煤化工合成氨工艺分析及节能改造措施

[摘 要]本文简述了煤化工化肥厂合成氨的工艺流程，提出了合成氨工艺流程的节能措施与改造技术，以最大限度的降低合成氨装置的生产成本及搞好装置的挖潜增效工作。

[关键词]煤化工、合成氨、工艺、节能

中图分类号：TQ113.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0118-02

前言

氨是化学工业的重要原料之一，在国民经济中具有非常广泛的用途。我国合成氨技术发展较为迅速，在工艺流程、技术改造、节能降耗等方面都有重大进步。合成氨工业生产的技术改进重点是放在采用低能耗工艺、充分回收及合理利用能量上，主要是研制性能更好的催化剂、降低氨合成压力、开发新的原料气净化方法、降低燃料消耗、回收和合理利用低位热能等进行技术改造，以降低能耗，提高经济效益。

一、煤化工合成氨的工艺流程分析

合成氨的生产过程，粗略的讲可以分成五步：原料的制取、原料的净化、原料的精炼、氨的合成、氨的分离。

（1）原料气的制取

煤气化法是我国合成氨的主要制气方法。煤气化法是指用蒸汽、氧和其他气化剂对煤进行高温加工，使煤转化为氢及一氧化碳等可燃性气体。对于气态烃类，工业上普遍采用二段蒸汽转化法制取合成气。重油部分氧化法是以重油为原料，利用氧气进行不完全燃烧，使烃类在高温下裂解与燃烧产生的水蒸气与二氧化碳在高温下与甲烷进行转化反应，从而获得以氢气和一氧化碳为主体的合成气。

（2）原料气净化

无论任何方法制得的粗原料气，除含氢和氮外，还含有硫化氢、有机硫、一氧化碳、二氧化碳和少量氧等。净化是指对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氨气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

1）一氧化碳变换。在合成氨生产中，各种方法制取的粗原料气都含有大量的一氧化碳，共体积分数一般为12%-40%。合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。通常，需先经过一氧化碳变换反应，使其转化为易于清除的二氧化碳和氨合成所需要的氢。

因此，一氧化碳的净化过程既是原料气的净化过程，又是原料气制取的继续。最后，少量一氧化碳可通过铜液洗涤法、液氨洗涤法或者低温变换连串甲烷化法加以脱除。以煤为原料的煤化工化肥合成氨装置，一氧化碳变换工序耗用大量外供蒸汽，是工厂的主要能耗工序之一。因此，降低一氧化碳的能耗是煤化工化肥合成氨装置节能工作的重点。

2）原料气脱硫脱碳过程。各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除干净。在合成氨的生产过程中，二氧化碳又是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵的重要原料，二氧化碳的脱除及其回收利用是脱碳工序的双重目的。以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法（Rectisol）、聚乙二醇二甲醚法（Selexol）等。

粗原料气经一氧化碳变换以后，变换气中除氢气外，还有二氧化碳、一氧化碳和甲烷等组分，其中以二氧化碳含量最多。二氧化碳既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。因此变换气中二氧化碳的脱除必须兼顾这两方面的要求，一般采用溶液吸收法脱除二氧化碳。根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法（Rectisol），聚乙二醇二甲醚法（Se1exol），碳酸丙烯酯法。一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。

（3）原料气精炼

经一氧化碳变换和二氧化碳脱除后的原料气尚含有少量残余的一氧化碳、二氧化碳、氧和水等杂质。为了防止它们对合成催化剂的毒害，原料气在送往合成之前，必须经过精炼。原料气的精炼方法一般有三种，即铜氨液吸收法、甲烷化法和深冷液氮洗涤法。

（4）氨的合成

合成工段在合成氨生产中是最后一道工序，它是在高温、高压和有催化剂存在的条件下，将由精炼工段来的经过一系列处理的合格氢氮混合气体在合成塔内进行化合反应，合成为氨。氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%-20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。氨的合成工序基本由三部分组成，即在高温、高压和催化剂参与的条件下，氢与氮的混合气在合成塔中合成为氨；反应后的混合气体经回收、冷却、冷凝分离出产品氨；未反应的气体和补充的新鲜气体在升压后返回合成塔继续进行合成氨的反应。整个系统构成一个循环。氨合成工段是整个合成氨工艺流程的核心。氨合成工段的生产状况直接影响到工厂成本的高低，是合成氨厂高产低耗的关键工段。

（5）氨的分离

在合成塔内的合成反应由于受反应平衡的限制。仅有部分氢氮气体合成为氨，尚有大部分氢气和氮气未反应。因此，为了充分利用合成塔出口混合气中未反应的氢气和氮气，同时也为了得到纯净的产品氮，需要将氨从混合气中分离出来。氨的分离一般采用两种方法。一种是水吸收法，另一种是冷凝分离法。目前，我国大型氨厂都采用冷凝分离法分离氨。冷凝分离法是通过氨冷的方法使混合气中的气态氨冷凝为液态氨，然后通过分离器进行气液分离。

二、合成氨的节能措施

谈到煤化工的节能减排措施，人们首先就会自觉地从“源头削减、过程控制、末端治理”出发，想到生产技术进步、淘汰落后产能、产业结构升级、加强废物回收利用、甚至加强循环经济等措施。在当前煤化工产业处于方向性选择的关键时期，煤化工的节能减排措施还应外延到更深的层次，探索发展模式的升级、发展方式的转变。

（1）核心装置氨合成塔的改造

氨合成塔是煤制合成氨装置的核心部分，它对催化剂的质量要求比较高，强调气体在催化剂床层需处于均匀分布的状态，对氨合成塔技术的改进要简化煤制合成氨装置的操作，提高调节控制的可操作性，提高运行效率，增加安全性能，降低消耗，增加合成氨的制造。在大量研究的基础上，现阶段得到较为广泛认同的对氨合成塔改造的技术有S-100 型氨合成塔以及S-200型氨合成塔，这两种氨合成塔都充分地运用了托普索工艺，是应用托普索工艺的最好典范。S-100 型氨合成塔是由丹麦托普索公司在1964年推出来的，它是一种径向流动激冷型氨合成塔，结构简单且运行稳定，更容易制造合成氨，热能利用相对简单，操作便捷，对于催化剂的使用量也比较少，合成氨的产量相对较高。S-200型同样也是由丹麦托普索公司在1975-1976年开发出来的一种层间换热双层径向氨合成塔，它更改了合成氨的行程将其缩短了，减小了阻力，降低了对催化剂质量的要求却扩大了催化剂单位体积的表面积，提高了煤制合成氨装置的生产能力，提高了所生产的合成氨的浓度以及净值度。

（2）设备优化节能

合成氨操作的设备很多，包括流体输送设备，塔设备，换热设备等，每一类设备都有他独特的节能方式。

1）塔设备的改造，采用塔前预热器的合成氨工艺。采用这种工艺可以大幅度降低冷却水的消耗。通过预热塔气体，减少合成塔内换热器的负荷。当中锅蒸汽压力不变时，合成塔下段换热器负荷基本不变，实际上减少的是上段换热器负荷。减少合成塔内换热器负荷，从而提高合成塔的容积利用系数、催化剂装填量及合成塔的生产能力。塔内换热器负荷的减少，相应增加了中锅负荷，从而可提高中锅蒸汽产量。

2）流体输送设备的改造。用变频调速通过改变电机定子的供电频率来达到电机的调速，它可以根据电机负载的变化实现自动平滑的增速或减速。电动机效率高、调整范围宽、精度高，且能实现无级调速，节电效率在20% -30%。分析系统存在的高能消耗的原因，准确找到设备与流通输送相匹配的最佳工况点，采用系列高效节能泵；对负荷变化较大的系统，安装必要的自动控制系统，降低由此引起的能耗。

3）换热设备的改造。通过采用各种高效换热器，如折流杆异型管换热器、波纹管热交换器、板式换热器、热管式换热器等在合成生产中取得了一定效果。以蒸发式冷凝器为例，该设备使用了高效传热元件加以优化组合，大大提高了换热效果与冷却效果，达到节电与节约冷却水用量的节能效果，取代了传统立式的水冷冷凝器。

（3）改进废水的循环利用技术

由于工厂致力于原料的节约使用，在很大程度上都是使用碎煤原材料，而在碎煤加压等技术方面没有得到重视，导致煤气水中的焦油和粉尘分离的不彻底，使得煤制合成氨装置经常会出现管道阻塞、无法长周期的运行等问题。针对废水的循环利用技术改造，要对焦油、煤粉进行二次甚至是多次沉降，适当延长煤气水的沉降时间，但是此种的沉降要在原一级沉降分离的基础上进行。同时还要增加气浮装置，争取在进行了二次沉降或是多次沉降后，较低煤气水当中的油质量浓度和悬浮物，减少煤制合成氨装置堵塞概率的发生，提高装置的运行效率。此外，还应该改进煤气水洗涤煤气的流程，多地运用逆流洗涤，对于不同程度的气采用干净度不同的水来进行清洗，分层次分阶段提高煤气水的利用率，尽最大程度地实现煤制合成氨的节能。

（4）改进废气吸附净化技术

对于废气吸附净化技术的改进要充分考虑脱碳和提氢两个部分。一般是采用十塔操作技术，十塔操作主要是指将原料同时放入到三塔当中去，再在六塔中进行均衡的压制，之后进行有秩序的摆放，再将经过了九塔操作的材料放入到最后一个塔中去实行抽真空解吸，十塔操作过后就可以得到合格的产品气了[3]。在进行十塔操作的同时应加入托普索工艺，托普索在吸附硫等废气方面也有很大的功效，将它与低温甲醇洗、甲醇蒸汽转化变换装置有机地结合在一起，一定程度上减小了对原有的煤制合成氨装置的改动工程，能够最大化地实现大型煤制合成氨装置增产节能的效果。

（5）合成氨工艺流程的其它节能措施

1）添加合成排放气回收氢装置。此装置具有节省原料氢消耗，允许二段炉出口甲烷含量较高和降低惰性气含量的优点。

2）提高表面冷却器效率。这是普遍使用的节能改造的措施。

3）采用压降低净值高的径向合成塔代替陈旧的老合成塔。 这一措施不但可以节省循环功和冷却功，还可以降低原料气消耗。

4）设置一段燃烧炉空气预热器。

5）脱碳过程的节能。例如采用两段再生、贫液再生和更换新的活化剂等。

6）完善热回收系统和利用低位热。改造热回收系统可使更多的废热产生蒸汽，使原料气和空气进行蒸汽预饱和。设置氨吸收制冷装置可利用多余的低位能热量，以供合成氨冷凝所需冷量。

7）在甲烷化前后采用选择性氧化和分子筛干燥工艺。 这可有效提高合成气的利用率和改善氨合成工艺并降低能耗。

8）提高氨合成的水冷氨量，减少氨冷系统热损失，降低铜液所需冷冻量，可以有效降低电能消耗。

结束语

随着世界能源紧缺和价格不断上涨，合成氨工业正面临新的创新和改革。合成氨工业的节能降耗、减排增效成为当务之急，完善合成氨工艺，采取节能降耗措施，合理高效利用能源，从而更好推动合成氨产业的结构调整，今后的发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善其经济性。

参考文献

[1]李怀亮.合成氨工艺流程的改革[J].化肥工业，2009（05）.

[2]韩明山.合成氨生产技术探讨[J].化学工程与装备，2011（5）.

[3]郭启星.合成氨工艺与技术节能探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2009（06） .