合成氨系统废热资源综合利用的研究与实施

赵哲军 ， 崔文科 ， 刘世斌

(1.太原理工大学 ， 山西 太原　030024 ； 2.山西阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司 ， 山西 运城　044000)



合成氨系统废热资源综合利用的研究与实施

赵哲军1， 崔文科2， 刘世斌1

(1.太原理工大学 ， 山西 太原030024 ； 2.山西阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司 ， 山西 运城044000)

摘要：利用低品位废热和甲醇废热锅炉蒸汽替代燃煤锅炉产生的蒸汽，降低煤耗；利用废气混燃锅炉的烟道气加热烘干型煤，减少燃料煤的使用，减少生产过程中的电力和蒸汽消耗。通过一系列节能改造，提高资源利用率，减少环境热污染，合成氨和甲醇产能利用率提高，有效降低总能耗和单位产品综合能耗，减少污染物排放。

关键词：废热利用 ； 节约资源 ； 保护环境 ； 能耗

为贯彻落实国家治污减排措施，加大节能降耗技术的开发，现对山西阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司平陆分公司(以下简称“平陆分公司”)能够利用废热资源的各个工段进行改造，有效降低公司总能耗和单位产品的综合能耗，提高能源利用效率，改善和保护环境。

1项目实施前存在的技术问题

1.1项目实施前的情况

平陆分公司主要产品为合成氨、碳铵、甲醇和乌洛托品，主要生产装置包括：煤气发生炉、锅炉、废气混燃锅炉、余热回收锅炉、反渗透装置、罗茨风机、脱硫装置、变换炉、氢氮气压缩机、碳化塔、离心机、PSA脱碳装置、Ф800甲醇合成塔、铜塔、冰机、循环机、氨合成塔、甲醛反应器、乌洛托品反应器等。

生产中主要耗能设备为：煤气发生炉、锅炉、压缩机、电炉、冰机、循环机、水泵、真空泵、离心机、循环水泵、风机等。主要用能设备见表1。

1.2生产存在问题

①平陆分公司用原煤是由集团公司供应的粒级煤，每年产生末煤量2.5万t左右，由于市场末煤价较低，难以出售，给公司造成亏损；②平陆分公司现有造气炉6台，煤气化过程中需大量过热蒸汽，目前造气工艺蒸汽主要由废气混燃锅炉、造气炉夹套供应以及三聚氰胺副产0.4 MPa蒸汽、合成废热锅炉副产蒸汽，另有锅炉蒸汽作为补充；由于蒸汽供应不稳定，蒸汽量不足，经常要加大锅炉负荷，烟煤消耗也随之增加；③平陆分公司采用碳化、联醇和铜洗工艺，铜洗一旦发生事故，严重污染环境，属于国家明令淘汰的工艺。

表1　主要用能设备表

2解决目前存在问题的技术方案

本项目实施后主要生产工艺流程不变，对工艺流程中的部分工艺进行节能减排、资源综合利用技术改造。

2.1利用废气混燃锅炉尾气热源加热型煤项目

2.1.1生产工艺

利用阳泉粒级煤产生的末煤加工成型煤入炉造气。根据平陆分公司掺烧20%型煤的试烧情况，型煤对造气工艺、消耗、气体成分影响较小。造气型煤生产有五道工序，具体流程如下：①原煤粉碎。原煤末煤(粒度≤6 mm)经皮带机输送到笼式粉碎机。皮带机上方装有电磁除铁器，除去原煤中的金属杂物，保证粉碎机的安全。粉碎后粉煤粒度达到2 mm以下。粉煤通过皮带输送机进入第一级双轴搅拌机。②黏结剂配制。按照一定比例将水、褐煤、片碱依次加入制备桶内，搅拌均匀后，通入蒸汽，升温至90 ℃以上，保温、搅拌2 h即可使用。③粉煤加胶及沤制。将制备桶内制好黏结剂均匀地加入第一级双轴搅拌机，与粉煤混合、两级搅拌。通过皮带机输送到沤制池，堆沤60~72 h。④型煤成型。用铲车将沤制池内沤制好的煤铲入煤斗，经给料机、除铁器、皮带机输送至单轴搅拌机，进入型煤成型机。⑤烘干。成型后的湿型煤通过皮带机输送到烘干箱内。用废气混燃锅炉(俗称“二改一锅炉”)烟道尾气引入到烘干仓，蒸发水分。烘干后的型煤通过塔底出料口和皮带机直接送到造气炉或型煤仓斗中。烟道气加热型煤项目工艺图如图1所示。

图1　烟道气加热型煤项目工艺图

2.1.2主要工艺指标

原煤产地及品种：山西阳泉地区无烟煤。工艺指标：①水分含量≤6%；② 挥发分5%~8%；③ 灰分<20%；④ 硫分<0.8%；⑤ 固定碳≥73%；⑥ 灰熔点≥1 200~1 300 ℃。

型煤制作工艺指标：①粉碎后原煤粒度要求≤2 mm；② 沤制煤水分：12%~13%；③ 成型后湿型煤水分≤14%；④ 烘干后型煤水分≤5%。

2.2三聚氰胺废热利用项目

平陆分公司三聚氰胺尿洗塔闪蒸罐副产大量低品位蒸汽，压力0.1~0.13 MPa(表压，本文所述压力均为表压)，温度约120~125 ℃，蒸汽8~10 t/h，需经水冷后外排，造成热能浪费和环境热污染。公司对其低品位余热蒸汽进行回收，将该副产蒸汽通过Φ325管，送至造气，压力约0.08 MPa，温度105~110 ℃。与造气炉夹套、合成废锅蒸汽混合进入缓冲罐闪蒸，供造气炉使用，以达到减少和停用燃煤锅炉蒸汽，降低煤耗。三聚氰胺废热利用工艺图如图2所示。

图2　三聚氰胺废热利用工艺图

2.3醇烷化改造项目

用醇烷化工艺替代铜洗工艺，工艺图如图3所示。即在现有Φ800甲醇装置后串联一套Φ1200甲醇合成系统，甲醇系统设置在压缩机六段出口，既保证CO在中压甲醇合成下达到进烷化系统的指标，又不开循环机并争取不挂电炉，降低电耗和气耗。烷化装置在Φ1 200甲醇系统后，可直接利用现场合成氨系统中的部分设施。在Φ1200甲醇合成塔后设置废热锅炉，充分利用甲醇在220~280 ℃反应后的热量，每吨甲醇可产0.8 t的蒸汽(0.8~1.0 MPa)，送入全厂蒸汽管网利用。

图3　醇烷化工艺图

2.4项目实施后总工艺

图4　项目实施后工艺流程图

2.5项目实施后新增设备

表2　新增设备一览表

2.6项目实施后经济技术指标

粉碎后原煤粒度要求：≤2 mm；沤制煤水分：12%~13%；成型后湿型煤水分：≤14%；烘干后型煤水分：≤5%；缓冲罐工作压力：0.06~0.08 MPa；缓冲罐温度：150 ℃；甲醇系统压力：11~13.5 MPa；醇后气CO+CO2含量≤0.6%；烷后气CO+CO2含量 ≤20×10-6。

3项目的实施和实际运行

废热资源综合利用项目由阳煤丰喜平陆分公司提出并实施应用，2013年11月获批复开工建设。2014年12月，各个子项目分别完工，装置进入试运行阶段，试运行3个月后进入正常运行阶段。目前，型煤生产利用废气混燃锅炉烟道尾气热源进行加工运行稳定，甲醇废热锅炉副产蒸汽投入蒸汽管网、三聚氰胺副产蒸汽并入造气系统，全厂蒸汽基本平衡，有效地利用了低品位热源，在正常生产时，可以做到燃煤锅炉停运。项目总体规划合理，设计方案科学，项目实施后，可节约大量能源，达到改善环境的效果。项目实施前后运行数据对比见表3。

表3　项目实施前后运行数据对比

4技术经济效果和效益

按国标《合成氨单位产品能源消耗限额》(GB21344-2008)、《综合能耗计算通则》(GB/T2589-2008)、《企业节能量计算方法》(GB/T13234-2009)，依据工程项目正式运行后的能源消耗量和产量，核算单位产品综合能耗以计算出节能效果。

节能量=Σ改造后产品产能×(项目实施前单位产品能耗-项目实施后单位产品能耗)

合成氨产品节能量为224.991 541 5×106MJ/t；甲醇产品节能量58.615 177 5×106MJ/t；合计节能量283.606 719×106MJ/t。

项目完成后，合成氨单位产品综合能耗降低为41 125.8 MJ/t，较实施前44 881.2 MJ/t降低了6 755.4 MJ/t；甲醇为69 808.6 MJ/t，较实施前436 821.1 MJ/t降低3 872.5 MJ/t，碳铵和乌洛托品改造前后的单位产品综合能耗不变。每年节约标煤9 689 t，与实施前相比，年新增经济效益775.1万元，经济效益显著。

5结束语

项目实施后合成氨单位产品综合能耗较实施前降低3 755.4 MJ/t，甲醇较实施前降低3 872.5 MJ/t，年节约标煤9 689 t，有效降低了总能耗和单位产品综合能耗，减少了二氧化硫、二氧化碳、氮氧化物的排放。项目依托现有技术基础和公用工程设施，减少投资，建设周期短、见效快、投入产出比高。通过废热资源在全厂的综合利用，节约了能源，降低了生产成本，有利于提高企业的市场竞争能力，为企业带来更好的经济效益、社会效益和环境效益。

兰州化物所仿生催化烯烃不对称环氧化研究取得新进展

非血红素蛋白酶广泛存在于哺乳动物、植物、细菌等各种生命体中并已存在了上亿年，它们通过活化大气中的氧气从而生成具有高催化效率和高选择性的金属—氧活性中间体，将这些中间体进一步催化合成和转化成各种生命活动所需的化合物。通过对这些蛋白酶的仿生模拟，可发展出环境友好、高效的催化剂。因此，非血红素蛋白酶的仿生模拟成为当前生物无机化学、仿生催化化学等交叉学科的前沿和研究热点。

中国科学院兰州化学物理研究所羰基合成与选择氧化国家重点实验室孙伟课题组多年来致力于非血红素酶仿生催化氧化研究。最近，他们在前期发展的多手性四氮金属配合物/乙酸/双氧水的烯烃不对称环氧化催化体系的基础上，发展了使用催化量硫酸替代常用的化学计量有机羧酸添加剂的新体系，更大位阻的手性四氮锰配合物可高效、高选择性地催化烯烃(不对称)环氧化反应；与传统有机羧酸体系相比硫酸体系的反应活性和立体选择性均有大幅提高，环氧产物的对映选择性可高达98%。在与韩国梨花女子大学Wonwoo Nam教授对该反应机理研究中发现，硫酸的存在促进了锰过氧化氢(Mn-OOH)物种异裂生成高价金属氧中间体，而硫酸根阴离子作为配阴离子联接到金属锰中心进一步提高了反应的对映选择性。密度泛函理论(DFT)计算也进一步证明了所提出的中间体的合理性。该研究进一步发展了之前报道的有机羧酸体系，构建了一个全新的非血红素酶仿生催化氧化体系，研究成果发表在最近出版的《美国化学会志》上 。

另外，他们还通过在多手性四氮配体所含吡啶环上引入二甲氨基基团后获得了一类新配体，其锰配合物在简单烯烃不对称环氧化反应中的对映选择性得到了进一步的改善，对于苯乙烯衍生物最高可获得93%ee，而对于反式二苯乙烯类底物也可达到90%ee。值得一提的是，二甲氨基的引入也可大大降低反应中有机羧酸的使用量。此外，他们还利用脯氨酸衍生的非血红素锰配合物实现了烷烃和醇类化合物的高效选择氧化。

中图分类号：TQ09

文献标识码：B

文章编号：1003-3467(2016)01-0038-04

作者简介：赵哲军(1978-)，男，高级工程师，从事煤化工生产技术与管理工作，电话：15935979768。

基金项目：山西省运城市专项资金重点支持项目(运财城[2015]96号)

收稿日期：2015-12-08