煤化工合成氨工艺分析及节能优化对策

缪传耀

摘 要：化工技术的应用为社会经济发展贡献了很多化工制品，为人们生产生活创造了很多便利条件，合成氨在工业、农业及医药等诸多领域内均有应用。但因生产制造技术的制约，造成当下的合成氨工艺实施过程中存在着很大问题。从阐述煤气化原理着手，总结煤化工合成氨工艺的基本流程，以实现节能生产为目标，探究几点可行的优化对策。

关键词：煤化工；合成氨；工艺分析；节能优化

0 引言

       建国以后我国化工技术快速发展，其中合成氨工艺在发展中取得的进步是显而易见的，其在社会 多个行业发展中得到了广泛应用，为经济持续发展做出了突出贡献，故而其需求量也是庞大的。合成氨的工艺在持续改进中占据着主导地位，但主要的合成技术依然是用煤气直接合成氨。这种工艺自身存在着生产效率偏低、能源消耗量较高等不足，故而应结合 实际情况有针对性地改进设备装置与技术应用，持续完善催化剂，力争将能耗量降到最低，确保煤化工经济稳步提升。

1 煤气化原理

       煤气化工业活动推进时，就是在高温高压环境下使煤炭内的有效燃烧成分与氧气、水蒸气等发生化学反应，促进固体煤炭转化成可燃性气体。在业内，气化以后的煤化煤气通常被叫做合成气，参与气化反应的装置被称之为汽化炉或煤气发生炉。从宏观层面上，煤炭气化过程通常被细化成如下四个不同阶段，即干燥、燃烧、热解、气化，其中只有煤炭干燥属于物理制备过程，其他过程均属于化学反应的范畴 ^[1]。气化炉内煤炭在高温条件作用下会发生热解反应，自身分解并释放出大量的挥发性物质。挥发性物质后期在进一步加热升温过程中和加进炉内的添加剂发生化学反应，生成很多气态物质，包括一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、水等，以上物质经再次加热反应、冷却以后通常就能成功制成合成气。

2 煤化工合成氨工艺的主要流程

2.1 制取原料气

       这是煤化工合成氨工艺执行的首个环节，即制取合成氨工艺执行过程中所需的原材料。当前，多采用煤化气法制备煤化工艺的合成氨原材料，其通过促进蒸汽、氧气和其他催化剂反应实现对煤的高温加热，借此方式使煤炭分解成氢气与一氧化碳等可燃性气体。随后应用二段蒸汽的工法完成转化，进而实现合成气体的目的。

2.2 原料气的净化

       当前，工业上原料气的制备尚未实现精细化，现场制取所得的原料气内掺杂着很多硫化物、一氧化 碳、二氧化碳以及微量氧气，为了提升原料气的纯度， 就一定要更加严格地执行原料气的净化工作。这种净化工作执行的目的主要是剔除原料气内除氢气与氨气以外的所有杂质。客观上讲，以上这种去除方法不 能彻底剔除杂质，且理论上讲没有哪种物质的纯度能 达到 100%，纯度的提升还是要依靠脱硫及脱碳工作进行。首先，去除一氧化碳是一项难度较大的操作内容，为了提升这种杂质的去除效果，生产实践中可以先对一氧化碳进行转化处理，使其转变成较易剔除的二氧化碳与部分氢气。这样一来，不仅能显著提升杂质的去除效率，还能提取到更多的氢气原料，为合成 更多氨气提供更充足的准备。在该步骤中，工作人员一定要注意的问题是，清除一氧化碳的过程可以被看作是制取原料气的一种延续形式，这主要是由于实际制取过程中部分一氧化碳会转换成氢气^[2]。其次，一氧化碳清除工作结束后，就可以进入到硫化物的清除工序，即 脱硫过程。执行脱硫工艺的目的一方面是为提升合成氨的质量，另一方面因为硫化物自身带有一定毒性，若清除不及时可能会对合成氨制取过程安全性构成威胁。当下，实现工业脱硫可以采用的方法较多，相比之下理化吸收法与低温甲醇洗法是常用工法。粗原料气经过一氧化碳转换以后，变换气内不仅有氢气，还存在着部分二氧化碳、一氧化碳与甲烷等成分，二氧化碳含量占比相对较高。最后，很多研究表明，二氧化碳不仅是氨合成催化剂的一种常见毒物，也是尿素、碳酸氢铵等氮肥生产制备时的一种重要原料。故而脱除变换气内二氧化碳时一定要兼顾以上这两方面要求，当前，溶液吸收法用于二氧化碳脱除工艺中表现出良好的效能。

2.3 原料气的精炼

       合成氨原料经一氧化碳转换与二氧化碳脱除工艺以后，其内依然残留着少量的一氧化碳、二氧化碳、氧与水等杂质。为了将以上物质对合成氨催化剂产生的毒害作用降到最低，在把原料气送到合成工序之前，工作人员一定要对其进行精炼处理。当下，精炼原料气普遍采用的方法有如下三种：一是铜氨液吸收法；二是甲烷化法；三是深冷液氮洗涤法。

2.4 氨的合成

       理论上讲，氨的合成是合成氨的生产工艺中核心环节，上文针对原料气执行的所有制取、净化、精炼均是为更高效地完成合成工艺服务，进而制备出纯度最 高的氨。氨的合成一定要在高温、高压且有催化剂辅助的条件下进行，合成条件的特殊性直接决定了气体内氨含量偏低，通常含量范围是 10% ～ 21%，在这样的工况下为明显提升氨的含量，就一定要配合应用氢气-氮气的循环系统 ^[3]。基于持续的循环过程提升氨的分离效率，提升合成氨的整体合成效率。

2.5 氨的分离

       合成塔内合成氨工艺的执行情况受反应平衡条件的制约，事实上只有部分氢气、氮气会成功合成为氨，未参与反应的氢气和氮气占比较高。为提升合成塔出口混合气内未反应的氢气与氮气资源的利用效率，且获得纯度更高的氨产品，将氨由混合气内分离出是一项十分关键的工序。当前分离氨多采用如下两种方法，其一是水吸收法，其二则是冷凝分离法，当下国内很多大型氨厂优先采用第二种方法分离氨，其原理主要是利用氨冷却的方法促使混合气内气态氨在较短时间内冷凝成为液态氨，而后利用分离器促进气、液的有效分离。

3 合成氨工艺的节能改造

3.1 氨合成塔

       氨合成塔为煤化工合成氨设备的重要构成，其在运行过程中对催化剂的质量提出较高的要求，侧重点是实现在催化剂床层上气体自身达到均匀分布，氨合成塔技术改进及节能优化的途径主要是精简煤制合成氨装置的操作过程，最大限度地提升控制过程的可操作性，提升整个装置的实际运行效率，提升安全性，减少能源消耗量，最后制造出更多的合成氨材料。当下，我国针对氨合成塔的技术改造主要是使用 S-100 型、S-200 型、S-300 型氨合成塔，以上这三种氨合成塔均应用了托普索工艺。其中，S-300 型氨合成塔的结构主要是三穿层二段中间换热式，压力达到 15.0 MPa，必须要配置应用托普索专用催化剂，塔径 2 400 mm，塔温控制方法可以做出如下阐述：主线走塔中，副线走塔壁，主线和两条副线协同功控制三床层温度。托普索氨合成工艺流程 ^[4] 如图 1 所示。

       源于精制工序的新鲜合成气 (30 ℃，3.2 MPa) 被合成气压缩机压缩段加压、段间冷却处理以后，和始源于冷交换器内循环气合并到压缩机循环段，混合气压 力最后上升到 15 MPa，从压缩机送出。经压缩以后的 合成气被热交换器预热以后，从下部进到合成塔，以中 心管为依托抵达上部，而后经由内、外筒两者之间的环 隙顺着径向依次进到催化剂床层、换热器内发生相应二段化学反应 ^[5]。出合成塔的反应气 ( 大概 414 ℃，含氨体积分数 22% 左右 )，预热器回收热量以后被整合到热交换器压缩机出口气体，而后再经水冷器、冷交换器、一级及二级氨冷器处理，最后被冷却到 0 ℃进到氨分离器，在氨分离器内冷凝氨顺利分离出来，分离氨 后所得循环气经冷交换器回收以后进到压缩机循环段 并和新鲜气汇合，重复执行以上循环过程。由氨分离器分离出的液氨会被整合到氨闪蒸槽，基于减压工艺 (-3.2 MPa) 成功闪蒸出溶解的气体，闪蒸以后的液氨会被统一送到冷冻工序，而闪蒸气体会被送到合成气压缩机入口，最后整体返回到合成系统。

3.2 废水循环利用技术的改进

       合成氨的生产工艺内，大部分生产者为了减少成本支出，通常选用碎煤作为生产原材料，碎煤生成煤气 以后其内的焦油与粉尘并没有实现完全分离，这是造成 当前合成氨工艺生产管道内局部堵塞的主要原因，进而导致合成氨生产中的热损失量显著增多。另外，采用适宜的方法提升废水利用效率也有助于减少合成氨生产 实践中煤能源的消耗量 ^[6]。对于废水循环利用技术的改造，需要对焦油、煤粉进行二次或者多次沉降处理，且要在此基础上增设气浮装置，力争在进行二次或多次沉降以后，煤气水内的油质量浓度与悬浮物含量均处于较低水平，降低煤化工合成氨装置堵塞事件的发生率，在这样的情境下整个装置的运行效率会显著增加。

3.3 换热器的改造

       即对换热器设备进行升级改造，配置应用高效型换热器完成设备与管线的传热过程，比如波纹管、异型管及板式换热器等。现行生产中，企业大多选择蒸发式冷凝器，采用优化整改这种内部换热元件的办法，能够显著提升其换热成效与冷却能力，进而确保换热效率处于较高水平，减少能源消耗量。

3.4 流动设备

       即采用变频控制设备管理控制流动设备的使用情况，既往使用的设备控制方法是通过固定供电频率 去控制设备，启动设备环节执行的操作不够平滑，可能导致损失掉大量的电力资源。而改用变频控制方法以后能够真正达到平滑的增速或减速，既往有资料记载其节能电效率大概为 20%^[7]。除此之外，还可以尝 试应用合成排放气的氢同收设备 (如膜提氢装置等)， 这种方法能明显减少原料氢的消耗量。

3.5 分子筛节能方法

       当下，已经有很多企业将分子筛技术用于合成氨工艺实践中，其最大的特点是能显著提升进入合成塔内的水、CO₂、CO 等杂质的净化效率。既往即有公司采用这种方法对合成车间进行了技术改造。

       新增设的分子筛干燥系统以后的节能措施主要有：(1) 该系统投用后，进入塔气内的 CO₂、H₂O 和 CO 含量显著降低，这就代表合成氨气体质量显著提升，在这样的工况下催化剂自身活性显著提高，自身的使用寿命明显延长；(2) 运用分子筛后，回路内 “冷”“热”位置布置更加合理化，弛放气处被设置在分氨后面，方位更加科学化，能够节约弛放气过程中氨冷器的氨冷量；(3) 新增系统实现正常运作以后，系统压力会显著降低，继而明显减少了因新增系统而引起的合成气压缩机高、低压缸两者之间大量压力损失的情况，减少了压缩机自身功效损失量^[8]。

3.6 配置合成冷却系统

       伴随出塔气源源不断地进到水冷器，冷却到一定温度以后，气体就被分成两股，一股依次被一级、二级氨冷器冷却处理，另一股于并联换热器被一 23 ℃的 循环气冷却，而后两股气液混合物聚集，再整体进到三级氨冷器冷凝到一 23 ℃。

       以上气液混合物运输到高压氨分离器以后，液相进到低压氨分离器，不凝组分被成功分离以后便顺利获得产品液氨；气相进到并联换热器管程用在冷却局部出塔气，由并联换热器出来，随后会有较小股气体被作为合成回路弛放气。因为弛放气内的氨经高压氨分离，其内多数液氨，故而弛放气无需再经过初有的弛放气氨冷器与分离器，故而本次技术改造后可以撤离以上这两种设备^[9]。且建议在并联换热器的冷侧增设旁路，利用其调控入洗氨塔弛放气的温度值。另外，多数气体会被作为循环气，返回至压缩机循环段入口达到循环使用。

4 结语

       合成氨的生产情况直接影响煤能源的消耗情况，故而相关部门应重视合成氨工艺流程分析，结合实际情况对合成氨工艺进行技术改造，使我国可持续发展战略实施及节能环保目标达成有更可靠的支撑。

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