合成氨装置节能降耗控制措施

文 涛,魏常星

(1.河南能源化工集团煤气化公司 义马气化厂，河南 义马 472300；2.河南兴发昊利达肥业有限公司，河南 辉县 453000)

合成氨装置节能降耗控制措施

文 涛1,魏常星2

(1.河南能源化工集团煤气化公司 义马气化厂，河南 义马 472300；2.河南兴发昊利达肥业有限公司，河南 辉县 453000)

为了降低生产成本、节能降耗、减少污染物和排放总量，对氨合成装置工艺原理有流程进行了阐述，并论述了系统节能降耗优化操作及氨合成的节能降耗改进措施。

氨合成；单耗；优化

0 前言

义马气化厂12万t/a甲醇弛放气合成氨装置采用低压氨合成工艺技术，利用膜分离与变压吸附串联技术提取甲醇弛放气中的氢气，再与空分装置的中压氮气按照一定比例混合，在铁系催化剂作用下合成氨。为降低装置生产能耗，从生产、管理方面深挖节能降耗潜力，从生产实践角度简单分析了能源损耗的原因，总结了一些具体的节能降耗措施。

1 合成氨装置工艺原理及流程简述

合成氨装置主要包含工序有：合成气压缩、合成气精制、氨合成、冷冻，针对各工序工艺流程进行简介。甲醇弛放气联产合成氨装置流程简图见图1。

图1 甲醇弛放气联产合成氨装置流程图

1.1 合成气压缩系统630#

来自空分分厂的中压氮气与来自变压吸附的中压氢气进行配比形成新鲜气，经过氨合成压缩机低压缸一段，送入合成气精制装置，除去新鲜气中的氧元素后返回压缩机低压缸二段，高压缸一段压缩后，与合成系统分离后的循环气混合后经压缩机高压缸二段压缩送至氨合成装置，进行氨合成反应。

1.2 合成气精制系统620#

本装置原料气来自甲醇合成弛放气回收得到的纯H2，配入空分工艺氮气。气体中可能残留有微量的CO、CO2及O2等对氨合成触媒有害的杂质，因此本装置的主要任务是对合成氨原料气中微量的 CO、CO2及O2进行精脱除，为后序提供合格的原料气。气体精制是在一定温度下，CO2、CO、O2与H2进行反应，其反应机理为：

1.3 氨合成系统632#

合成氨装置是利用符合要求的氢气和氮气压缩到一定压力，在高温和催化剂作用下合成生成氨气并冷却分离得到产品液氨的过程。

采用的Φ2000全径向氨合成塔及配套合成废锅，合成气出废锅后经热交换热器出口约72 ℃气体进入水冷器，温度降低至约37 ℃进入冷交换热器换热继续降低温度，反应气中的氨部分被冷凝，冷凝的液氨在一级氨分离器被一次分离。一次分氨后的气体约23 ℃依次进入一级、二级氨冷凝器，温度降至约-9.7 ℃与新鲜气汇合进入氨分离器进行二次分氨。二次分氨后的气体经冷交换器换热至约32 ℃进入压缩循环机循环段。一级氨分离器、二级氨分离器分离出的液氨，减压至1.6 MPa进入液氨换热器再进入液氨闪蒸槽，液氨经过闪蒸槽液位调节阀送到液氨储槽。

1.4 冷冻系统633#

氨合成塔只能将一部分氢氮气合成为氨，为了使产品氨与未反应的气体分离，需要采用降温冷凝的方法。降温所需的冷量，由冷冻工序的液氨蒸发来提供，蒸发后的低温、低压气氨经螺杆压缩机(冰机)压缩成高温、高压的气氨，再经冷却液化成液氨送至氨冷器减压蒸发，这样就构成了整个制冷循环。

2 精制系统节能降耗优化操作

2.1 实施背景

氨合成精制系统使用的催化剂为KJ108-2Q型甲烷化催化剂，使用温度：250～430 ℃，高压蒸汽主要用于控制精制反应器的温度，以保证甲烷化催化剂能够正常工作。

由于使用的气体组分中有氧成分CO+CO2+O2较低，精制出口在线分析CO+CO2+O2≤3×10-6，精制反应器在正常投用时造成高压蒸汽的浪费。为了降低氨合成蒸汽单耗，分厂讨论决定在保证氨合成各项工艺指标的前提下，降低精制反应器温度，减少蒸汽单耗。但由于目前国内氨合成装置无类似情况，无法借鉴，分厂在与氨合成催化剂厂家沟通后，建议将精制反应器床层温度维持≥220 ℃的催化剂起活温度，精制出口在线分析CO+CO2+O2≤20×10-6。基于以上原因，分厂制定各项管控措施，加强在线分析监控，定期进行取样分析对比，确保CO+CO2+O2控制指标范围内，将精制反应器温度(厂控工艺指标)TIA62005/06控制值由280～415 ℃修订为220～260 ℃，蒸汽耗量由10 t降至约5 t。

2.2 基本内涵

在确保氨合成装置安全稳定运行的前提下，控制精制系统CO+CO2+O2≤20×10-6，减少蒸汽使用量，节约资金，降低单耗。

2.3 控制措施

①保持精制系统工艺流程不变，仅停用高压蒸汽，对反应器降温，在新鲜气指标突破时能够随时投用。②稳定PSA装置运行，确保产品氢气中的CO+CO2+O2微量组分含量<10×10-6。③每日对中压氮气中O2含量进行分析，>20×10-6时，及时联系调度室调整(空分系统有大的波动，造成中压氮气中O2含量指标上升时，需要调度室及时告知分厂)。④利用精制系统出口在线分析仪，监控新鲜气CO+CO2+O2微量组分含量，每日手动分析一次数据校对在线准确性；在线分析仪(CO+CO2+O2)和微量超出报警值(20×10-6)时，及时加样分析比对，查找原因，视情况降负荷进行观察。⑤在线分析仪(CO+CO2+O2)和微量超出30×10-6时，及时加样分析比对，查找原因，视情况降负荷运行，同时高压蒸汽及时投用，对精制系统升温，投用精制催化剂。

2.4 效果

通过近期试运行期间各项数据观察，合成氨精制反应器温度调整后，氨合成工况运行正常，各项数据均在控制范围内，同时氨合成精制系统可节约高压蒸汽5 t/h左右，按蒸汽80元/t，每年运行8 000 h计算，每年可节约320万元左右。根据氨合成运行情况，分厂将继续调整精制反应器高压蒸汽用量，若精制系统停运，可节约高压蒸汽10 t/h。截止目前为止，该方法效果较明显，建议可在同类装置中推广应用。

3 氨合成节能降耗改进

3.1 实施背景

惰性气(CH4、Ar)含量的增加，对氨合成反应的化学平衡和反应速度均不利，理论上是越少越好。但实际生产中惰气是由新鲜气带入的，随着反应的进行，惰气量会不断地积累增加，因此必须排放部分气体以控制惰性气含量。

3.2 改进措施

合成氨装置合成系统放空位置原来是位于一级氨分离器后，通过HV63205进行控制。但出一级氨分离器的循环气中氨含量约在11%，为减少氨气的放空量，降低生产成本，可将放空点移至冷交换热器出口后，此处循环气中氨含量在3%～4%，见表1。

表1 改进前后放空气体分析数据对比 %

3.3 效果

合成系统需进行排惰性气放空时，利用技改后的管线进行控制可大幅度降低排放气量中的有效组分，减少氨气浪费。提高氨合成塔反应温度，提高氨产量。

项目效益估算：改造后能保证放空中的氨气有原来浓度由11%降至浓度3%～4%，进一步提高氨的回收率。按照当前间断性开阀开度为3%～5%，一天8 h为准(最大放空量4 000 Nm3/h)，所以每天放空960～1 600 Nm3的气氨。改造后，每小时能减少6%～8%氨气放空，减少排放氨气1.46～1.94 t，可节约3 000元左右。既有经济效益也能达到社会效益。

4 结语

当前，节能降耗不仅是合成氨企业，降低成本、提高竞争力的关键。技术改造和科技进步是合成氨企业实现节能减排的重要手段。通过采取以上措施，使合成氨装置依靠优化操作和技改取得了较大成绩，每吨液氨耗高压蒸汽由3.1 t降至2.7 t蒸汽，每吨液氨耗氢气。由2 075 m3氢气/t降至2 020 m3，每年可减少氨气排放量约17万m3。

中国科大基于单原子催化剂研究金属—载体相互作用获新进展

负载型金属纳米催化剂在产氢反应中有着优异的催化性能，影响其性能的关键因素甚至是决定性因素便是衬底的选择。因此，深入研究催化剂中金属—载体相互作用与其催化性能之间的关系至关重要。然而，由于缺乏在原子尺度上对多相催化产氢反应过程的详尽理解以及对活性位点的明确标识，定量理解金属—载体相互作用的本质仍是一项巨大的挑战。基于单原子催化剂研究金属—载体相互作用能够排除金属颗粒在金属—载体界面上尺寸、形貌和取向的影响，单原子催化剂被视为理想的研究平台。此外，氧化物相变材料被认为是研究该相互作用理想的载体材料，因为它可以在调控能带结构的同时，保持单原子或活性位点的空间分布不改变。

基于此，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室和化学与材料科学学院教授曾杰课题组、南开大学教授胡振芃和中科院上海应用物理研究所研究员司锐合作，将Rh单原子负载在相变材料VO2纳米棒上，构筑出Rh1/VO2单原子催化剂。在氨硼烷产氢反应中，载体VO2纳米棒的金属—绝缘体相变引起了催化反应活化能的改变。研究人员发现载体的金属—绝缘体相变诱导了Rh单原子中电子最高占据态的能量变化，其能量变化值大致相当于催化反应活化能的改变量。因此，研究人员认为Rh1/VO2的催化性能与Rh单原子的电子最高占据态直接相关，Rh单原子的电子最高占据态取决于载体的能带结构。基于此机理，研究人员还通过调控单原子中电子最高占据态，进一步设计出高效非贵金属单原子催化剂。

2017-01-12

文 涛(1978-)，男，助理工程师，从事化工生产技术管理工作，电话：13639875084。

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