煤化工合成氨工藝分析及節能優化對策

缪傳耀

摘 要：化工技術的應用爲社會經濟發展貢獻瞭很多化工制品，爲人們生産生活創造瞭很多便利條件，合成氨在工業、農業及醫藥等諸多領域内均有應用。但因生産制造技術的制約，造成當下的合成氨工藝實施過程中存在著很大問題。從闡述煤氣化原理著手，總結煤化工合成氨工藝的基本流程，以實現節能生産爲目标，探究幾點可行的優化對策。

關鍵詞：煤化工；合成氨；工藝分析；節能優化

0 引言

       建國以後我國化工技術快速發展，其中合成氨工藝在發展中取得的進步是顯而易見的，其在社會 多個行業發展中得到瞭(le)廣泛應用，爲經濟持續發展做出瞭(le)突出貢獻，故而其需求量也是龐大的。合成氨的工藝在持續改進中占據著(zhe)主導地位，但主要的合成技術依然是用煤氣直接合成氨。這種工藝自身存在著(zhe)生産效率偏低、能源消耗量較高等不足，故而應結合 實際情況有針對性地改進設備裝置與技術應用，持續完善催化劑，力争将能耗量降到最低，確保煤化工經濟穩步提升。

1 煤氣化原理

       煤氣化工業活動推進時，就是在高溫高壓環境下使煤炭内的有效燃燒成分與氧氣、水蒸氣等發生化學反應，促進固體煤炭轉化成可燃性氣體。在業内，氣化以後的煤化煤氣通常被叫做合成氣，參與氣化反應的裝置被稱之爲汽化爐或煤氣發生爐。從宏觀層面上，煤炭氣化過程通常被細化成如下四個不同階段，即幹燥、燃燒、熱解、氣化，其中隻有煤炭幹燥屬於物理制備過程，其他過程均屬於化學反應的範疇 ^[1]。氣化爐内煤炭在高溫條件作用下會發生熱解反應，自身分解並釋放出大量的揮發性物質。揮發性物質後期在進一步加熱升溫過程中和加進爐内的添加劑發生化學反應，生成很多氣态物質，包括一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水等，以上物質經再次加熱反應、冷卻以後通常就能成功制成合成氣。

2 煤化工合成氨工藝的主要流程

2.1 制取原料氣

       這是煤化工合成氨工藝執行的首個環節，即制取合成氨工藝執行過程中所需的原材料。當前，多採用煤化氣法制備煤化工藝的合成氨原材料，其通過促進蒸汽、氧氣和其他催化劑反應實現對煤的高溫加熱，借此方式使煤炭分解成氫氣與一氧化碳等可燃性氣體。随後應用二段蒸汽的工法完成轉化，進而實現合成氣體的目的。

2.2 原料氣的淨化

       當前，工業上原料氣的制備尚未實現精細化，現場制取所得的原料氣内摻雜著很多硫化物、一氧化 碳、二氧化碳以及微量氧氣，爲瞭提升原料氣的純度， 就一定要更加嚴格地執行原料氣的淨化工作。這種淨化工作執行的目的主要是剔除原料氣内除氫氣與氨氣以外的所有雜質。客觀上講，以上這種去除方法不 能徹底剔除雜質，且理論上講沒有哪種物質的純度能 達到 100%，純度的提升還是要依靠脫硫及脫碳工作進行。首先，去除一氧化碳是一項難度較大的操作内容，爲瞭提升這種雜質的去除效果，生産實踐中可以先對一氧化碳進行轉化處理，使其轉變成較易剔除的二氧化碳與部分氫氣。這樣一來，不僅能顯著提升雜質的去除效率，還能提取到更多的氫氣原料，爲合成 更多氨氣提供更充足的準備。在該步驟中，工作人員一定要注意的問題是，清除一氧化碳的過程可以被看作是制取原料氣的一種延續形式，這主要是由於實際制取過程中部分一氧化碳會轉換成氫氣^[2]。其次，一氧化碳清除工作結束後，就可以進入到硫化物的清除工序，即 脫硫過程。執行脫硫工藝的目的一方面是爲提升合成氨的質量，另一方面因爲硫化物自身帶有一定毒性，若清除不及時可能會對合成氨制取過程安全性構成威脅。當下，實現工業脫硫可以採用的方法較多，相比之下理化吸收法與低溫甲醇洗法是常用工法。粗原料氣經過一氧化碳轉換以後，變換氣内不僅有氫氣，還存在著部分二氧化碳、一氧化碳與甲烷等成分，二氧化碳含量占比相對較高。最後，很多研究表明，二氧化碳不僅是氨合成催化劑的一種常見毒物，也是尿素、碳酸氫铵等氮肥生産制備時的一種重要原料。故而脫除變換氣内二氧化碳時一定要兼顧以上這兩方面要求，當前，溶液吸收法用於二氧化碳脫除工藝中表現出良好的效能。

2.3 原料氣的精煉

       合成氨原料經一氧化碳轉換與二氧化碳脫除工藝以後，其内依然殘留著少量的一氧化碳、二氧化碳、氧與水等雜質。爲瞭将以上物質對合成氨催化劑産生的毒害作用降到最低，在把原料氣送到合成工序之前，工作人員一定要對其進行精煉處理。當下，精煉原料氣普遍採用的方法有如下三種：一是銅氨液吸收法；二是甲烷化法；三是深冷液氮洗滌法。

2.4 氨的合成

       理論上講，氨的合成是合成氨的生産工藝中核心環節，上文針對原料氣執行的所有制取、淨化、精煉均是爲更高效地完成合成工藝服務，進而制備出純度最 高的氨。氨的合成一定要在高溫、高壓且有催化劑輔助的條件下進行，合成條件的特殊性直接決定瞭氣體内氨含量偏低，通常含量範圍是 10% ～ 21%，在這樣的工況下爲明顯提升氨的含量，就一定要配合應用氫氣-氮氣的循環系統 ^[3]。基於持續的循環過程提升氨的分離效率，提升合成氨的整體合成效率。

2.5 氨的分離

       合成塔内合成氨工藝的執行情況受反應平衡條件的制約，事實上隻有部分氫氣、氮氣會成功合成爲氨，未參與反應的氫氣和氮氣占比較高。爲提升合成塔出口混合氣内未反應的氫氣與氮氣資源的利用效率，且獲得純度更高的氨産品，将氨由混合氣内分離出是一項十分關鍵的工序。當前分離氨多採用如下兩種方法，其一是水吸收法，其二則是冷凝分離法，當下國内很多大型氨廠優先採用第二種方法分離氨，其原理主要是利用氨冷卻的方法促使混合氣内氣态氨在較短時間内冷凝成爲液态氨，而後利用分離器促進氣、液的有效分離。

3 合成氨工藝的節能改造

3.1 氨合成塔

       氨合成塔爲煤化工合成氨設備的重要構成，其在運行過程中對催化劑的質量提出較高的要求，側重點是實現在催化劑床層上氣體自身達到均勻分布，氨合成塔技術改進及節能優化的途徑主要是精簡煤制合成氨裝置的操作過程，最大限度地提升控制過程的可操作性，提升整個裝置的實際運行效率，提升安全性，減少能源消耗量，最後制造出更多的合成氨材料。當下，我國針對氨合成塔的技術改造主要是使用 S-100 型、S-200 型、S-300 型氨合成塔，以上這三種氨合成塔均應用瞭托普索工藝。其中，S-300 型氨合成塔的結構主要是三穿層二段中間換熱式，壓力達到 15.0 MPa，必須要配置應用托普索專用催化劑，塔徑 2 400 mm，塔溫控制方法可以做出如下闡述：主線走塔中，副線走塔壁，主線和兩條副線協同功控制三床層溫度。托普索氨合成工藝流程 ^[4] 如圖 1 所示。

       源於精制工序的新鮮合成氣 (30 ℃，3.2 MPa) 被合成氣壓縮機壓縮段加壓、段間冷卻處理以後，和始源於冷交換器内循環氣合並到壓縮機循環段，混合氣壓 力最後上升到 15 MPa，從壓縮機送出。經壓縮以後的 合成氣被熱交換器預熱以後，從下部進到合成塔，以中 心管爲依托抵達上部，而後經由内、外筒兩者之間的環 隙順著徑向依次進到催化劑床層、換熱器内發生相應二段化學反應 ^[5]。出合成塔的反應氣 ( 大概 414 ℃，含氨體積分數 22% 左右 )，預熱器回收熱量以後被整合到熱交換器壓縮機出口氣體，而後再經水冷器、冷交換器、一級及二級氨冷器處理，最後被冷卻到 0 ℃進到氨分離器，在氨分離器内冷凝氨順利分離出來，分離氨 後所得循環氣經冷交換器回收以後進到壓縮機循環段 並和新鮮氣彙合，重複執行以上循環過程。由氨分離器分離出的液氨會被整合到氨閃蒸槽，基於減壓工藝 (-3.2 MPa) 成功閃蒸出溶解的氣體，閃蒸以後的液氨會被統一送到冷凍工序，而閃蒸氣體會被送到合成氣壓縮機入口，最後整體返回到合成系統。

3.2 廢水循環利用技術的改進

       合成氨的生産工藝内，大部分生産者爲瞭減少成本支出，通常選用碎煤作爲生産原材料，碎煤生成煤氣 以後其内的焦油與粉塵並沒有實現完全分離，這是造成 當前合成氨工藝生産管道内局部堵塞的主要原因，進而導緻合成氨生産中的熱損失量顯著增多。另外，採用适宜的方法提升廢水利用效率也有助於減少合成氨生産 實踐中煤能源的消耗量 ^[6]。對於廢水循環利用技術的改造，需要對焦油、煤粉進行二次或者多次沉降處理，且要在此基礎上增設氣浮裝置，力争在進行二次或多次沉降以後，煤氣水内的油質量濃度與懸浮物含量均處於較低水平，降低煤化工合成氨裝置堵塞事件的發生率，在這樣的情境下整個裝置的運行效率會顯著增加。

3.3 換熱器的改造

       即對換熱器設備進行升級改造，配置應用高效型換熱器完成設備與管線的傳熱過程，比如波紋管、異型管及闆式換熱器等。現行生産中，企業大多選擇蒸發式冷凝器，採用優化整改這種内部換熱元件的辦法，能夠顯著提升其換熱成效與冷卻能力，進而確保換熱效率處於較高水平，減少能源消耗量。

3.4 流動設備

       即採用變頻控制設備管理控制流動設備的使用情況，既往使用的設備控制方法是通過固定供電頻率 去控制設備，啓動設備環節執行的操作不夠平滑，可能導緻損失掉大量的電力資源。而改用變頻控制方法以後能夠真正達到平滑的增速或減速，既往有資料記載其節能電效率大概爲 20%^[7]。除此之外，還可以嘗 試應用合成排放氣的氫同收設備 (如膜提氫裝置等)， 這種方法能明顯減少原料氫的消耗量。

3.5 分子篩節能方法

       當下，已經有很多企業将分子篩技術用於合成氨工藝實踐中，其最大的特點是能顯著提升進入合成塔内的水、CO₂、CO 等雜質的淨化效率。既往即有公司採用這種方法對合成車間進行瞭技術改造。

       新增設的分子篩幹燥系統以後的節能措施主要有：(1) 該系統投用後，進入塔氣内的 CO₂、H₂O 和 CO 含量顯著降低，這就代表合成氨氣體質量顯著提升，在這樣的工況下催化劑自身活性顯著提高，自身的使用壽命明顯延長；(2) 運用分子篩後，回路内 “冷”“熱”位置布置更加合理化，弛放氣處被設置在分氨後面，方位更加科學化，能夠節約弛放氣過程中氨冷器的氨冷量；(3) 新增系統實現正常運作以後，系統壓力會顯著降低，繼而明顯減少瞭因新增系統而引起的合成氣壓縮機高、低壓缸兩者之間大量壓力損失的情況，減少瞭壓縮機自身功效損失量^[8]。

3.6 配置合成冷卻系統

       伴随出塔氣源源不斷地進到水冷器，冷卻到一定溫度以後，氣體就被分成兩股，一股依次被一級、二級氨冷器冷卻處理，另一股於並聯換熱器被一 23 ℃的 循環氣冷卻，而後兩股氣液混合物聚集，再整體進到三級氨冷器冷凝到一 23 ℃。

       以上氣液混合物運輸到高壓氨分離器以後，液相進到低壓氨分離器，不凝組分被成功分離以後便順利獲得産品液氨；氣相進到並聯換熱器管程用在冷卻局部出塔氣，由並聯換熱器出來，随後會有較小股氣體被作爲合成回路弛放氣。因爲弛放氣内的氨經高壓氨分離，其内多數液氨，故而弛放氣無需再經過初有的弛放氣氨冷器與分離器，故而本次技術改造後可以撤離以上這兩種設備^[9]。且建議在並聯換熱器的冷側增設旁路，利用其調控入洗氨塔弛放氣的溫度值。另外，多數氣體會被作爲循環氣，返回至壓縮機循環段入口達到循環使用。

4 結語

       合成氨的生産情況直接影響煤能源的消耗情況，故而相關部門應重視合成氨工藝流程分析，結合實際情況對合成氨工藝進行技術改造，使我國可持續發展戰略實施及節能環保目标達成有更可靠的支撐。

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