浅析合成氨工艺节能措施

赵阳

摘要：合成氨的生产能耗分为原料能耗和燃料能耗两部分，布朗公司正是基于降低合成氨过程燃料能耗方面的构思以及在这方面的努力，形成了温和的一段转化、二段炉加入过量空气、深冷净化的布朗基本工艺。这就是布朗合成氨技术在合成氨的过程中，有诸多节能工艺，与其它的节能工艺相比，布朗合成氨工艺在甲烷化的净化基础上又添加了一道被称为“大冰箱”的深冷净化工艺。

关键词：煤制合成氨；装置；布朗合成氨；深冷净化工艺；

节能是我国未来发展的重要内容，以现阶段煤制合成氨装置应用情况为基础，结合近年来能源消耗特点，分析煤制合成氨装置能源消耗特点，并结合我国未来发展需求提出全新的节能方向，基于此，主要探讨分析煤制合成氨装置的节能措施。

一、布朗合成氨工艺

和其他合成氨技术基本相同，布朗合成氨生产工艺主要包括压缩原料气体，对原料气体进行脱硫处理、转化与压缩以及一氧化碳的高低温变换和对于气体的吸收（主要是二氧化碳，两个时期的变换），甲烷化，干燥的合成，低温净化合成气压缩、氨合成和冰冻等工序。其中布朗合成氨技术的核心所在就是深冷净化工艺。低温净化的效果是完全分离制备新鲜气体和合成氨，在很大程度上提高了操作的灵活性。生产过程中，深冷净化技术可以有效地解决转化，净化部分等不可预料的波动操作，所以对合成部分基本没有影响，增加了操作弹性，使得操作更容易、更便捷。另一个主要作用是去除杂质，主要是一些杂质气体（一氧化碳、甲烷氩气等），使得H2与N2的比率维持在3∶1。布朗公司在生产过程中的重要的措施是降低能源消耗（降低燃气消耗），减少一段转化炉负荷，增加二段转化炉负荷。其中重要的一个步骤是保证二段转化炉中含有过量气体，这可以使得加入的多于气体和氢、甲烷反应产生大量的热量，从而满足工艺生产中所需的热量。甲烷化工序的过程后，深冷分离装置可以用来去除多余氮，同时也能得到浓度较高的H2和N2（大约含有0.2%的Ar）。我国引入布朗设备的一段转换炉，低水碳比是其主要的节能措施，生产中所需要的高压蒸汽可有废热锅炉提供，这可大大的降低对燃料的消耗。

二、合成气气质

合成气的成分会对合成氨综合能耗产生很大的影响，如果控制不当将会造成合成氨综合能耗增大，甚至会直接影响整体系统的温度和压力，而且会在装置运行过程中产生衍生类问题，导致整体系统都受到影响。第一，循环气中氢含量的影响。氢氮比是合成氨生产过程中控制的一个重要指标，从实际生产情况看，循环氢由53%上升到62%时，系统压力降低，同时系统压差也相应降低。因此，在实际生产过程中应控制较高的循环氢含量，以降低合成系统压力和综合能耗。第二，循环气中甲烷含量的影响。通过分析合成氨的化学反应原理可知，甲烷是一种无效气体，合成气中的甲烷含量与原料气的生产和原料煤组份及气体净化等过程密切相关，因此循环气中甲烷含量越低则各个阶段的压缩机无效做功也会减少，且可以提高合成塔催化剂的利用率，这对减少整体生产阶段的能源消耗有一定的影响作用。但在实际生产过程中，因为甲烷在合成塔温度控制调节中具备无法替代的作用，所以在生產中需要将甲烷含量保持在一定的范围内，甲烷含量过低则合成反应速率加快，在短时内放出大量热，导致合成塔内催化剂温度过高，严重时还会损害催化剂，甲烷含量过高，放空量越大，有效气体损失也越大；所以要在保护好合成氨催化剂的同时减少有效气体损失，找到甲烷含量最优佳控制点。

三、煤制合成氨装置节能方向分析

1.应用现代化节能的气流床煤气化技术。通过对以往实践案例的分析和研究可知，煤气化技术在引导煤制合成氨装置节能中占据重要的作用，气流床煤气化技术因为其具备高效、节能以及环保等特点，逐渐成为改变生产方式的重要技术。由于国外技术垄断等诸多主客观因素的约束，我国在大范围高效气流床煤气化技术的基础分析工作受到制约发展缓慢，但近年来很多大型的煤化工企业致力于具备自主知识产权的大规模高效气流床煤气化技术的研究和开发成效显著，这符合国民经济发展中对煤炭清洁应用的需求。在现阶段的发展背景下，引用烟煤、褐煤等粉煤和水煤浆获取合成气技术，主要发展方向是为了降低净化压缩费用支出，原材料大都选择应用劣质粉煤，优化煤种的适应水平和单炉生产能力，减少原料的损失，且热能回收率较高，排渣的方式是液态，有助于降低环境污染程度。

2.转换催化剂改型提升同时回收低位热能。一方面通过应用工艺余热实施工作。主要是依据划分等级收回引用变换余热，在符合工厂运行条件的背景下，更多的回收利用低位余热；另一方面，需要创造具备高活性、低温低压氨合成催化剂，且在实际生产中加以应用，其有助于为提升氨净值、减少循环气量，对降低合成氨成本和综合能耗有着十分重要的意义。

3.热能耦合。为了降低生产过程中存在的热损失和效率损失，将变换步骤与低温甲醇洗的热能实施耦合，这是合成氨发展过程中急需研究的课题。这种方案全面缩短低温甲醇的工作流程，降低低压蒸汽的能源消耗。

4.应用低温甲醇洗和液氮洗的联合工艺。在应用这一技术过程中，低温甲醇洗阶段出现的原料气会在分子筛吸附器中对甲醇、二氧化碳等杂质实施清洗，之后在氮气冷却器中气体和尾液实施逆流换热之后，引导液氮洗涤进入塔底，促使气体中的CO、甲烷等冷却、凝固并且溶解在液氮之中，精制气体需要通过液氮洗涤顶部进行获取。结合改工艺技术开发的各类专利设备的应用，实现了节能增产的目标，并开始走向国外市场，取得了长足的进步和发展，并对国内煤化工业的发展提供了有力的支持。

四、深冷净化工艺的特点

1.在生产过程中，深冷净化系统的存在使得二段炉中可以容纳过量的气体，大大节省一段转化炉的燃料，在一定程度上降低了一段炉的热负荷，同时还能有效地减小其体积。

2.与其它合成氨技术相比，深冷净化系统的存在使得合成原料气中兼具高含量的甲烷，有效地降低了二段转化炉的出口温度，通常比传统生产工艺降低了100℃。

3.在实践中，它可用于回收弛放气中的氢气，氢气的利用率因而得到有效地提高。如果燃料的成本较低，可以合成回路的吹出气体送回干燥器进口，与合成气充分混合，使之在冷箱中得到有效地回收。氢回收的效率很高，合成电路中氢的利用效率可以达到为99%。

4.由于采用深冷净化系统，布朗型氨厂的能耗大大降低，吨氨能耗降低到29.31GJ以下，同时减少了设备投资，真正达到了投资少、能耗低、效益高的目的。

5.低温净化系统对含氮量和甲烷气体的压力有最小的要求。为了确保各个比分的热交换器有足够的温差，含氮量应大于32%，压力应大于2.7 mpa。

总之，合成氨工业是国家保障粮食安全的基础，我国自身的地理位置和矿产资源促使煤制合成氨装置成为合成氨工业发展的重点。布朗氨合成的工艺是现代世界合成氨的先进工艺，是低能量，低温净化工艺的核心，也是独特的。生产中对其合理科学的应用增加了系统的操作灵活性，使整个过程更加灵活、方便、稳定，同时还能在很大程度上降低生产过程中的能耗。目前，我们是一个最大的发展中国家，也是应用布朗合成氨过程工厂最多的国家，该技术已经十分成熟应用在大型合成氨工厂，可以考虑在未来发展中加强对深冷净化系统在小、中合成氨工厂中的应用。但是，如果引进国外技术，对于小型合成氨工厂来说，设备的成本是会大幅提高，所以应该开发国内技术。

参考文献

[1]高振平.布朗型合成氨装置深冷净化系统综述.2017.

[2]李攀山.浅谈煤制合成氨装置能耗分析与节能方向布朗深冷净化工艺综述.2017.

（作者单位：安阳化学工业集团有限责任公司）