煤化工合成氨工藝與節能優化措施分析

朱月

（湖北宜化集團有限責任公司，湖北 宜昌 443000）

1 煤化工合成氨工藝原理

某化工集團公司于2018 年成立氨醇生產部門，年產30 萬t 合成氨、50 萬t 尿素裝置正式投入運行。煤化工合成氨工藝步驟為：第一步，煤破碎處理后進入棒磨機，向棒磨機內加入適量水和添加劑，混合均勻后磨出料漿，從而得到原料氣；第二步，煤漿和高壓氧進入氣化爐，在一定壓力、溫度下發生氣化反應，生成CO、CO2、H2O、H2，以及少量的CH4、H2S；第三步，熱氣體和熔渣在激冷室內水浴降溫，溫度降低后出氣化爐，進一步除塵冷卻后進入變換工段；第四步，原料氣中含有一些雜質和毒害成分，要想得到純度較高的氣體，就要進行凈化處理，最大程度上清除雜質和毒害成分；第五步，凈化后，進行脫碳、脫硫，得到高純度的H2、CH4O；第六步，經合成裝置得到合成氨。煤化工合成氨過程中，主要化學反應如下：

2 煤化工合成氨生產項目現狀

該企業煤化工合成氨的工藝流程是：原料氣制備→原料氣凈化→原料氣精煉→氨合成→氨分離，具體流程如圖1 所示。

2.1 原料氣制備

在合成氨生產中，制備原料氣是第一步。使用的原料是煤炭，在高溫條件下反應，最終生成CO 和H2。

2.2 原料氣凈化

制備的原料氣中含有硫化物、CO、CO2、O2等成分，為提高原料氣的純度，就要進行凈化處理，保留H2、N2，其他雜質全部去除。另外，通過脫硫、脫碳等技術，可進一步提高原料氣的純度。

（1）除碳。CO 的去除難度較大，實際處理時先將CO 轉化為CO2和H2，不僅能提高雜質去除率，還能得到更多的H2原料，為合成氨提供充足準備。CO 變換會產生大量熱，分段處理有助于回收反應熱、精確控制出口殘余的CO 含量。一般情況下，第一步是高溫變換，將大多數CO 轉化為CO2和H2；第二步是低溫變換，將CO 含量降低至0.3%以下。可見，去除CO既是凈化過程，也是制備原料氣的延續，為后續除碳工藝創造條件。

（2）脫硫。脫硫工藝方法較多，常見有噴霧干燥法、低溫甲醇洗法。其中，噴霧干燥法以石灰作為脫硫吸收劑，石灰經消化、加水制成消石灰乳，在吸收塔內霧化成細小液滴，與煙氣中的SO2發生化學反應生成CaSO3，煙氣中的SO2被脫除。該方法技術成熟、工藝簡單，脫硫率達到85% 以上[1]。低溫甲醇洗法使用的溶劑是甲醇，在低溫條件下，甲醇可以溶解大量的酸性氣體，從而達到脫硫效果。該方法溶劑價廉易得，設備運轉費用低，得到的凈化氣質量好。

2.3 原料氣精煉

原料氣凈化處理后，內部存在微量的雜質如CO、CO2、O2、H2O，對原料氣進行精煉，使CO 和CO2的總含量≤10 cm3/m3，才能將氨合成催化劑的毒害作用降至最低[2]。常用的精煉方法有深冷液氮洗法、甲烷化法。其中，深冷液氮洗法是在-100℃以下，用液氮吸收分離CO，同時脫除CH4；甲烷化法主要使用甲烷化催化劑，該催化劑和H2反應后，能生成水蒸氣、CH4，進一步冷卻處理，蒸氣發生冷凝分離，即可得到合格的H2。實際運用中，甲烷化處理時的體積縮小，是一個強放熱過程，具有較高的處理效率，其化學反應過程如下：

2.4 氨合成

氨的合成是整個生產工藝的核心，是將純凈的N、H 混合后壓縮至高壓，加入催化劑合成氨，由于反應后氣體中氨的含量不高，只有10%～20%，故采用氫氣、氮氣循環系統配置合成氨，以提高氨的合成速度和效率。氨合成反應式如下：

2.5 氨分離

在合成塔內合成氨會受到平衡反應條件的制約，導致僅有一部分H2、N2能合成氨氣。為了利用好這部分H2和N2，避免造成浪費，要在合成塔的出口處將混合氣體分離開，同時提高氨氣的純度。就目前來看，氨分離常用方法是水吸收法和冷凝分離法，其中后者的優勢明顯：（1）氨分離效率更高，因為氨在水蒸氣中的溶解度小，利用冷卻劑能迅速降低氨的溫度，使氨從水蒸氣中析出；（2）需要的設備、材料成本低，工藝操作簡單，且整個過程容易控制；（3）氨在水中的溶解度高，吸收過程會產生大量熱和氨氣，具有一定的中毒、爆炸風險，冷凝分離法因操作溫度低，能提高安全性[3]。

3 煤化工合成氨工藝的節能優化措施

隨著 “雙碳” 目標提出，國家對高能耗、高污染企業提出更高要求。該企業在煤化工合成氨生產中，采用多種節能優化措施，以降低運行成本，滿足節能環保的生產要求。

3.1 選擇先進的氣化工藝

公司采用華東理工大學多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝，6.5 MPa、DN3200 氣化爐，兩開一備。與國外水煤漿氣化技術相比，技術特點和優勢如下：

（1）多噴嘴對置式氣化爐和單噴嘴頂噴的氣化效率高，技術指標先進。與采用國外水煤漿氣化技術的運行結果相比，有效氣成分提高2～3 個百分點，CO2含量降低2～3 個百分點，碳轉化率提高2～3 個百分點，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%。

（2）多噴嘴對置式氣化爐噴嘴之間的協同作用好，氣化爐負荷可調節范圍大，負荷調節速度快，適應能力強，有利于裝置大型化。

（3）該裝置開車方便、操作靈活、負荷增減自如，操作的方便程度優于引進的水煤漿氣化裝置。

（4）自動化程度高，全部采用集散控制系統（DCS）控制。

（5）復合床洗滌冷卻技術的熱質傳遞效果好，洗滌冷卻室液位可控，無帶水帶灰現象發生，解決了引進技術的帶水帶灰問題。

（6）分級式合成氣初步凈化工藝節能、高效，表現為系統壓降低，分離效果好，合成氣中細灰含量低（＜1 mg/m3）。

（7）渣水處理系統采用直接換熱技術，熱回收效率高，克服了設備易結垢和堵塞的缺陷。

3.2 充分提高熱量效率

為提高熱量利用效率，該裝置在設計階段就對蒸汽系統進行統籌考慮。項目蒸汽分為11 MPa、4 MPa、1.3 MPa 和0.5 MPa 四個壓力等級。空分、合成、氨冰機三大機組采用11 MPa 過熱蒸汽全凝驅動，在鍋爐設計階段考慮在材質不提檔的前提下盡量提升鍋爐出口蒸汽參數，將蒸汽參數由9.8 MPa、535 ℃提升到10.8 MPa、535 ℃，主蒸汽焓值下降的同時做功能力提升，節約了鍋爐煤耗，也節約了機組蒸汽消耗。

變換工藝采用絕熱+ 等溫兩段變換，一段絕熱段充分回收高溫高品位熱量，副產4.0 MPa 過熱蒸汽，二段等溫段降低系統出口尾氣CO 含量，副產2.0 MPa 飽和蒸汽。氨合成工藝副產4.0 MPa 過熱蒸汽，氨合成回路多余熱量預熱變換、合成鍋爐熱水，實現熱量充分回收。此外，變換、合成副產的4.0 MPa 過熱蒸汽經預熱發電機組背壓到1.3 MPa，230 ℃外供園區其他蒸汽用戶，實現熱電聯產，梯級利用。

在余熱利用方面，充分回收氣化灰水處理過程中的熱量，在低閃、真閃水冷器前設置脫鹽水預熱器預熱鍋爐給水，冷脫鹽水經真閃1#、2#預熱器，再到低閃預熱器預熱到100 ℃后送至鍋爐除氧器，既節約了氣化循環水消耗，又節約了鍋爐除氧蒸汽用量[4]。

3.3 優化技術方案降低系統電耗

新型煤化工合成氨工藝中，循環水的用電量占比高達50% 以上，降低合成氨電耗核心在于降低循環水的電耗，合成氨工藝生產中的電耗如表1 所示。

表1 合成氨工藝生產電耗統計表

在項目上主要從三個方面進行了優化：首先，進行工藝研究，充分利用余熱代替蒸汽，減少循環水用量（氣化、變換）；其次，盡可能用蒸發冷替代循環水冷卻，蒸發冷水泵揚程僅6 m，變換、低溫甲醇洗、氨合成冷排、氨冰機、甲醇水冷器都用蒸發冷替代了循環水；最后，確實需要循環水的用戶，根據用戶標高，分級供水，整個循環水按照低壓設置，水泵出口揚程控制在30 m 以內，高壓用戶增加管道泵。

考慮分級設置，降低循環水泵出口揚程，超過20 m的820 m3空冷系統冷凍水系統單獨采用高揚程水泵，18 000 m3循環水采用低揚程水泵；氣化超過20 m 的2 058 m3循環水采用高揚程水泵，10 000 m3循環水采用低揚程水泵。空分循環水按照25 000 m3/h、合成循環水按照15 000 m3/h 設計，略有余量。

3.4 采用高效設備提升工作效率

項目上積極采用永磁電機、變頻技術等節能裝備，同時對22 kW以上常用電機采用一級能效，75 kW 以上運轉設備采用在線測溫測振，實時監測運轉設備效率，保證系統高效穩定運行。

現場檢查發現，2#結構組成中，兩端采用加強型薄板，厚度為30 mm，低溫側換熱管和管板的連接處，多次發生高壓鍋爐爐水滲漏問題，降低了熱量回收效率，自產高壓蒸汽降低。管板、管束等部件的使用時長接近設計使用年限時，因材質本身老化，堵管、爆管、管壁穿孔等問題經常發生，這是造成結垢、熱效率降低的主要原因[5]。對此，將2#、3#低效設備進行更換，對部分材質進行升級，如表2 所示。改造完成后，高壓蒸汽產量明顯提高，運行至今未再出現堵管、爆管等問題。

表2 低效設備更換前后的工況比較

3.5 脫硝裝置技術升級改造

燃機運行過程中，為了提高熱效率，對高溫廢氣進行回收，然后傳送至輔助鍋爐，完成工藝循環后排放。燃機出口廢氣中的NOx、輔爐排放煙氣中的NOx含量分別是155 mg/m3和175 mg/m3。但是，當地《火電廠大氣污染物排放標準》中，要求煙氣中NOx含量不超過100 mg/m3，故必須對脫硝設備進行改造。燃機采用擴散型燃燒室，燃燒溫度高、高溫停留時間長，采用干式貧預混低氮燃燒技術，燃料進入燃燒區之前與空氣均勻混合，從而降低燃燒溫度，縮短高溫區停留時間，減少NOx的產生量。另外，對高壓透平模塊進行更新，主要是噴嘴、軸流壓縮機等，提高做功效率。改造完成后，燃機出口廢氣中的NOx含量降低至40 mg/m3，輔爐排放煙氣中的NOx含量降低至70 mg/m3，NOx年度排放總量減少86.8 t，如表3 所示。

表3 燃機脫硝改造前后的NOx含量比較

4 結語

綜上所述，煤化工合成氨是化工行業常見的工藝，近年來隨著 “雙碳” 目標的提出，對合成氨裝置的運行提出新的要求，如何節能減排成為企業及從業人員關注的要點。本文介紹了煤化工合成氨的工藝方法，在裝置運行的各個階段采取節能優化措施，提高了裝置的運行效率和可靠性，減少了原料煤的消耗，降低了系統電耗，提升了熱量利用效率，具有一定推廣價值。