3.2.2從空氣總管引入一條Φ273空氣支管，配DN250手動(dòng)閥、DN250油壓閘閥各一只（即在圖1 中油壓閥1前、油壓閥2后，見圖2），專門用于上吹制氣階段時(shí)補(bǔ)充空氣，使?fàn)t溫波動(dòng)較小。同時(shí)取消PLC造氣控制機(jī)上“大加氮”程序，增加“小加氮”程序。

3.2.3 “小加氮”工藝的運(yùn)行程序

運(yùn)行程序：吹風(fēng)階段結(jié)束，上吹階段持續(xù)一段時(shí)間后，打開上吹加氮風(fēng)閥，部分空氣加入，在調(diào)節(jié)原料氣氫氮比的同時(shí)爐溫能有效控制，爐溫波動(dòng)處于較平穩(wěn)的狀態(tài)，并且因風(fēng)閥通徑較小，通入的空氣量也比較少，不會(huì)影響其它造氣爐。上吹制氣結(jié)束前，依據(jù)PLC控制機(jī)控制，關(guān)閉上吹加氮風(fēng)閥，上吹制氣階段35～44秒，“小加氮”控制時(shí)間為20～25秒。

3.2.4 實(shí)現(xiàn)必備條件

造氣系統(tǒng)每臺(tái)造氣爐液壓油閥站預(yù)留有閥位，具備安裝用于控制上吹加氮專用閥的電磁換向閥，PLC控制機(jī)操作面板必須有空閑按鍵，生產(chǎn)過程中通過操作按鍵來完成“上吹加氮”過程。

4“小加氮”與“大加氮”運(yùn)行比較

2003年1月對(duì)2#造氣系統(tǒng)實(shí)施了“小加氮”工藝改造，受操作及管理等各方面的原因，一直未能正常投用。2004年以后，在公司工程技術(shù)人員的共同努力下，“小加氮”工藝操作順利、正常投用。

從上表可看出，2#造氣系統(tǒng)采用“小加氮”操作方式，造氣爐工況較好時(shí)，可在上吹制氣過程中，添加25秒的空氣，而采用“大加氮”操作方式，空氣添加的時(shí)間控制在5秒以內(nèi)。多年的實(shí)踐證明，上吹制氣階段，采用“小加氮”工藝操作方式，均勻、穩(wěn)定、適量、長(zhǎng)時(shí)間通入空氣有利于爐溫的控制，進(jìn)而使造氣爐爐況穩(wěn)定。經(jīng)初步估算及對(duì)比分析，采用“小加氮”操作比“大加氮”操作，單爐發(fā)氣量提高（50 Nm3～100Nm3）/臺(tái).小時(shí)，因單爐發(fā)氣量提高而下降的噸氨原料煤消耗約20kg～40kg，能有效實(shí)現(xiàn)原材料消耗降低的目的。

5 結(jié)語

通過工藝技術(shù)改造，使2#造氣系統(tǒng)“小加氮”工藝操作方式得以實(shí)現(xiàn)， “小加氮”工藝優(yōu)化，有利于工藝過程的穩(wěn)定。

2004年完成改造，直到2021年底合成氨裝置停運(yùn)，此工藝一直服務(wù)于生產(chǎn)，一個(gè)小小的工藝改進(jìn)為合成氨的生產(chǎn)作出巨大貢獻(xiàn)。目前來講，間歇式固定床制取合成氨原料氣這類工藝在逐步退出歷史舞臺(tái)，但從“小加氮”工藝的實(shí)現(xiàn)這一過程來看，只要善于消化吸收前人生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過努力學(xué)習(xí)，不斷創(chuàng)新，無論任何工藝技術(shù)都能得到改進(jìn)和提高。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 合成氨工藝與節(jié)能 張成芳 ?1988 ?華東化工學(xué)無機(jī)化工研究室