合成氨生产过程中的节能与降耗研究

李慧敏

(晋中市节能监察支队，山西 晋中 030605)

要实现合成氨生产过程中的节能降耗目标，需要研究探讨合成氨的生产工序，明确各生产环节的节能潜力，有针对性地进行节能分析。合理有效提升合成氨产量的同时，实现能耗降低、污染物排放减少，不仅能促进合成氨行业节约资源，减轻环境污染，更有利于我国可持续发展战略的推进。

1 合成氨生产工艺的探究

在我国合成氨企业中，虽然生产工艺各不相同，原料采用、设备结构和操作条件也各有差异，但是实现合成氨的基本步骤则是相同的。

首先，原料经过预处理后以不同的方式制备原料气(氢氮混合气)，随后经过脱硫、变换、净化等工序后，将原料气压缩至一定的压力后，引入合成系统。然后，气体通过最终净化，并换热升温至操作温度，送入合成塔内的催化剂层，在其中进行氨的合成反应。反应后，氢氮混合气不能全部转化成氨，必须将其中的氨分离，剩下的氢氮混合气由循环压缩机补充压力后，与压缩机送来的新鲜气混合，再次进行合成，如此连续循环操作合成氨[1]。

合成氨生产过程较为复杂，为保证各工序有序进行，在生产过程中根据不同的反应情况，给予合适的温度、压强和相应的催化剂等。合成氨原料气的制备过程不仅将消耗大量的能源物质(煤、碳、天然气、水蒸气)作为原料，更需要消耗大量的能源物质作为动力能源消耗。因此，制气环节能耗和成本较大，占合成氨生产的60%～70%。其次在变换、净化及合成过程中都需要压缩，压缩机的使用也要消耗大量的动力能源。最后，整个工艺过程中需要大量的换热蒸汽，产生大量的余热及三废物质。因此如果能够实现合成氨过程中的各种能源物质的有效综合利用，可降低整个过程中的能耗，减少不必要的能源损耗，实现合成氨过程中的节能减排[2]。

2 合成氨生产过程中实现节能降耗的重要性

合成氨行业是能源消耗大户，世界上约有3%的能源用于生产合成氨，同时合成氨工业又是污染物排放量较大的行业，化学需氧量、氨氮、二氧化硫等排放量都比较大。现今我国资源紧缺、环保压力不断加剧，合成氨工业的节能减排任重而道远。

合成氨生产过程中需消耗大量的能源物质，包括煤、油、工艺水、冷却水、工艺蒸汽、加热蒸汽、传动设备的电耗、压缩空气、仪表空气等消耗，能源成本占生产总成本的70%左右，合成氨生产过程实现节能降耗不仅有利于节约资源，降低能耗，还有助于降低生产成本，提高经济效益，最终提升企业的核心竞争力。当前，我国合成氨工艺存在生产设备和技术水平落后，能源消耗较世界先进水平高等状况，所以加强合成氨生产过程中的节能降耗研究十分重要[3]。

3 合成氨生产过程中实现节能降耗的相关举措

合成氨生产过程实现节能降耗主要集中在关键性的工序和设备及相应的技术。

3.1 优化合成塔，降低生产能耗

氨合成塔是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生催化反应以进行氨合成的设备, 是合成氨工艺的心脏设备。在相同工况下，氨产量和氨净值的高低主要取决于合成塔。若合成塔的转化效率不高，则将直接造成合成氨生产装置运行效果差，最终导致整个生产过程能耗提升。因此，优化氨合成塔是提升合成氨经济效益、降低合成氨能耗的关键。选择合适的合成塔构建材料，可以优化合成塔内部结构，对氨合成塔及内件进行高效节能改造，实现合成塔的耐高压耐高温耐腐蚀性能的提升，促进合成塔内部换热高效运行，充分利用催化剂的活性，提高合成氨的合成速率及净产值，在实现能源降低的同时提升合成氨产量[4]。

3.2 加强新型高效催化剂的研究，提升合成氨效率

研究采用高活性的催化剂，实现低温低压合成氨。氨合成催化剂是合成氨工艺技术的核心和关键，也是节能降耗的核心技术。使用高活性的催化剂，可以提高氨产量，从而降低合成氨单耗；同时如果研究出低温低压高效催化剂，可以降低整个合成工艺的反应温度、压强，把高压机的功耗切实地降下来，减少动力能源消耗，从而降低合成氨的成本，实现合成氨的低能耗、低成本、高产量等综合节能效果和经济效益[5]。

3.3 研发先进的煤气化技术，提高气化率和碳转化率

我国“富煤、贫油、少气”的能源结构，决定了我国合成氨原料以煤为主，煤气化是合成氨生产过程中的关键工序，所消耗的能源占全部能耗的70%，是直接影响产品经济效益和企业能源消耗的主要环节。不同的煤气化技术耗煤量、耗蒸汽量以及产生的环境污染物程度不同，因此，应积极研发先进的合适的煤气化技术，提高蒸汽分解率和气化强度，降低蒸气的损耗，提高碳转化率，加大煤的利用程度，降低煤耗量，减少污染物的排放，实现煤气化过程的节能减排。具有我国自主知识产权的水煤浆、粉煤加压气化等大型先进煤气化技术与装备已成功应用于合成氨生产过程[6]。

3.4 重视资源综合利用，实现节能减排

合成氨过程中产生了大量的化学热及蒸汽余热、废气、废水等物质，有效利用各种资源，可以减少能源损耗，缓解环保压力，降低企业成本。如合成氨生产过程中副产蒸汽，可集中回收进行热电联产，减少企业热损失；合成氨尾气中含有甲烷和氢气，氢气是合成氨的原料气，采用合理的回收技术可以循环利用合成氨，甲烷即是一种清洁能源，也是温室效应很强的气体，采用有效的技术加以回收利用，可以减轻环境压力；合成氨生产过程中产生的低热值炉渣可回收供循环流化床锅炉或三废炉燃烧使用，以提高原料煤的碳利用率，且其燃烧后的灰渣还可以用来制水泥与粉煤、粉砖等等。综合利用合成氨生产过程中的各种资源，可获得最大效益。

3.5 加强清洁生产，实现可持续发展战略

清洁生产是合成氨未来发展的趋势。合成氨生产过程中会产生各种副产品和对身体有害的物质，应当积极引进先进的绿色技术和设备，采用先进的节能工艺，有效控制各工序合成条件，合理使用高效催化剂，尽可能不生产或少生产副产品和有害物质，实现或接近“零排放”，减少环境污染和避免影响工作人员的身体健康。

4 结束语

实现合成氨生产过程中的节能降耗可以给企业带来较好的环境效益和经济效益。在实际生产过程中，应就当前的生产环节进行探讨，找到能耗高现象的根本原因，积极研究探索节能技术，不断改进节能工艺，提高合成氨的质量和产量，减少副产品和废气废渣的生产和排放，实现合成氨生产过程中的节能降耗，提高合成氨生产的经济效益。