煤化工合成氨工藝分析及節(jié)能優(yōu)化對策

繆傳耀

摘 要：化工技術(shù)的應(yīng)用為社會經(jīng)濟發(fā)展貢獻(xiàn)了很多化工制品，為人們生產(chǎn)生活創(chuàng)造了很多便利條件，合成氨在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域內(nèi)均有應(yīng)用。但因生產(chǎn)制造技術(shù)的制約，造成當(dāng)下的合成氨工藝實施過程中存在著很大問題。從闡述煤氣化原理著手，總結(jié)煤化工合成氨工藝的基本流程，以實現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)為目標(biāo)，探究幾點可行的優(yōu)化對策。

關(guān)鍵詞：煤化工；合成氨；工藝分析；節(jié)能優(yōu)化

0 引言

       建國以后我國化工技術(shù)快速發(fā)展，其中合成氨工藝在發(fā)展中取得的進(jìn)步是顯而易見的，其在社會 多個行業(yè)發(fā)展中得到了廣泛應(yīng)用，為經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)，故而其需求量也是龐大的。合成氨的工藝在持續(xù)改進(jìn)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，但主要的合成技術(shù)依然是用煤氣直接合成氨。這種工藝自身存在著生產(chǎn)效率偏低、能源消耗量較高等不足，故而應(yīng)結(jié)合 實際情況有針對性地改進(jìn)設(shè)備裝置與技術(shù)應(yīng)用，持續(xù)完善催化劑，力爭將能耗量降到最低，確保煤化工經(jīng)濟穩(wěn)步提升。

1 煤氣化原理

       煤氣化工業(yè)活動推進(jìn)時，就是在高溫高壓環(huán)境下使煤炭內(nèi)的有效燃燒成分與氧氣、水蒸氣等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)固體煤炭轉(zhuǎn)化成可燃性氣體。在業(yè)內(nèi)，氣化以后的煤化煤氣通常被叫做合成氣，參與氣化反應(yīng)的裝置被稱之為汽化爐或煤氣發(fā)生爐。從宏觀層面上，煤炭氣化過程通常被細(xì)化成如下四個不同階段，即干燥、燃燒、熱解、氣化，其中只有煤炭干燥屬于物理制備過程，其他過程均屬于化學(xué)反應(yīng)的范疇 ^[1]。氣化爐內(nèi)煤炭在高溫條件作用下會發(fā)生熱解反應(yīng)，自身分解并釋放出大量的揮發(fā)性物質(zhì)。揮發(fā)性物質(zhì)后期在進(jìn)一步加熱升溫過程中和加進(jìn)爐內(nèi)的添加劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成很多氣態(tài)物質(zhì)，包括一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水等，以上物質(zhì)經(jīng)再次加熱反應(yīng)、冷卻以后通常就能成功制成合成氣。

2 煤化工合成氨工藝的主要流程

2.1 制取原料氣

       這是煤化工合成氨工藝執(zhí)行的首個環(huán)節(jié)，即制取合成氨工藝執(zhí)行過程中所需的原材料。當(dāng)前，多采用煤化氣法制備煤化工藝的合成氨原材料，其通過促進(jìn)蒸汽、氧氣和其他催化劑反應(yīng)實現(xiàn)對煤的高溫加熱，借此方式使煤炭分解成氫氣與一氧化碳等可燃性氣體。隨后應(yīng)用二段蒸汽的工法完成轉(zhuǎn)化，進(jìn)而實現(xiàn)合成氣體的目的。

2.2 原料氣的凈化

       當(dāng)前，工業(yè)上原料氣的制備尚未實現(xiàn)精細(xì)化，現(xiàn)場制取所得的原料氣內(nèi)摻雜著很多硫化物、一氧化 碳、二氧化碳以及微量氧氣，為了提升原料氣的純度， 就一定要更加嚴(yán)格地執(zhí)行原料氣的凈化工作。這種凈化工作執(zhí)行的目的主要是剔除原料氣內(nèi)除氫氣與氨氣以外的所有雜質(zhì)。客觀上講，以上這種去除方法不 能徹底剔除雜質(zhì)，且理論上講沒有哪種物質(zhì)的純度能 達(dá)到 100%，純度的提升還是要依靠脫硫及脫碳工作進(jìn)行。首先，去除一氧化碳是一項難度較大的操作內(nèi)容，為了提升這種雜質(zhì)的去除效果，生產(chǎn)實踐中可以先對一氧化碳進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，使其轉(zhuǎn)變成較易剔除的二氧化碳與部分氫氣。這樣一來，不僅能顯著提升雜質(zhì)的去除效率，還能提取到更多的氫氣原料，為合成 更多氨氣提供更充足的準(zhǔn)備。在該步驟中，工作人員一定要注意的問題是，清除一氧化碳的過程可以被看作是制取原料氣的一種延續(xù)形式，這主要是由于實際制取過程中部分一氧化碳會轉(zhuǎn)換成氫氣^[2]。其次，一氧化碳清除工作結(jié)束后，就可以進(jìn)入到硫化物的清除工序，即 脫硫過程。執(zhí)行脫硫工藝的目的一方面是為提升合成氨的質(zhì)量，另一方面因為硫化物自身帶有一定毒性，若清除不及時可能會對合成氨制取過程安全性構(gòu)成威脅。當(dāng)下，實現(xiàn)工業(yè)脫硫可以采用的方法較多，相比之下理化吸收法與低溫甲醇洗法是常用工法。粗原料氣經(jīng)過一氧化碳轉(zhuǎn)換以后，變換氣內(nèi)不僅有氫氣，還存在著部分二氧化碳、一氧化碳與甲烷等成分，二氧化碳含量占比相對較高。最后，很多研究表明，二氧化碳不僅是氨合成催化劑的一種常見毒物，也是尿素、碳酸氫銨等氮肥生產(chǎn)制備時的一種重要原料。故而脫除變換氣內(nèi)二氧化碳時一定要兼顧以上這兩方面要求，當(dāng)前，溶液吸收法用于二氧化碳脫除工藝中表現(xiàn)出良好的效能。

2.3 原料氣的精煉

       合成氨原料經(jīng)一氧化碳轉(zhuǎn)換與二氧化碳脫除工藝以后，其內(nèi)依然殘留著少量的一氧化碳、二氧化碳、氧與水等雜質(zhì)。為了將以上物質(zhì)對合成氨催化劑產(chǎn)生的毒害作用降到最低，在把原料氣送到合成工序之前，工作人員一定要對其進(jìn)行精煉處理。當(dāng)下，精煉原料氣普遍采用的方法有如下三種：一是銅氨液吸收法；二是甲烷化法；三是深冷液氮洗滌法。

2.4 氨的合成

       理論上講，氨的合成是合成氨的生產(chǎn)工藝中核心環(huán)節(jié)，上文針對原料氣執(zhí)行的所有制取、凈化、精煉均是為更高效地完成合成工藝服務(wù)，進(jìn)而制備出純度最 高的氨。氨的合成一定要在高溫、高壓且有催化劑輔助的條件下進(jìn)行，合成條件的特殊性直接決定了氣體內(nèi)氨含量偏低，通常含量范圍是 10% ～ 21%，在這樣的工況下為明顯提升氨的含量，就一定要配合應(yīng)用氫氣-氮氣的循環(huán)系統(tǒng) ^[3]?；诔掷m(xù)的循環(huán)過程提升氨的分離效率，提升合成氨的整體合成效率。

2.5 氨的分離

       合成塔內(nèi)合成氨工藝的執(zhí)行情況受反應(yīng)平衡條件的制約，事實上只有部分氫氣、氮氣會成功合成為氨，未參與反應(yīng)的氫氣和氮氣占比較高。為提升合成塔出口混合氣內(nèi)未反應(yīng)的氫氣與氮氣資源的利用效率，且獲得純度更高的氨產(chǎn)品，將氨由混合氣內(nèi)分離出是一項十分關(guān)鍵的工序。當(dāng)前分離氨多采用如下兩種方法，其一是水吸收法，其二則是冷凝分離法，當(dāng)下國內(nèi)很多大型氨廠優(yōu)先采用第二種方法分離氨，其原理主要是利用氨冷卻的方法促使混合氣內(nèi)氣態(tài)氨在較短時間內(nèi)冷凝成為液態(tài)氨，而后利用分離器促進(jìn)氣、液的有效分離。

3 合成氨工藝的節(jié)能改造

3.1 氨合成塔

       氨合成塔為煤化工合成氨設(shè)備的重要構(gòu)成，其在運行過程中對催化劑的質(zhì)量提出較高的要求，側(cè)重點是實現(xiàn)在催化劑床層上氣體自身達(dá)到均勻分布，氨合成塔技術(shù)改進(jìn)及節(jié)能優(yōu)化的途徑主要是精簡煤制合成氨裝置的操作過程，最大限度地提升控制過程的可操作性，提升整個裝置的實際運行效率，提升安全性，減少能源消耗量，最后制造出更多的合成氨材料。當(dāng)下，我國針對氨合成塔的技術(shù)改造主要是使用 S-100 型、S-200 型、S-300 型氨合成塔，以上這三種氨合成塔均應(yīng)用了托普索工藝。其中，S-300 型氨合成塔的結(jié)構(gòu)主要是三穿層二段中間換熱式，壓力達(dá)到 15.0 MPa，必須要配置應(yīng)用托普索專用催化劑，塔徑 2 400 mm，塔溫控制方法可以做出如下闡述：主線走塔中，副線走塔壁，主線和兩條副線協(xié)同功控制三床層溫度。托普索氨合成工藝流程 ^[4] 如圖 1 所示。

       源于精制工序的新鮮合成氣 (30 ℃，3.2 MPa) 被合成氣壓縮機壓縮段加壓、段間冷卻處理以后，和始源于冷交換器內(nèi)循環(huán)氣合并到壓縮機循環(huán)段，混合氣壓 力最后上升到 15 MPa，從壓縮機送出。經(jīng)壓縮以后的 合成氣被熱交換器預(yù)熱以后，從下部進(jìn)到合成塔，以中 心管為依托抵達(dá)上部，而后經(jīng)由內(nèi)、外筒兩者之間的環(huán) 隙順著徑向依次進(jìn)到催化劑床層、換熱器內(nèi)發(fā)生相應(yīng)二段化學(xué)反應(yīng) ^[5]。出合成塔的反應(yīng)氣 ( 大概 414 ℃，含氨體積分?jǐn)?shù) 22% 左右 )，預(yù)熱器回收熱量以后被整合到熱交換器壓縮機出口氣體，而后再經(jīng)水冷器、冷交換器、一級及二級氨冷器處理，最后被冷卻到 0 ℃進(jìn)到氨分離器，在氨分離器內(nèi)冷凝氨順利分離出來，分離氨 后所得循環(huán)氣經(jīng)冷交換器回收以后進(jìn)到壓縮機循環(huán)段 并和新鮮氣匯合，重復(fù)執(zhí)行以上循環(huán)過程。由氨分離器分離出的液氨會被整合到氨閃蒸槽，基于減壓工藝 (-3.2 MPa) 成功閃蒸出溶解的氣體，閃蒸以后的液氨會被統(tǒng)一送到冷凍工序，而閃蒸氣體會被送到合成氣壓縮機入口，最后整體返回到合成系統(tǒng)。

3.2 廢水循環(huán)利用技術(shù)的改進(jìn)

       合成氨的生產(chǎn)工藝內(nèi)，大部分生產(chǎn)者為了減少成本支出，通常選用碎煤作為生產(chǎn)原材料，碎煤生成煤氣 以后其內(nèi)的焦油與粉塵并沒有實現(xiàn)完全分離，這是造成 當(dāng)前合成氨工藝生產(chǎn)管道內(nèi)局部堵塞的主要原因，進(jìn)而導(dǎo)致合成氨生產(chǎn)中的熱損失量顯著增多。另外，采用適宜的方法提升廢水利用效率也有助于減少合成氨生產(chǎn) 實踐中煤能源的消耗量 ^[6]。對于廢水循環(huán)利用技術(shù)的改造，需要對焦油、煤粉進(jìn)行二次或者多次沉降處理，且要在此基礎(chǔ)上增設(shè)氣浮裝置，力爭在進(jìn)行二次或多次沉降以后，煤氣水內(nèi)的油質(zhì)量濃度與懸浮物含量均處于較低水平，降低煤化工合成氨裝置堵塞事件的發(fā)生率，在這樣的情境下整個裝置的運行效率會顯著增加。

3.3 換熱器的改造

       即對換熱器設(shè)備進(jìn)行升級改造，配置應(yīng)用高效型換熱器完成設(shè)備與管線的傳熱過程，比如波紋管、異型管及板式換熱器等。現(xiàn)行生產(chǎn)中，企業(yè)大多選擇蒸發(fā)式冷凝器，采用優(yōu)化整改這種內(nèi)部換熱元件的辦法，能夠顯著提升其換熱成效與冷卻能力，進(jìn)而確保換熱效率處于較高水平，減少能源消耗量。

3.4 流動設(shè)備

       即采用變頻控制設(shè)備管理控制流動設(shè)備的使用情況，既往使用的設(shè)備控制方法是通過固定供電頻率 去控制設(shè)備，啟動設(shè)備環(huán)節(jié)執(zhí)行的操作不夠平滑，可能導(dǎo)致?lián)p失掉大量的電力資源。而改用變頻控制方法以后能夠真正達(dá)到平滑的增速或減速，既往有資料記載其節(jié)能電效率大概為 20%^[7]。除此之外，還可以嘗 試應(yīng)用合成排放氣的氫同收設(shè)備 (如膜提氫裝置等)， 這種方法能明顯減少原料氫的消耗量。

3.5 分子篩節(jié)能方法

       當(dāng)下，已經(jīng)有很多企業(yè)將分子篩技術(shù)用于合成氨工藝實踐中，其最大的特點是能顯著提升進(jìn)入合成塔內(nèi)的水、CO₂、CO 等雜質(zhì)的凈化效率。既往即有公司采用這種方法對合成車間進(jìn)行了技術(shù)改造。

       新增設(shè)的分子篩干燥系統(tǒng)以后的節(jié)能措施主要有：(1) 該系統(tǒng)投用后，進(jìn)入塔氣內(nèi)的 CO₂、H₂O 和 CO 含量顯著降低，這就代表合成氨氣體質(zhì)量顯著提升，在這樣的工況下催化劑自身活性顯著提高，自身的使用壽命明顯延長；(2) 運用分子篩后，回路內(nèi) “冷”“熱”位置布置更加合理化，弛放氣處被設(shè)置在分氨后面，方位更加科學(xué)化，能夠節(jié)約弛放氣過程中氨冷器的氨冷量；(3) 新增系統(tǒng)實現(xiàn)正常運作以后，系統(tǒng)壓力會顯著降低，繼而明顯減少了因新增系統(tǒng)而引起的合成氣壓縮機高、低壓缸兩者之間大量壓力損失的情況，減少了壓縮機自身功效損失量^[8]。

3.6 配置合成冷卻系統(tǒng)

       伴隨出塔氣源源不斷地進(jìn)到水冷器，冷卻到一定溫度以后，氣體就被分成兩股，一股依次被一級、二級氨冷器冷卻處理，另一股于并聯(lián)換熱器被一 23 ℃的 循環(huán)氣冷卻，而后兩股氣液混合物聚集，再整體進(jìn)到三級氨冷器冷凝到一 23 ℃。

       以上氣液混合物運輸?shù)礁邏喊狈蛛x器以后，液相進(jìn)到低壓氨分離器，不凝組分被成功分離以后便順利獲得產(chǎn)品液氨；氣相進(jìn)到并聯(lián)換熱器管程用在冷卻局部出塔氣，由并聯(lián)換熱器出來，隨后會有較小股氣體被作為合成回路弛放氣。因為弛放氣內(nèi)的氨經(jīng)高壓氨分離，其內(nèi)多數(shù)液氨，故而弛放氣無需再經(jīng)過初有的弛放氣氨冷器與分離器，故而本次技術(shù)改造后可以撤離以上這兩種設(shè)備^[9]。且建議在并聯(lián)換熱器的冷側(cè)增設(shè)旁路，利用其調(diào)控入洗氨塔弛放氣的溫度值。另外，多數(shù)氣體會被作為循環(huán)氣，返回至壓縮機循環(huán)段入口達(dá)到循環(huán)使用。

4 結(jié)語

       合成氨的生產(chǎn)情況直接影響煤能源的消耗情況，故而相關(guān)部門應(yīng)重視合成氨工藝流程分析，結(jié)合實際情況對合成氨工藝進(jìn)行技術(shù)改造，使我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實施及節(jié)能環(huán)保目標(biāo)達(dá)成有更可靠的支撐。

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