煤化工合成氨工艺分析及节能优化措施研究

邱迪

（中化吉林长山化工有限公司，吉林 松原 131100）

引言

我国的化工科技在建国之后得到了迅速的发展，其中合成氨的发展速度较为迅速，由于其广泛地应用于各种行业因此其需求量也是十分巨大的。合成氨的工艺也在不断地改进当中其中占主导位置的合成氨制炼方式还是利用煤来直接合成氨。煤化工合成氨其成本相对较小且合成出的氨纯度也较高但煤本身就是一种不可再生能源，这就意味着用它来合成氨就必须有着极高的效率以减少对于煤能源的消耗，尤其是在如今我国所提倡的可持续性发展战略以及节能环保政策都在昭示着对于煤化工合成氨工工艺的改进以及节能改造的重要性。

一、我国煤化工合成氨的发展现状

到目前为止，我国煤化工合成氨的发展蒸蒸日上，其生产效率以及生产量在全球占据首位。其生产原理就是将天然气以及无烟煤作为生产的原材料，通过采用科学合理的生产方法，进而合成市场需要的氨和化肥等。就目前来看，我国各种规模、各种类型的合成氨企业都处于高速发展的状态。各个企业的内部结构也比较合理，其平均年产量可高达四千万吨左右。除此之外，我国煤化工合成氨具有一定的竞争力，在国际市场上占有绝对的竞争地位。对煤化工合成氨工艺进行节能，进而有效提升氨工业的市场经济效益，是我国未来氨工业发展的主要趋势。

二、煤化工合成氨的生产工艺

合成氨的制备，主要是在一定比例和压强条件下，对氢气、氮气进行催化合成反应。空气中氮气含量充足，可以轻易获取。而氢的制备比较关键，常规水电解法产量很低，能耗较高无法满足工业需求。因而在工业方面，主要采取焦煤、重油、天然气等制取氢气，因而在合成氨生产中也最为常见。

（一）氨的合成工艺

合成氨的生产过程，分五步：原料制取、净化、精炼、氨合成和提纯。其中典型的煤化工氨合成生产工艺有水煤浆气化、耐硫变换、低温甲醇洗、液氮洗、氨合成、配套氨透平机组提供冷量。

1.制取原料气

中国缺油、少气和富煤的能源结构导致煤化工成为原料结构调整主导，中国是世界上使用煤气化技术门类最多和建有煤气化装置最多的国家。煤气化法是指用氧和添加剂对煤高温加工，转化为H2、CO 等气体。气态烃类普遍采用二段蒸汽转化法。重油部分氧化法是以重油为原料，利用O2进行不完全燃烧，使烃类在高温下裂解燃烧产生的水蒸气与CO2在高温下与甲烷进行转化反应。煤气化技术目前分类有：一固定床间歇气化、固定床连续气化、移动床气化，多以块煤、小颗粒煤为原料；二流化床和气流床技术，实现连续进料及高温液态排渣，如K-T 炉；三水煤浆气化法（如GE 气化、E-Gas 气化、多喷嘴水煤浆炉、清华炉）。多喷嘴对置式高压水煤浆气化技术有以下优点：有效气成分可达82%以上，与单喷嘴气化炉相比，碳转化率提高3 个百分点，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%；减少压缩功耗；气化炉及煤气洗涤的渣水三级闪蒸，回收利用；变换反应消耗部分水后剩余凝液加压送回气化循环利用。且碳转化率高，渣中含碳量低，渣和滤饼粘度低，更易渣水分离，减轻环保压力。

2.原料气净化

任何方法制得的粗原料气，除含氢和氮外，还含有H2S、CO（12%-48%Vol）、CO2等。而合成氨需要的是H2和N2，因此需要变换、脱硫脱碳以除去杂质。变换使CO 变换为CO2和H2，既是原料气的净化，又是有效组分的制取。其技术发展取决于变换催化剂性能及余热利用的方式。结合水煤浆气化装置，因原料气中已含饱和水蒸气，使得变换流程更加简单易操作，变换分离凝液回气化的温度（由变换余热控制）、压力对水汽比进行调控。变换催化剂一般选用钴钼系，须硫化才能形成有活性的CoS和MoS2，所以催化剂需升温硫化。行业上目前推广的有新型预硫化催化剂，避免含硫有毒介质现场排放。各种粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，会造成氨合成催化剂中毒。而合成氨生产过程中，CO2是制造尿素、纯碱、碳酸氢铵的重要原料，CO2的脱除及回收利用是脱碳工序的重任。以天然气为原料的蒸汽转化法，首先是脱硫；以重油和煤为原料的部分氧化法，根据CO 变换是否采用耐硫催化剂而决定脱硫的位置。脱硫方法很多，根据吸收剂性能分为两类。一是物理吸收，如低温甲醇洗法，聚乙二醇二甲醚法，碳酸丙烯酯法。二是化学吸收，如热钾碱法，低热耗本菲尔法等。低温甲醇洗相较PSA、碳酸丙烯酯等方法可同时脱除H2S 和CO2，分离效率高、吸收能力大、溶液循环量小。哪怕硫含量波动大，H2S 吸收仍满足氨合成要求。

3.原料气精炼

CO2 和硫脱除后的原料气仍含有残余CO（0.7-3%）、CO2（≤20ppm）、氧、CH4等，铜氨液吸收法、甲烷化法和深冷液氮洗法均可完成深度净化。

4.氨合成

氨合成是在高温、高压、催化剂作用下完成的，加压后的氢氮混合气在合成塔内反应为氨。氨合成转化率较低，反应后气体中氨含量＜20%。反应后的混合气体经冷却、分离出液氨；未反应完全的NH 气体和新鲜气升压后返回合成塔继续反应，完成系统循环。

5.氨的分离

氨合成反应受反应平衡限制，仅部分NH 气合成氨，为充分利用合成塔出口混合气中未反应的H2和N2，同时也为得到高纯产品氨，需将氨从混合气中分离。一般采用两种方法。一是水吸收法，二是冷凝分离法。目前，我国大型氨厂都采用冷凝分离法，且通过余热回收装置回收反应热来制取蒸汽。

（二）重油合成氨生产工艺

重油具有较大的分子量，需要先进行氧化反应，转变为小分子。可将空气中氮气、氧气分离，利用非催化部分氧化法，在180-200℃条件下，使重油氧化生成硫化氢、氢气、一氧化碳等气体。然后将反应当中的炭黑去除，再采取一氧化碳等温变换，将一氧化碳转变为氢气、二氧化碳。再利用低温甲醇洗技术，将混合气中的二氧化碳、羰基硫、硫化氢等杂质去除。最后利用液氮法，将残留的甲烷、一氧化氮气体去除，然后精制合成氨。

（三）天然气合成氨生产工艺

在天然气成分中，具有一些含硫气体，因此需要采取相应的预处理措施，将含硫化合物去除。使用钴钼加氢催化剂，促使有机硫转变为无机硫，然后使用氧化锌处理含硫化合物，使其含量水平达到0.5ppm 以下。对甲烷采取两段转化操作，得到氮气、氢气、一氧化碳的混合气体。对一氧化碳进行等温变化处理，使一氧化碳去除，同时得到二氧化碳和氢气。采用低温甲醇洗技术，将二氧化碳去除。处理后的混合气中，一氧化碳含量约为0.3-0.4%，二氧化碳含量在0.1%以下，利用甲烷化反应，使用催化剂将残留含碳化合物转变为甲烷，使混合气中的一氧化碳、二氧化碳含量在10ppm以下。最终利用纯净的氢气和氮气催化制备合成氨。

三、合成氨的节能减排

在不同原料制备合成氨的过程中，各个生产工艺的基本原理及大体步骤都是大同小异的。都是要对原料进行预处理，得到目标混合气，然后采取脱硫、脱碳、精制等一系列反应，获取高纯度的氢气、氮气。最后将纯净氢气氮气导入合成塔，发生催化反应形成合成氨。在整个生产工艺流程中，能耗成本最高的环节主要是制气过程，在整体能耗上占比可达到60%-70%左右。此外，在催化反应合成氨的过程中，反应速率等问题也会对能耗产生较大的影响。基于此，应当采取有效的节能减排措施。大力研发和推广高效催化剂，使混合气、合成氨的制备反应速率得到提升，工艺时间得到缩短。例如在3-7MPa 的低压条件下，使用高活性催化剂制备合成氨的工艺。大力开发新原料合成氨技术，煤、石油、天然气等世界最重要的能源主体都是与不可再生资源，随着资源不断消耗，对合成氨新原料的研究和开发就显得更为重要。将合成氨生产规模适当扩大，并使生产周期时长适当延长。我国当前合成氨工业领域中有很多中小规模的企业，对于其中的落后产能要及时淘汰。对各大工艺的联合力度要不断增加，对合成氨当中常见的甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氢气等气体，可分别收集利用，在其他有机产品生产中作为原料，从而使物质转化率得到增加，在节约成本和提高效益的同时，也能实现更好的节能减排。

四、合成氨的节能改造

采用煤气预热回收技术，能够及时回收利用反应过程中产生的热资源，该技术的应用可以使能源重复利用率得到提高。采用油压微机控制技术，合理调节分配时间，同时全程监督生产情况，在合成氨工艺方面实现优化配置，使生产质量及生产效率得到提高。利用吹风预热回收利用，使资源损失进一步减少，进而达到节能减排的效果。合成氨生产工艺中，碎煤是一种常见的原料，产生的煤气水中粉尘、焦油含量较高，可坑造成合成氨管道堵塞及热量损失。对此，采取废水循环工艺，使生产效率提高，确保生产装置的良好运行。合成氨装置以天然气部分氧化法，产生乙炔尾气作为原料，从而实现低能耗加压催化转化法制备合成氨。这种方式可以减少煤原料的应用，能够成本，减少污染物产生，降低环境污染情况，具有较高的节能减排价值。

五、煤化工合成氨工艺节能优化措施

（一）换热器设备升级改造

可以对换热器进行升级改造，使用高效换热器进行设备和管线的传热，如波纹管换热器、异型管换热器、板式换热器等。以蒸发式冷凝器为例，通过优化改进换热器内部的换热元件，可以极大提升换热效果和冷却能力，从而实现高效换热，降低能耗。

（二）废水再处理改造

合成氨工艺过程中，为了控制成本使用的煤通常是碎煤，碎煤形成煤气水后，如果其内的焦油和煤粉尘不能有效地进行处理，极容易造成合成氨管线的堵塞，最终影响热传导的速率，造成热量的损失。

（三）流动设备改造

通过变频控制设备实现对流动设备的控制，传统的设备控制方式是固定供电频率对设备进行控制，启动设备不平滑，容易造成较大的电力损失。而变频控制方式可以实现平滑的增速或者减速，节电效率能够达到20%左右。另外还可以采取合成排放气的氢回收装置，能够充分节省原料氢的消耗。

结束语

合成氨在当今社会中有着很广泛的应用，如在农业领域中作为主要的化学肥料，在工业生产中也是重要的工业原料之一。经过了数十年的发展，我国合成氨生产工艺已经得到了较大的发展和进步，在原料方面也从过去的普通煤炭变成了烃类、重油、渣油、天然气、无烟煤、焦煤等多种合成原材料。目前，我国合成氨生产规模大中小并存，总产量已经跃居世界第一。不过于发达国家相比，仍然存在能耗较高、污染严重的问题，因此未来要更注重节能减排和绿色发展。