煤化工合成氨工艺分析及节能优化措施

解洪伟 (泰安汉威集团有限公司，山东 泰安 271000)

0 引言

煤是一种不可再生能源，随着合成氨应用需求量的不断增大，用煤来直接合成氨的工艺改进显得尤为迫切，在节能改造方面下功夫，减少对煤能源的消耗，提高合成氨的效率和质量，是积极响应节能与环保等生产政策方针的号召，顺应煤化工合成氨领域的稳中求进发展需要。

1 煤化工合成氨的生产工艺分析

在化工科技发展的带动下，煤化工合成氨的工艺逾发成熟，能够满足市场对氨与化工产品等方面的需求。改造煤化工合成氨的生产工艺，更利于拓展合成氨工业的经济效益空间和稳健发展。利用煤直接合成氨的生产工艺在合成氨的工艺中仍占据主导地位，该工艺主要是在一定的压强条件下，将氢气与氮气进行催化合成反应制得合成氨。而在此阶段氢的制备难度较大，也是比较关键的环节，为满足工业发展需求，利用天然气或焦煤等高效制取氢气的工艺，逐步取代了传统产量较低的水电解法，成为目前合成氨生产中常见的工艺手段之一。

1.1 焦煤制取氢气的工艺

制取氢气的过程，涉及到原料制取、净化、精炼、氨合成、提纯等生产步骤，水煤浆气化与脱硫变换、液氮洗等是典型的煤化工氨合成生产工艺。

一是制取原料气：煤化工成为原料结构调整主导，主要受我国富煤与少气、缺油的能源结构影响，促使我国煤气化的装置与技术门类相对丰富。煤气化是指煤在高温条件下，与氧和催化剂发生反应，转化为氢气与一氧化碳等气体的方法。气态烃类通常以二段蒸汽转化法为主。在重油部分的氧化法，主要以重油为原料，在氧气条件下进行不完全燃烧，使烃类在高温下裂解燃烧产生的水蒸气与二氧化碳在高温下与甲烷进行转化反应。煤气化技术类型多样化，其中，多喷嘴水煤浆炉属于水煤浆气化法，相对于单喷嘴气化炉，有碳转化率高、煤耗低、压缩功耗少、氧耗低等优势特点，由于该技术的渣中含碳量低，渣和滤饼的黏度低，渣水分离的操作更加便利，环保压力随之降低。

二是原料气净化。通过各种方法制得的粗原料气，含有氢、氮、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳等。氢气与氮气是合成氨的重要条件，所以需通过变换与脱硫脱碳等手段，达到高效除去杂质的目的。将一氧化碳变换为氢气与二氧化碳，达到净化原料气与制取有效组分的目的。由于原料气中含饱和水蒸气，利用水煤浆气化装置，可简化变换流程的操作，利用变换分离凝液回气化的温度与压力去合理调控水汽。钴钼系的变换催化剂在硫化后会形成有活性的二硫化钼与羰基硫，所以催化剂需升温硫化。在化工科技发展的带动下，新型预硫化催化剂应运而生，解决了现场排放含硫有毒介质的问题。二氧化碳在合成氨的生产过程中，是制造碳酸氢铵或尿素等必不可少的原料，脱碳工序主要涉及到对二氧化碳的脱除及回收利用。脱硫是以天然气为原料的蒸汽转化法的关键，合成氨装置以天然气部分氧化法，产生乙炔尾气作为原料，可实现低能耗加压催化转化法制备合成氨，该方式减少了煤原料的应用与污染物产生，降低了成本与环境污染的情况，节能减排价值较高。而以煤与重油为原料的部分氧化法，需围绕一氧化碳变换对耐硫催化剂的是否利用而决定脱硫的位置。根据吸收剂性能将脱硫方法分为物理吸收与化学吸收两类，前者包括碳酸丙烯酯法或聚乙二醇二甲醚法等，后者包括低热耗本菲尔法或热钾碱法等。在实践中，相对于碳酸丙烯酯与PSA(变压吸附技术)方法，低温甲醇洗的应用价值更高，可同时去除二氧化碳与硫化氢，凭借溶液循环量小和吸收能力大、分离效率高等优势特点，得到了广泛的运用，可轻松满足氨合成的要求[1]。

三是原料气精炼。原料气在脱除硫与二氧化碳后，仍含有不同程度的甲烷、氧等，也包括残余的二氧化碳与一氧化碳，还需利用深冷液氮洗法、甲烷化法与铜氨液吸收法等方式实现深度的净化。

四是氨合成。合成塔内的氢氮混合气在催化剂作用与高温、高压的条件下反应为氨。反应后混合气体中的氨含量相对较低，需经冷却与分离出液氨；反应不完全的铵根气体与新鲜气，在升压后返回合成塔进行继续反应与系统循环。作为整个合成氨工艺的核心，氨合成工段的生产效率等情况，直接影响整个工艺的经济性。

五是氨的分离。反应平衡会限制氨合成反应，让部分的铵根气合成氨，为得到高纯产品氨，充分利用合成塔出口混合气中未反应的氮气与氢气。在合成氨工序受到热力学平衡的影响，合成氨的一次转化率相对较低，为提升整体反应的效率，需对液氨进行分离提纯，将未反应的原料气进行再次反应。而氨的分离系统在其中发挥着重要的作用，冷凝分离法与水吸收法是工业常用的分离方法。其中冷凝分离法的应用相对普遍，即冷凝降温处理合成氨工序产物，氨液化得到液氨，再利用分离器进行分离提纯。

1.2 重油制取氢气的工艺

通过氧化反应将重油较大的分子量转变为小分子。分离空气中的氮气与氧气，需基于非催化部分氧化法与高温条件，将重油氧化生成一氧化碳与氢气、硫化氢等气体。去除反应中的炭黑，通过等温变换将一氧化碳转变为二氧化碳与氢气。利用低温甲醇洗技术去除混合气中的硫化氢与二氧化碳等杂质。利用液氮法去除残留的一氧化氮与甲烷，最后精制合成氨。

1.3 天然气制取氢气的工艺

通过预处理措施，将天然气成分中的含硫化合物去除。利用钴钼加氢催化剂实现有机硫与无机硫的转变，再利用氧化锌降低含硫化合物的含量。甲烷在两段转化操作下得到一氧化碳、氢气与氮气的混合气体，再利用等温变化处理去除一氧化碳，从而得到氢气与二氧化碳。利用低温甲醇洗技术去除二氧化碳。处理后混合气中的一氧化碳与二氧化碳的含量相对较低，再通过催化剂与甲烷化反应，实现含碳化合物与甲烷的转变，进一步降低混合气中的一氧化碳与二氧化碳的含量，使其处于低于10 mg/L(的含量水平，最后获得纯净的氮气与氢气，满足氮气催化制备合成氨的条件需要。

2 煤化工合成氨工艺节能优化措施

2.1 更新换热元件

做好换热器的更新换代工作，利用异型管换热器、波纹管换热器、板式换热器等，提高设备与管线间传热的效率。如：升级改造换热器内部的换热元件，可强化蒸发式冷凝器的冷却与换热能力，达到降低能耗的目的。

2.2 废水回收利用

为降低生产成本，通常采取碎煤进行合成氨工艺，但碎煤形成煤气水内的煤粉尘与焦油处理不到位，极易堵塞合成氨管线，从而降低热传导的速率，加剧热量的损失。引入采取废水循环工艺，提高生产效率，确保生产装置得以稳定运作。加强对废水的回收再利用，可实现能源的高效利用，前提是需对煤粉与煤焦油进行多次的沉降处理，利用气浮装置去减少悬浮物的含量，从而达到理想的运行效果。

2.3 引入变频控制方式

利用变频控制设备去有效控制流动设备，以往固定供电频率的设备控制方式，启动设备不变频会加剧电力耗损。而变频控制方式的增速或减速更加平稳，节电效率更高。利用合成排放气的氢回收装置，减少原料氢的耗损。对甲烷化的设备增加选择性氧化、分子筛的干燥工艺，促使合成气的利用效率得以显著提升。可引入油压微机控制技术，及时调节分配时间，监督生产全程情况，优化配置合成氨工艺，切实提升生产的质量及效率[2]。

2.4 解决炉内挂灰问题

吹风气回收系统的长期运作，极易出现炉内正压或炉内挂灰等现象，运行的效率随之降低，还需从以下几方面入手去改造吹风气回收系统：一是采取折流式的措施去改造燃烧室内原格子砖蓄热层，减少发生炉灰阻塞的现象及其运作阻力，强化装置的储热度。二是利用蒸汽吹扫系统去吹扫换热管表面的挂灰沉积，解决挂灰问题，强化换热成效。三是卧式低空换热器取代以往的立式，解决挂灰与积灰等问题，提高系统的换热效率。四是引入新型的引风机，强化吹风气回收系统运作中的引风量级。在其基础上，利用吹风预热回收利用，进一步减少资源损失，达到预期的节能减排效果。

2.5 优化余热回收环节

引入煤气余热回收技术，及时回收利用反应中产生的热资源，提高能源的重复利用率。在氨水制取后的余热回收环节，普遍存在运作能耗大与回收效益差等问题，还需升级改造膜分离提氢系统。将无动力氨回收系统嵌入至膜分离提氢系统内，利用换热器降温处理液氨贮槽的驰放气，通过分离冷凝操作实现气氨与液氨的转化。再利用换热器将气氨引向冷凝环节，将反应形成的尾气转向燃烧炉。

2.6 发挥变压吸附氢回收装置的作用

变压吸附闪蒸气回收系统的长时间运作，易出现碳丙脱碳与变压吸附脱碳排入空气的现象，会加剧原料与能源的损失。从提高原料可回收利用性的角度入手去进行升级改造。利用变压吸附氢回收装置去引导碳丙脱碳闪蒸汽与变压吸附装置，使其能够回到压缩机入口，解决气体浪费问题，提升资源的回收利用率与原料煤的使用率。

2.7 提高合成系统的安全稳定性

作为煤化工合成氨的关键环节，合成系统的危险程度较高。合成氨的生产工艺，需要氮气与氢气在铁催化剂和高温等条件下进行，决定了合成系统易燃易爆的特点，加上液氮属于剧毒物质，储运过程中的安全风险随之增大。因此，需不断优化安全管理体系，提高合成系统与液氮储运的安全可靠性。合成系统部分的安全管理侧重在防火与生产条件控制、人员隔离等方面，时刻做好气体检测和防静电等安全管理工作，确保员工的人身安全。隔离使用合成系统，系统周围禁止出现明火，及时发现合成系统的泄漏危险因素，防止引发爆炸火灾与人员中毒等安全事件。

2.8 提高反应速率

不同原料制备合成氨的过程及各生产工艺的基本原理相对近似，都需预处理原料，再对目标混合气进行脱硫、脱碳、精制等处理，将获取到的高纯度氮气与氢气导入合成塔，在催化反应下形成合成氨。制气过程是整个生产工艺流程中能耗成本最高的环节，除此之外，催化反应合成氨过程中反应速率等问题产生的能耗不能忽视，还需积极引入节能减排措施。如应用新型高效的催化剂，提高合成氨与混合气的制备反应速率，降低整个生产工艺的时间成本；如：在低压条件下应用高活性催化剂去制备合成氨；应用新原料合成氨技术，由于天然气与煤等属于不可再生资源，为减少此类资源的消耗，需在合成氨新原料的研究与开发方面下功夫。不断扩大合成氨的生产规模，适当的延长生产周期。发挥各大工艺的优势协同效应，并分别处理合成氨中常见的氢气与甲烷、一氧化碳等气体，将其作为其他有机产品生产的原料，切实增加物质的转化率，达到提高效益与节能减排等优化目的。如：在一氧化碳的变换反应环节，变换反应虽然可轻松脱除一氧化碳，实现原料气的再生产[3]。但在此环节需消耗大量的蒸汽，也是合成氨工艺中的主要耗能之一，可将其作为节能降耗的关注点。

3 结语

综上，煤化工合成氨的工艺流程复杂繁琐，涉及到原料气的制备与净化等工序。立足合成氨工艺中的较大耗能环节，引入升级改造换热器设备、安装变压吸附氢回收装置、加大对合成系统的安全管理力度等多措并举的方式，发挥各煤化工合成氨工艺节能优化措施的联动效应，不断提高生产效益与质量。