簡(jiǎn)析合成氨系統(tǒng)的能源利用及節(jié)能方法

文長(zhǎng)明(山東洪業(yè)化工集團(tuán)項(xiàng)目指揮部,山東 菏澤 274500)

我國(guó)合成氨系統(tǒng)的引入較早，以焦?fàn)t煤氣制合成液氨為代表的一系列技術(shù)具有較高的實(shí)用性，但氨合成的過(guò)程中必然需要消耗大量能源。從符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的需要，和公司可長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的規(guī)劃，如何能充分利用能源，達(dá)到提高合成氨系統(tǒng)的節(jié)能率，從而提高產(chǎn)能具有重要意義。

1 合成氨系統(tǒng)一般凈化方法介紹

合成氨所指的就是氫氣與氮?dú)馐艿礁邏捍呋瘎┳饔煤蠛铣傻陌?，也可稱為氨氣，世界上的氨大部分都是合成氨，氮是其主要元素，在自然界中有廣泛分布，空氣中的含氮量也非常高，其體積約為79%。合成氨的用途較多，它可以用來(lái)制作氮肥，是一種非常高效的肥料，在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)中有著較高的應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)目前合成氨系統(tǒng)的節(jié)能及能源充分利用改造，根據(jù)公司主要采用加壓催化部分氧化工藝為代表的焦?fàn)t氣制氣生產(chǎn)合成氨的技術(shù)特點(diǎn)，利用系統(tǒng)內(nèi)部余熱、循環(huán)利用進(jìn)行節(jié)能化改進(jìn)，從而能提高能源利用率、節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。凈化處理粗原料，有利于將氮?dú)馀c氫氣以外的雜質(zhì)清除，這一過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟：

1.1 CO變換

無(wú)論采取何種原料制取方法，均含有一氧化碳，體積分?jǐn)?shù)通常在12%至40%之間，采用一氧化碳變換反應(yīng)，在不同溫度條件下完成變換，主要包括低溫變換與高溫變換，可以控制一氧化碳濃度，使其降低至0.25%，這一過(guò)程實(shí)際上就是凈化過(guò)程。

1.2 脫硫脫碳方法

所有粗原料氣的制取，均含有碳與硫的氧化物，要想防止氨生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)催化劑中毒的情況，需于合成前，采取脫碳操作，原料主要為天然氣，轉(zhuǎn)化法為蒸氣轉(zhuǎn)化法，脫硫?yàn)槭椎拦ば颍砸谎趸甲儞Q情況為依據(jù)，明確耐硫催化劑脫硫情況。

1.3 二氧化碳精制方法

通過(guò)一氧化碳變換、二氧化碳脫出后，原料中會(huì)包含少量一氧化碳與二氧化碳物質(zhì)，必須采取措施減輕氨合成催化劑毒害作用。在合成工序?qū)嵤┣埃鑳艋蠚?，這就是所謂的精制過(guò)程。

2 合成氨系統(tǒng)節(jié)能改造具體措施

目前合成氨系統(tǒng)的節(jié)能改造可從采用以下節(jié)能技術(shù)，具體措施簡(jiǎn)述如下。

2.1 余熱利用

主要是利用了生產(chǎn)系統(tǒng)中將焦?fàn)t煤氣的甲烷在經(jīng)轉(zhuǎn)化、變換等得到高含量氫的過(guò)程中，出催化劑爐或器的氣體溫度較高，必須再降溫達(dá)到下一步工序溫度要求，所以可以利用這部分需要轉(zhuǎn)移的熱量，即達(dá)到降溫目的，又將轉(zhuǎn)移出的熱量進(jìn)行再利用。減少利用蒸汽量，實(shí)現(xiàn)減少煤資源消耗的效果。在變換爐廢鍋回收一部分熱量，轉(zhuǎn)變成需要等級(jí)的蒸汽后，可增加一套熱水型制冷機(jī)組，利用換熱器換熱氣體后，轉(zhuǎn)移的高溫水作為制冷機(jī)組的動(dòng)力來(lái)源，制冷機(jī)組利用熱水能，將需要冷卻的冷水進(jìn)一步降溫?？晒├渌照{(diào)用或其他用冷水生產(chǎn)單元?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)有很多利用余熱的工藝或技術(shù)方案，根據(jù)全廠系統(tǒng)平衡及技術(shù)產(chǎn)生的效益，是否能回收那部分熱量。

2.2 節(jié)約用水

隨著生產(chǎn)、生活的加劇，水資源越來(lái)越缺。在生產(chǎn)系統(tǒng)中給工藝氣體降溫，通常采用循環(huán)水或脫鹽水換熱降溫，但還可以用空冷降溫。根據(jù)自身工藝特點(diǎn)、用水量、綜合耗能，我公司在變換有一臺(tái)循環(huán)水冷卻器，用水量較大，根據(jù)實(shí)際耗能比較，改用空冷法冷卻，同樣將工藝氣溫度150℃左右降到50℃左右，但每小時(shí)節(jié)約循環(huán)水1200多方；從用電方面比較，空冷自身耗電要比將1200多方的水用泵輸送來(lái)耗電比要低。雖然增加設(shè)備投入，但長(zhǎng)期比較帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益還是比較好的。

2.3 循環(huán)利用、減少排放

由于前系統(tǒng)提供的氫氮?dú)庵锌赡芎猩倭考淄椤宓榷栊詺怏w，在氨合成系統(tǒng)生產(chǎn)中不參加反應(yīng)，但影響系統(tǒng)分壓，從而影響氨產(chǎn)量。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中惰性氣體要排放，將惰性氣體含量控制在合理范圍內(nèi)，但排放出的氣體含氫、氨、較高，還有部分含氫、氨較高閃蒸氣。若直接排放污染環(huán)境，所以氨合成系統(tǒng)配套一回收這部分氨的回收裝置（水洗法氨回收裝置）。我公司在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或結(jié)合已有技術(shù)，將洗氨氣用的脫鹽水經(jīng)過(guò)精餾塔回收氨后，再利用此水洗排放含氨氣，洗氨后的氣體氨含量達(dá)到做燃料氣要求，再利用。國(guó)內(nèi)有很多技術(shù)回收含氨氣體，水洗精餾法、膜分離法等，同樣的方法，工藝路線并不相同。

2.4 氣體成分優(yōu)化

我公司采用國(guó)內(nèi)低壓合成氨工藝。大概流程是工藝氣經(jīng)過(guò)加壓14MPa左右后，進(jìn)合成塔氫氮?dú)庠诤铣伤?nèi)反應(yīng)合成氨，經(jīng)冷卻后成液態(tài)氨。眾所周知，在工藝氣中甲烷含量的高低對(duì)合成氨一定影響。工藝氣中甲烷含量在0.9%左右，氨凈值能到13%；若甲烷含量在0.08%左右，氨凈值能到16%，系統(tǒng)壓力在13MPa左右,并且工藝甲烷低，系統(tǒng)需要的反應(yīng)壓力降低，耗氣量降低，產(chǎn)氨量高。根據(jù)氨合成生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)現(xiàn)有工藝氣甲烷含量較高的氨合成系統(tǒng)，工藝氣中含甲烷是有一個(gè)平衡值的，達(dá)到無(wú)排放氣（調(diào)節(jié)系統(tǒng)惰性氣體）的要求。通過(guò)制氫系統(tǒng)操作將甲烷含量降低到這一值，是有利于氨合成系統(tǒng)生產(chǎn)。

2.5 催化劑升溫還原法

結(jié)合國(guó)昌合成氨技術(shù)的相關(guān)方法以及國(guó)昌公司的催化劑選擇建議，最終選擇使用AC-H型催化劑，因其具有預(yù)還原式低溫氨合成的優(yōu)點(diǎn)，且還原速度良好，催化劑活性也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于A110系列催化劑。液氧合成主要是利用化產(chǎn)車間送來(lái)的焦?fàn)t煤氣（經(jīng)過(guò)初步脫硫脫氨）將氣體中含24%左右的甲烷在轉(zhuǎn)化爐中與蒸汽反應(yīng)轉(zhuǎn)化成一氧化碳、二氧化碳和氫氣，氣體甲烷小于0.5%；再經(jīng)過(guò)中低變，將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳、氫氣，氣體中一氧化碳小于0.3%；再經(jīng)過(guò)PSA脫碳脫除二氧化碳，氣體中二氧化碳小于0.1%；再經(jīng)過(guò)甲烷化，是氣體中一氧化碳、二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲烷，因?yàn)榧淄檫M(jìn)合成塔不參加反應(yīng)，在合成塔中屬于惰性氣體，不影響氮?dú)馀c氫氣反應(yīng)生成氨。氣體中甲烷小于0.5%，進(jìn)合成塔。通過(guò)溫度、流量、壓力調(diào)節(jié)生成液氨。

最后使用合成塔對(duì)催化劑及廢氣進(jìn)行升溫催化還原，不僅可以有效回收能源，并且能提高液氨合成節(jié)能效益。合成塔開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后，催化劑床層溫度逐漸上升至250℃，水氣濃度在0.45g/Nm3左右，之后逐漸將升溫至420℃。在升溫過(guò)程中，隨時(shí)保障床層溫度的穩(wěn)定，同時(shí)相應(yīng)調(diào)整水氣濃度，從而將出水量控制在合理范圍內(nèi)。在逐漸上升床層溫度的同時(shí)，調(diào)整塔內(nèi)壓力，降低入塔的氣體量，并配合采用提高電爐功率以及熱鍋爐蒸汽壓力等方法，從而把催化劑床層溫度提高至最高，保持一段時(shí)間后，即可結(jié)束催化劑還原工藝，并進(jìn)行后續(xù)輕負(fù)荷成產(chǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采取合理的措施，有利于對(duì)能源動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，合成氨系統(tǒng)是現(xiàn)階段一項(xiàng)可靠的技術(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，要明確物料與能源的具體利用情況，防止非正常流失的出現(xiàn)。企業(yè)要注重凈化方法的選擇，實(shí)現(xiàn)合成氨系統(tǒng)的節(jié)能改造。

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