合成氨生产中的废气利用与节能效益研究

2023-09-26赵倩

区域治理 2023年22期

赵倩

河南化工技师学院

合成氨在实际生产过程中，其气体含量较大，而考虑到相关科技手段应用不足，很多企业很难从中提取大部分气体，导致企业只能将相关气体作为工业废气排放到大气中，这种行为会导致大气污染加重，也是对资源的一种浪费。对此，需要探索如何回收利用这些废气，这是目前合成氨生产中必须要思考和解决的问题。

一、合成氨生成中废气利用的必要性

在产业发展中，废气利用以及节能环保问题处理一直是重点工作内容，也是二十大中对企业发展比较关注的问题。合成氨生产过程中，要想实现节能效果，需要对相关生产加工工艺进行优化处理，不断加大对废气利用的效力。不管是基于企业视角还是社会发展视角来看，都是十分必要的[1]。合成氨生产中，需要强化废气利用，做好节能减排工作，这对于提升生产人员的节能环保意识，促进节能环保行动具有积极作用，此外，也有利于进一步优化加工生产工艺，促进企业合成氨的生产水平和综合效益不断提升。

二、合成氨生产工艺分析

目前，我国是合成氨生产量最大的国家之一，国内目前有三十多套大型氮肥装置，接近20套的装置都是以燃气为原料的，还有部分以轻油、重油或者是煤为原料的。有了这些大型氮肥装置的支持，我国的年氮肥生产量巨大[2]。此外，我国还有50 多套中型合成氨装置，这些都保证了我国的氮肥生产产量稳定提升，为农业生产提供大量的尿素、氮肥和硝酸铵等。

就合成氨的生产来看，使用不同的原料，对应的生产工艺也是不一样的。如，以煤炭和天然气为原料来进行合成氨生产，一般使用原料气进行制备，通过煤和焦炭等固体原料进行合成氨的生产中，一般使用气化方法，但是不管选择何种生产方法，净化处理的步骤都是必要的，这一步骤主要是将氢气和氮气外的杂质清除干净，特别是在变换中，脱硫脱碳和气体精制中杂质的清除至关重要。通常而言，在进行净化处理中，有很多环节都会产生一氧化碳，因此，需要对一氧化碳做好变换处理。在具体处理中会导致大量热的释放，因此，变换工作需要分段开展，即通过高温作用将一氧化碳转变成二氧化碳和氢气，此后借助降温效应来使得一氧化碳的含量不断减少。实际的作用是通过低温甲醇洗法或是聚乙二醇二甲醚法来处理。在气体精制处理中要将杂志清除干净。此外，在原料气进入到合成工序前，需要将残留的二氧化碳以及一氧化碳气体清除干净，达到对原料气的净化效果，一般可以选择使用甲烷化和液氮洗的方法来处理。

在众多的行业生产发展中，合成氨属于高能耗产业，其污染严重，这是因为合成氨生产中使用的原材料以能源材料为主，在合成处理中对于能源资源需求量较大。通常来看，合成氨生产成本投入较大。数据统计显示，我国的能源3%是在合成氨生产中使用的，此外，氧气在合成氨生产中也需要大量供应，生产中还会产生大量的二氧化氮、二氧化硫等有害气体物质，这对于环境会产生一定危害。当前，国家的能源资源紧张，环境污染严重，合成氨生产中的废弃利用对于其可持续发展具有积极作用，对此，需要做好合成氨生产企业的节能环保工作[3]。

三、合成氨生产中的废气利用和节能效益分析

（一）利用合成气体中的一氧化碳进行甲醇生产

甲醇在基础化工原料的生产中占有重要地位，利用小型化肥制造设备即可同时生产酒精、甲醇和合成氨，这种生产工艺更加经济高效。联合醇工艺可以有效利用合成氨生产中的尾气生产甲醇，最终不会对合成氨的生产产生较大的影响，可以为企业的生产提供理想的效果。酒精相关工艺主要有两个方面需要研究。第一个是利用其中的二氧化碳来促进甲醇生产过程。由于CO与氢气反应可生成甲醇，根据其化学方程式，当CO 转化率达到50%时，可生成2.93 千克甲醇[4]。另一种是利用其他废气来促进合成氨的生产。 1 摩尔氮气和3摩尔氢气可生成2 摩尔氨，若氢气转化率能达到88%，则相应的合成氨质量为20.66 千克。如果生产中氢气的转化率相应提高。合成氨的质量相应提高。通过对比采用单一酒精生产工艺生产合成氨或甲醇，发现采用该方法同时生产这两种原料每年可带来显著的经济效益。看来，氨生产中产生的一氧化碳可以充分利用来完成酒精相关工艺生产甲醇。

采用联合醇工艺生产甲醇时，需要增加液泵电机的使用量，增加常压精醇工艺的电耗，增加高压压缩气体的用量。这实际上节省了一些压缩所需的能源，大致抵消了甲醇生产的电力消耗，在精制乙醇生产中，预热器和旋转蒸发器消耗一定的蒸汽，但单独生产甲醇所需的煤耗较低，所以通过联醇工艺生产甲醇的节能效果是显著的。这一生产工艺充分利用了合成氨生产中的一氧化碳，达到了节能效果，还具有良好的社会经济效益[5]。

（二）从合成氨尾气中提取氢

在合成氨生产中，废气通常经过两次脱除。一种是合成系统原料气的循环废气和积聚的惰性气体，另一种是高压液氨接入氨罐时从氨罐释放的吹扫气。这两类气体约占合成器体积的2%-5%，每吨氨排放150-250 Nm3。可见，合成氨尾气也是优质能源，可以通过提取利用发挥其价值。在相关生产实践中进行测算发现，每吨氨的尾气热值接近3.87×106kJ，占据氨生产过程中耗热值的7.56%左右[6]。目前，很多企业无法回收煤气中所含的有价气体，只能将烟气经过氨处理后降压，然后送入锅炉进行低热值燃烧，这样会增加能源消耗和资源浪费。

通过对于合成氨尾气含量的检测发现，其中的氢气含量超过了59%，是排放尾气中占比最大的部分，一些中小型化肥厂可以从氢气回收入手，回收氢气来提高节能技术，回收的氢气可以直接换取商品或用作合成氨的原料。返回氨合成系统使用。据统计，每回收1000 Nm3氢气相当于节省1500 Nm3半氢气，可提高合成氨产量5%左右，每吨氨可降低能耗2.5×106kJ。

在氢气回收中，可以使用变压吸附法，这种工艺技术如今已经发展成熟了，结合常温吸附剂在两种不同压力下对于氢气中相关成分的吸附容量差异来实现对于氢气的回收，能够有效将尾气中氢气意外的杂质清除干净，实现尾气中氢气回收率达到85%左右，回收利用率比较高。

总体来看，氢气的发热值要比汽油高出三倍，是一种无污染、清洁型的高效能源。同时也是冶金、化工、电子等部门很多产品工艺中必须使用的还原气或保护气，其应用范围较广。相关水电解工艺中的制氢耗电量较大，需要的成本很高，和我国的电力紧张情况是不相适应的，通过生产合成氨中的尾气进行氢提取，其经济效益和环境效益都比较好，具有广阔的发展前景。具体的氨和氢提取中，可以尝试低温分离。这种提取方法基本上是一种根据沸点和溶解度的差异来分离成分的方法。该方法可用于空气中氢气的回收[7]。除氧空气主要含有H2、N2、Ar、CH4、NH3 等气体，除氧气体通过冷凝器将大部分氨转化为液氨，然后在水洗塔中与无氧空气结合。剩余的氨被厌氧软水使用。然后。然后利用低温精馏将氢气、甲烷、氩气和氮气一一分离，分离后得到90%的氢气。该方法可同时回收氢气和氮气，且氢气纯度高。该方法采用两级深冷部分冷凝分离技术，解决了设备内甲烷冻结的问题，并且它与合成氨系统相互独立互不影响操作。

（三）合成氨尾气的其他利用

一些化肥企业已经开始尝试将合成排放气作为煤气供应给居民进行燃烧，为小城镇的居民提供生活服务的能源支持，这种方案能够实现的节煤效率将近40%，一年生产3 万吨的合成氨的化肥企业排放出的合成排放气能够为4000 多户家庭提供煤气燃烧原料，其节能效果显著，能够为小化肥厂增加经济收益，还能促进城镇居民生活用能水平的改善和优化，不断减少环境污染问题。

一些经济基础强大，技术力量突出的大型化肥生产企业而言，能够对于合成氨尾气中的稀有气体做好回收处理，将尾气中的其他稀有气体回收起来，这种回收处理的成本相对较高，不过其所能带来的经济价值较高，在科学技术不断发展的进程中，尾气中的相关成分都能得到合理的回收利用，真正变废为宝，实现合成氨生产中废气的经济效益和环保效益。

四、合成氨生产中的氨回收技术发展现状

目前，在我国的很多化肥企业合成氨生产工艺流程中，为了增强合成氨的附加值，碳铵逐渐被淘汰尿素或是附加值更高的产品在生产中应用更为普遍。在尿素生产中，针对合成氨驰放气氨回收工艺一般都以水洗法为主，一些甚至是直接出售氨水，这类处理方案会导致氨的附加值降低，也会导致很多氨水不能有效处理，导致生产和生活环境受到严重威胁。对此，相关科研工作人员需要积极探索低温氨处理方法和技术，确保氨回收纯度达到100%。通过氨灌驰放气和为其压力来实现氨回收，并不需要额外进行新的动力补充，不过这种方案使用有一定缺陷，即尾气中氨的剩余量在接近2%的情况下，达不到我国环保排放标准要求[8]。而就无动力氨回收工艺的基本原理而言，其是借助深冷技术实现化肥生产装置回收，基于相应气体沸点存在的差异，将驰放气温度快速降低到零下60 摄氏度上下，实现对于气态氨从驰放气中的提取目标。

此外，低压闪蒸回收工艺应用也比较多，一些化肥厂家在尾气吸收完成后，氨的含量比较高，他们会将氨尾气作为燃烧气体或是直接排放，这种处理方式不仅会导致严重的空气污染，也是一种资源浪费。且这种方法利用回收氨的效率也不高。合成氨生产中尾气中的氨含量实际上是比较高的，需要消耗一定的水资源，氨水浓度不高，且冷却效果也不好，很难实现连续正常运转。连续正常运行时间很难实现。如果生产厂需要维修设备，但系统内存在大量残留氨，只能在设备完全停止后直接排放到大气中，造成污染加剧。

近年来，一些厂家开始采用耐压闪蒸技术回收压力小于2MPa 的合成氨废气和含氨废气，并结合特殊生产需要使用。这种回收方式可以不断降低企业的生产成本，具有一定的环保效果。低压火焰蒸发技术的应用可以利用低压闪蒸塔实现尾气回收，并利用双层泡罩延长气液接触时间，提升整体反应效率。两层中都使用鼓泡式吸收方案，能够确保系统氨水的浓度不断提升，提高其反应效率，降低系统用水量。将这一方法独立应用到合成氨尾气出口的氨含量控制中，具有很好的应用效果。

合成氨可达到工艺用水量，减少效果可节约水资源。同时还可以提高吸收塔内氨水的浓度，有效降低后续修复净化的能耗。