简析合成氨系统的能源利用及节能方法

文长明(山东洪业化工集团项目指挥部,山东 菏泽 274500)

我国合成氨系统的引入较早，以焦炉煤气制合成液氨为代表的一系列技术具有较高的实用性，但氨合成的过程中必然需要消耗大量能源。从符合我国可持续发展的需要，和公司可长远发展的规划，如何能充分利用能源，达到提高合成氨系统的节能率，从而提高产能具有重要意义。

1 合成氨系统一般净化方法介绍

合成氨所指的就是氢气与氮气受到高压催化剂作用后合成的氨，也可称为氨气，世界上的氨大部分都是合成氨，氮是其主要元素，在自然界中有广泛分布，空气中的含氮量也非常高，其体积约为79%。合成氨的用途较多，它可以用来制作氮肥，是一种非常高效的肥料，在农业增产中有着较高的应用价值。

针对目前合成氨系统的节能及能源充分利用改造，根据公司主要采用加压催化部分氧化工艺为代表的焦炉气制气生产合成氨的技术特点，利用系统内部余热、循环利用进行节能化改进，从而能提高能源利用率、节约资源，实现节能目的。净化处理粗原料，有利于将氮气与氢气以外的杂质清除，这一过程主要包括以下几个步骤：

1.1 CO变换

无论采取何种原料制取方法，均含有一氧化碳，体积分数通常在12%至40%之间，采用一氧化碳变换反应，在不同温度条件下完成变换，主要包括低温变换与高温变换，可以控制一氧化碳浓度，使其降低至0.25%，这一过程实际上就是净化过程。

1.2 脱硫脱碳方法

所有粗原料气的制取，均含有碳与硫的氧化物，要想防止氨生产过程中，出现催化剂中毒的情况，需于合成前，采取脱碳操作，原料主要为天然气，转化法为蒸气转化法，脱硫为首道工序，以一氧化碳变换情况为依据，明确耐硫催化剂脱硫情况。

1.3 二氧化碳精制方法

通过一氧化碳变换、二氧化碳脱出后，原料中会包含少量一氧化碳与二氧化碳物质，必须采取措施减轻氨合成催化剂毒害作用。在合成工序实施前，需净化原料气，这就是所谓的精制过程。

2 合成氨系统节能改造具体措施

目前合成氨系统的节能改造可从采用以下节能技术，具体措施简述如下。

2.1 余热利用

主要是利用了生产系统中将焦炉煤气的甲烷在经转化、变换等得到高含量氢的过程中，出催化剂炉或器的气体温度较高，必须再降温达到下一步工序温度要求，所以可以利用这部分需要转移的热量，即达到降温目的，又将转移出的热量进行再利用。减少利用蒸汽量，实现减少煤资源消耗的效果。在变换炉废锅回收一部分热量，转变成需要等级的蒸汽后，可增加一套热水型制冷机组，利用换热器换热气体后，转移的高温水作为制冷机组的动力来源，制冷机组利用热水能，将需要冷却的冷水进一步降温。可供冷水空调用或其他用冷水生产单元。现国内有很多利用余热的工艺或技术方案，根据全厂系统平衡及技术产生的效益，是否能回收那部分热量。

2.2 节约用水

随着生产、生活的加剧，水资源越来越缺。在生产系统中给工艺气体降温，通常采用循环水或脱盐水换热降温，但还可以用空冷降温。根据自身工艺特点、用水量、综合耗能，我公司在变换有一台循环水冷却器，用水量较大，根据实际耗能比较，改用空冷法冷却，同样将工艺气温度150℃左右降到50℃左右，但每小时节约循环水1200多方；从用电方面比较，空冷自身耗电要比将1200多方的水用泵输送来耗电比要低。虽然增加设备投入，但长期比较带来的经济效益、社会效益还是比较好的。

2.3 循环利用、减少排放

由于前系统提供的氢氮气中可能含有少量甲烷、氩等惰性气体，在氨合成系统生产中不参加反应，但影响系统分压，从而影响氨产量。所以，在实际生产中惰性气体要排放，将惰性气体含量控制在合理范围内，但排放出的气体含氢、氨、较高，还有部分含氢、氨较高闪蒸气。若直接排放污染环境，所以氨合成系统配套一回收这部分氨的回收装置（水洗法氨回收装置）。我公司在实际生产中根据经验或结合已有技术，将洗氨气用的脱盐水经过精馏塔回收氨后，再利用此水洗排放含氨气，洗氨后的气体氨含量达到做燃料气要求，再利用。国内有很多技术回收含氨气体，水洗精馏法、膜分离法等，同样的方法，工艺路线并不相同。

2.4 气体成分优化

我公司采用国内低压合成氨工艺。大概流程是工艺气经过加压14MPa左右后，进合成塔氢氮气在合成塔内反应合成氨，经冷却后成液态氨。众所周知，在工艺气中甲烷含量的高低对合成氨一定影响。工艺气中甲烷含量在0.9%左右，氨净值能到13%；若甲烷含量在0.08%左右，氨净值能到16%，系统压力在13MPa左右,并且工艺甲烷低，系统需要的反应压力降低，耗气量降低，产氨量高。根据氨合成生产经验，针对现有工艺气甲烷含量较高的氨合成系统，工艺气中含甲烷是有一个平衡值的，达到无排放气（调节系统惰性气体）的要求。通过制氢系统操作将甲烷含量降低到这一值，是有利于氨合成系统生产。

2.5 催化剂升温还原法

结合国昌合成氨技术的相关方法以及国昌公司的催化剂选择建议，最终选择使用AC-H型催化剂，因其具有预还原式低温氨合成的优点，且还原速度良好，催化剂活性也远远优于A110系列催化剂。液氧合成主要是利用化产车间送来的焦炉煤气（经过初步脱硫脱氨）将气体中含24%左右的甲烷在转化炉中与蒸汽反应转化成一氧化碳、二氧化碳和氢气，气体甲烷小于0.5%；再经过中低变，将一氧化碳转化为二氧化碳、氢气，气体中一氧化碳小于0.3%；再经过PSA脱碳脱除二氧化碳，气体中二氧化碳小于0.1%；再经过甲烷化，是气体中一氧化碳、二氧化碳转化为甲烷，因为甲烷进合成塔不参加反应，在合成塔中属于惰性气体，不影响氮气与氢气反应生成氨。气体中甲烷小于0.5%，进合成塔。通过温度、流量、压力调节生成液氨。

最后使用合成塔对催化剂及废气进行升温催化还原，不仅可以有效回收能源，并且能提高液氨合成节能效益。合成塔开始运转后，催化剂床层温度逐渐上升至250℃，水气浓度在0.45g/Nm3左右，之后逐渐将升温至420℃。在升温过程中，随时保障床层温度的稳定，同时相应调整水气浓度，从而将出水量控制在合理范围内。在逐渐上升床层温度的同时，调整塔内压力，降低入塔的气体量，并配合采用提高电炉功率以及热锅炉蒸汽压力等方法，从而把催化剂床层温度提高至最高，保持一段时间后，即可结束催化剂还原工艺，并进行后续轻负荷成产。

3 结语

通过采取合理的措施，有利于对能源动力结构进行调整，达到降低成本，提高经济效益的目的，合成氨系统是现阶段一项可靠的技术，在系统运动过程中，要明确物料与能源的具体利用情况，防止非正常流失的出现。企业要注重净化方法的选择，实现合成氨系统的节能改造。

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