对合成氨生产中的废气利用与节能效益分析

余友元 余林峰

(四川金石新能源集团有限公司，四川乐山，614504)

在工业生产过程中往往会产生大量的废气，不仅严重破坏了我国的生态环境，还在很大程度上影响到我国资源的最大化利用。纵观我国合成氨行业的生产情况，发现很多企业在生产过程中都会产生大量的废气，包括CO和H2等，虽然部分企业会对其中有价值的气体进行合理利用，但对于其他无用的废气，就会排放到空气中，这样做不仅会破坏环境，还会造成资源的浪费。为此，合成氨生产企业需要深入研究废气利用的有效技术手段，结合自身实际情况选择最为适宜的方法，来提高废气的利用效率，实现节能效益。

1 合成氨生产中废气利用的价值

1.1 有利于优化合成氨生产工艺

在合成氨企业发展过程中，不同企业的生产需求不同，所选择的生产技术、原材料和生产设备等均有着较大的差异，但是在本质上，所有合成氨企业生产都具有相同的特点，即系统性与连续性、复杂性与规范性。在具体实践中，合成氨的生产需要采用脱硫和净化等工艺流程，随后进入合成系统，开始发生合成反应，待合成反应结束后，会重复多次循环原料废气，实现废气的再利用。若这一过程中某一环节发生问题，很可能大大降低合成氨的生产效率，并造成严重的资源浪费，所以在合成氨生产过程中，必须充分考虑其系统性与连续性的特点，采取有效措施来提高废气的利用效率。同时，合成氨的生产涵盖了众多的程序，且不同的程序对相关操作均有着较高的要求，故而要求相关人员结合不同的工艺操作要求，科学分配和控制原材料、催化剂等，旨在实现资源的最大化利用。

1.2 适应现代合成氨企业的发展趋势

在合成氨生产行业发展过程中，往往需要消耗大量的能源，同时还会造成较为严重的环境污染。这是因为该行业主要以能源材料为原材料，合成氨的生产需要使用大量的能源，通常能源成本的投入在整个合成氨生产成本投入的占比达到70%，就目前我国能源消耗现状，3%左右的能源用于合成氨生产。同时，合成氨生产过程中需要使用大量的氧气，且容易产生SO2、NO2等有害气体，这就在很大程度上污染了生态环境。所以，面对日益紧缺的能源和严重的环境污染，合成氨行业必须与时俱进，高度重视生产中废气的高效利用，以此来为自身的健康长久发展提供良好的保证，促使合成氨企业成功转型升级为节能环保型企业。

1.3 符合社会和市场的变化需求

近年来，《中国落实2030年可持续发展议程国别方案》中明确提出：“要加大对生态环境的保护力度，推进绿色发展，着力解决突出的环境问题，建设人与自然和谐共处的生态文明社会”。当前我国社会经济飞速发展的同时，也给生态环境造成了极大的危害，已引起社会各界广泛关注和对环境保护的重视。在新时期背景下，我国节能减排工作获得了一定的成效，然而我国依然面临着较为严峻的能源短缺问题，所以我国节能减排工作不可有丝毫松懈，必须充分认识到节能减排对我国社会经济发展的必要性和紧迫性。基于上述背景，合成氨行业更需要开展科学可行的废气利用，以顺应社会和市场发展的需要。

2 合成氨生产中的废气利用

在合成氨生产过程中，通常会产生较多的废气，废气在进行排放的过程中，不仅会对环境造成污染，而且会在很大程度上增大废气利用成本。下面对其展开具体分析。

2.1 尾气中提取甲醇

甲醇作为工业化生产中必不可少的原材料，通过应用小化肥的相关生产设备，实现对联醇生产工艺的运用，从而在合成氨生产中制作出一定的甲醇。在这一过程中，可以较好地应用合成氨生产中形成的CO废气，最终获得甲醇，既不会影响到合成氨的产量，还能够为企业带来更大的经济效益，保障企业的稳定发展。针对合成氨生产中产生的尾气，可采取联醇工艺来提取甲醇。

联醇工艺主要是通过合成氨生产中产生的CO，来完成甲醇的生产，由于在CO和氢气的反应作用下，有利于甲醇的生成，结合相关化学方程式，当CO的转化率达到一半时，就可以获得约3kg的甲醇，同时通过合理利用其他废气，有利于合成氨的生产，主要体现为：在1mol的氢气与0.5 mol的氮气的反应作用下，能够获得1 mol的氨气，当氢气转化率在90%左右时，那么可得到约21kg的合成氨，由此可见，通过提高合成氨生产过程中的氢气转化率，有利于提高合成氨的质量。如：为能够完成1kg合成氨的生产，就必须变换气4.5 m3左右，而要想在一年内生产出10万吨的合成氨，则应有效运用联醇工艺，以降低生产成本，在这一情况下，只需要生产约9.72万吨的合成氨和1.28万吨的甲醇。当前，我国精甲醇的市场价格约为3千元/吨，合成氨的价格约为4千元/吨，根据相关公式进行计算，可以了解到企业生产甲醇的收益为3.84千万元左右，合成氨的收益为40千万元左右。通过扣除其中的生产成本，可知生产1吨甲醇需要投入约0.15千元的成本，那么一年的生产成本就是192万元。所以在合成氨生产过程中应用联醇工艺，能够为企业带来约24千万元的收益，相较于单一的合成氨生产工艺，该工艺能够为企业创造更大的经济效益，推动企业的良好发展，并实现绿色生产目标。另外，在甲醇提取中应用联醇工艺，需要将一定的液体泵电机应用到常压精纯流程之中，若7.49kW功率，建议准备5台液体泵电机，但这也会增加一定的电能消耗。对于合成氨高压而言，则会在很大程度上减少6段压缩气体量，有利于减少循环机压缩量，从而节省压缩过程的功耗，并在一定程度上抵消甲醇生产所需的电能消耗。在精醇生产过程中，部分设备(循环蒸发器与预热器等)会消耗一定蒸汽，若要生产1000kg甲醇，至少要准备4000kg蒸汽和500kg标准煤气，但单一的合成氨生产工艺，所需消耗的标准煤气是联醇工艺的3.4倍，可见，联醇生产工艺可以获得更加显著的节能效益。

2.2 尾气中提取氢气

在合成氨生产过程中，往往存在两种类型的气体排放方式，一是通过合成系统原料气，对其中富集的惰性气体进行循环排放；二是高压液氨节流后，传送至氨罐而释放出来的气体。两者在合成气的占比达到5%左右，氨气排放量约为240m3/吨。氢气在合成氨生产形成的尾气中占比量超过百分之五十，对于部分中小型化肥厂而言，要想实现节能减排的目的，首先必须高度重视氢气的回收工作，因为氢气既能够被当做商品销售到市场中，还可以作为合成氨原料排放气，再次应用到氨合成系统之中，每回收100m3的氢气，就相当于获得了15m3的半水煤气，不仅有利于提高合成氨的生产量，还能够极大程度减少能量消耗。

变压吸附回收法是氢气生产工艺中相对成熟的技术手段之一，具体应用原理为：在常温条件下，吸附剂应用到不同压力环境中，对氢气中其他成分的吸附容量有着较大的区别。在氢气的回收过程中，该技术手段可以一次性清除其中含有的多种杂质，能够回收更多的氢气，大幅度提高回收率，接近90%，且提取的氢气纯度也很大。

对于氢气的提取，还可以应用水电解制氢方法，其应用成本约为2元，对电能的消耗也比较少，在6千瓦h/m3左右。而对于合成氨生产尾气中氢气的提取，能够降低约90%生产成本，节省约92%的电能。若企业要在一年内生产出约1万吨的合成氨，则产出的尾气为200—700m3/h，氢气的提取量约为140m3/h，假如企业一年的生产天数为3个月左右，则能够提取出100×24×140m3的氢气。目前我国氢气的市场价格约为2元/m3，通过相应计算可知，该企业一年可以增加约170万元的收益，相较于电解工艺方法，该技术手段能够显著降低电能消耗。对于氢气而言，其发热值约为汽油的3倍，属于一种清洁、绿色环保的高效能源，适用于电气、化工、冶金等行业的生产；氢气也是我国工业行业发展中必不可少的保护气和还原气。水电解工艺在实践应用，需要消耗大量的电能，投入成本也比较高，无法满足现代电力行业的需要。但通过提取合成氨生产中尾气中含有的氢气，既能够节省电源，还能够增强企业的经济效益，顺应了我国生态文明建设的要求，符合新能源发展的方向，拥有广阔的市场发展前景。

2.3 生产中的其他废气利用

合成氨尾气具有极高的应用价值，这是因为尾气中含有氪等诸多有价值且稀有的物质，通过对这些物质进行回收再利用，能够为企业创造更多的综合效益，减少能源的消耗。通常而言，氪物质粒径可达到200—300毫米，该物质的表面上会整齐排列分布诸多的氰基，具备很强的水溶解性。相关研究发现：通过雷蒙机对氪半成品加以粉碎以后，该产品有着非常小的堆密度，可见，其本身具备均匀化与细微化的特点，能够在很大程度上减低溶剂型体系对有关产品的不良影响。当前很多大型企业的生产过程中，煤气逐渐被合成氨尾气所取代，一个企业合成氨煤气的产量约为40kt/年，能够满足5000户家庭的生活需求，既有利于提高节煤率，还能够显著增强人们的生活水平，从而实现能源的节约，增加企业的综合效益。

现如今，我国高度重视对合成氨尾气中稀缺资源的回收再利用，尽管这一项目的开展需要投入大量的人力、财力与物力，然而项目完成后获得的效益远远高于这些投入。不过就目前我国的相关回收技术、回收工艺及经济条件来看，依然存在诸多不足之处，难以实现对这些稀缺资源的高效回收再利用，更多是被企业当作废弃物排放，这就导致了大量的资源浪费。所以，在未来的合成氨生产发展过程中，人们应注重对合成氨生产中气体元素回收技术和工艺的研究，不断提高相应的生产工艺水平，从而实现对这些废气资源的高效利用。

3 合成氨生产中废气利用的节能效益

近年来，我国各行业都进入到转型升级的关键阶段，为能够实现稳定可持续发展，就必须与时俱进，及时调整产业结构。自十三五以来，我国逐渐淘汰了落后产能，其中合成氨产能从2014年到今年，已减少了1千万吨以上，同时近年来我国合成氨下游消费量总体向着“减肥增化”的方向发展，再加上受到环保治理的积极影响，合成氨逐渐在车用尿素和电厂脱硫脱硝领域得到广泛应用。为能够尽快完成转型升级的目标，合成氨生产企业必须注重相关技术工艺的有效利用，加大对合成氨生产过程中产生的废气处理和利用，进一步缓解企业节能环保的压力，避免不必要的能源浪费，减少生产成本，以此来获得更理想的节能效益，这对企业自身和社会均有着关键意义。通过上文可知，通过在合成氨生产过程中对联醇工艺、变压吸附回收法、水电解制氢方法等进行有效利用，既能够提高甲醇、氢气等有价值气体的提取率，还能够提高合成氨的质量，同时降低电能、氨能等资源的消耗，减少有害气体的排放，为企业带来更多的收益，最终实现最小能耗，最大效益。

4 结语

综上所述，对于合成氨生产企业而言，通过有效回收再利用废气，不仅有利于优化自身合成氨生产工艺，实现资源的最大化利用，还能适应现代合成氨行业的发展趋势，符合社会和市场的变化需求。基于此，在具体生产过程中，企业必须结合自身实际需求和经济条件，选择合适的工艺技术和工艺手段，来对合成氨生产尾气中的甲醇、氢气及其他有价值的气体进行充分回收再利用，以此来提高资源的利用效率，减少能源的消耗，满足我国绿色环保可持续发展的要求，最终增加企业的综合效益，促进合成氨生产行业的健康持久发展。