海南合成氨生产设备的低碳改造分析

熊凯+史留勇++张燕

摘 要 针对海南省合成氨设备存在的高能耗、高排放问题，提出采用节能减排措施，对转化炉、催化剂、压缩机等进行技术改造，具体内容包括：采用双一段转化炉、使用高效催化剂代替原有催化剂、采用新型压缩机等。低碳改造前后能耗对比分析表明，合成氨设备的低碳技术改造具有较强的可行性。

关键词 合成氨设备 ；节能减排 ；低碳改造 ；可行性

中图分类号 TQ113.5

Low Carbon Transformation about the Device

of Synthetic Ammonia in Hainan Province

XIONG Kai SHI Liuyong ZHANG Yan

（Mechanical and Electrical Engineering College，Hainan University，Haikou，Hainan 570228）

Abstract To solve the problem of high energy consumption and high emission of the devices of synthetic ammonia in Hainan，An energy-saving and emission reduction technology is proposed to reform the transforming furnace，catalyst and compressor. Specific contents include：adopting dual reformer，using efficient catalyst to replace the original catalyst and adopting the new compressor. The comparative analysis of energy consumption before and after low carbon transformation indicates that，low carbon transformation of the device of synthetic ammonia has a strong feasibility in technological innovation.

Key words device of synthetic ammonia ；energy-saving and emission reduction ；low carbon transformation ；feasibility

合成氨工業是世界上高耗能、高排放产业之一。据统计，世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。海南省合成氨工业是以天然气为原料进行生产，年产氨量大约为75万t，总耗能2 452.5万GJ，折合标煤83 677.5万kg，相当于每年排放二氧化碳6 383万t[1-2]。国家“十二五”节能减排指标任务中，明确规定到2015年，全国万元国内生产总值能耗下降16 %；根据国家要求，海南省提出了减排目标，到2015年，全省万元国内生产总值能耗下降到0.727 t标准煤。氨合成工业要实现减排任务，就必须依靠科技进步，通过先进的设备或节能减排技术来降低生产能耗，以满足国家对氨工业能耗的要求。本文针对海南合成氨装置，就如何采用低碳改造技术，以期为提高设备的使用性能、减少能源损耗、降低碳排放，提供理论参考。

1 海南合成氨生产现状及存在的问题

1.1 海南合成氨生产现状

海南省受地理因素影响，其合成氨工业起步较晚，近年在国家大力支持下，省内有2家大型合成氨企业，下文分别简称“一期”和“二期”。两家合成氨工艺都是以天然气为原料，其中一期引用ICI-AMV工艺，二期采用美国KBR公司的KBR工艺。一期合成氨装置设计年产合成氨30万t，于1996年10月28日建成投产，平均年产量超过30万t，其中2006年产量最高达34.7万t[3-4]。二期的KBR工艺合成氨年产量为45万t。

1.2 海南合成氨工艺流程

以天然气为原料制氨的大致工艺流程为：（1）天然气先经脱硫，然后通过二次转化；（2）经一氧化碳变换；（3）二氧化碳脱除等工艺；（4）得到的氢氮混合气（其中尚含有一氧化碳和二氧化碳）经甲烷化作用出去一氧化碳、二氧化碳等气体，制得氢氮摩尔比为3的纯净气；（5）经压缩机压缩而进入氨合成回路，制得产品氨。

1.3 海南合成氨生产设备存在的问题

1.3.1 合成氨设备问题

ICI-AMV及KBR工艺是世界上先进的合成氨工艺之一，具有一定的节能降耗措施，应用非常广泛。但在实际生产中却存在一些问题：一期ICI-AMV工艺中氨合成催化剂长期使用，活性大大降低，导致能耗增多；二期KBR工艺冷冻系统氨冷冻升压机 （105-J1）能耗高，且存在能源浪费。

1.3.2 ICI-AMV催化剂问题

一期ICI-AMV工艺使用ICI74-1型低压氨合成催化剂，在高负荷运行16 a之后，超过其使用年限，活性下降，使吨氨能耗升高。ICI-AMV投产性能考核时27.8 %，到2012年合成效率降至23.2 %，运行14 a中平均每年下降0.33 %，在装置负荷等条件相同情况下，合成效率每下降1 %，合成系统就有1 %循环气参加无用循环，增加了压缩机功耗[3]。

1.3.3 KBR冷冻系统问题

二期KBR工艺的冷冻系统使用105-J1型氨冷冻升压机，该机能耗高，而且正常工作当中存在能源浪费。105-J1为一电机带动的压缩机，其抽取气氨的量由出口回流阀来调节，即105-J1进口气氨量固定，靠调节出口返回气氨量的多少来调节蒸发量。如果不需要冷量，则105-J1抽走的气氨全部由出口返回阀返回到入口。因此无论什么情况，105-J1的电机负荷基本不变，浪费了大量电能，增加了吨氨能耗[4]。近年来，合成氨装置吨氨能耗具有逐年增加的迹象。

2 海南合成氨生产设备低碳改造措施

分析可知，合成氨生产过程碳排放量是间接碳排放量与直接排放量之和。而间接碳排量与压缩机等电机设备的能耗有关，压缩机能耗越高，间接碳排放量越多；直接碳排放量与天然气原料与燃料消耗密切相关，其中又以燃料天然气消耗影响最大，燃料天然气消耗越大，二氧化碳直接排放量增加。为了达到低碳排放、节能降耗的目的，着手于减少燃料天然气的消耗、电机设备的能耗。合成氨生产过程中，燃料消耗主要发生在转化炉内，燃料消耗产生的能量一部分供给转化反应所需热量；另外一部分用以生产高压蒸汽以提供动力驱动压缩机，这部分能量消耗在克服流体流动阻力，尤其是化学反应能垒上。通过分析合成氨生产过程的能耗方向，提出对转化炉、催化剂、压缩机低碳改造办法，以达到节能降耗、低碳排放目的。

2.1 转化炉改造

天然气双一段炉转化工艺流程简图见图1。由图1可知，外热式和换热式转化炉联合使用，即采用外热式一段转化炉和换热式一段转化炉并联再串联二段转化炉的转化工艺（简称双一段炉转化），在保证甲烷深度转化指标的前提下，通过一段炉负荷分配和甲烷转化程度的优化，达到燃料天然气消耗最少的目的[5-6]。

双一段炉转化具有富余二段转化炉高温热源特点，采用该方法能够实现节能降耗。在转化过程中，一部分天然气在换热式转化炉内转化，其热源由二段高温出口气的富余热源提供，省去了传统工艺的天然气燃烧反应。内陆某企业率先运用该技术对合成氨设备进行技术改造，在原外热式一段炉外并联了换热式转化炉，利用二段炉出口高温热源提供给换热式转化炉，取代传统二段炉出口高温气体经锅炉产生蒸汽的工艺流程。通过实际运行，改造后设备运行情况良好，达到预期效果。

转化炉经过技术改造后，吨氨节省燃料天然气200 m3，节约用电20 kWh，吨氨减少能耗折合标煤260.4 kg，相当于减少二氧化碳排放量649.2 kg。可见，改造设备后，节能减排效益显著，可使得海南合成氨工业符合国家环保发展的要求，同时也说明该项技术改造具有一定的可行性。

2.2 催化剂改造

低温低压的ZA-5型Fe1-x0基催化剂[7-8]的开发成功首次改变了Fe3O4基的传统观念，把铁系催化剂提高至一个新水平。与国内外先进的同类催化剂相比，Fe1-x0基催化剂活性温度降低了15-20 ℃，生产能力提高了10 %-20 %，特别适用于低压氨合成。

采用这种新型高效催化剂，代替一期ICI-AMV合成氨装置的ICI-71型催化剂，可降低催化剂活性低引起冰机、合成气蒸汽轮机的增加功率。高效催化剂活性相对ICI-71型提高4 %，则可减少高压蒸汽耗量7 523 kg，节约天然气692.1 kg，节省标煤890 kg，降低二氧化碳排放2 218.9 kg。

采用高效的ZA-5型Fe1-x0催化剂，可以将压力从30 MPa降低到15 MPa或10 MPa，则总动力消耗可以分别降低3 529.9 kW和5 236.4 kW，节能效率分别达到12.3 %和18.3 %。

2.3 压缩机改造

目前，氨的分离采用压缩制冷技术，而压缩机是种典型的高能耗设备。如果将动力设备采用汽動压缩机代替电动压缩机，则从燃煤起算，汽动方案总热效率比电动方案约高2倍。

在KBR工艺冷冻系统运用低碳改造技术，对压缩机进行技术改造，选择一种对氨具有高吸收能力和选择性且对催化剂无害的吸收剂，实现氨的吸收分离，省去制冷压缩机，则可以大大提高生产效率、降低能耗。如果该技术运行成功，则冷冻系统部分每年可节省高压蒸汽6.539×107 kg，减少天然气消耗6.016×106 kg，节约标煤7.737×106 kg，降低二氧化碳排放19.288×106 kg。

3 结语

从上述低碳改造可行性分析知，利用节能降耗、低碳改造的新技术、新方法改造合成氨装置的转化炉、催化剂以及压缩机，从根源上减少氨工业能耗，有效降低二氧化碳的排放。对于合成氨设备进行低碳改造及其可行性分析，对于合成氨工业的节能减排具有重要的指导意义。

参考文献

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