余友元 余林峰

(四川金石新能源集團有限公司，四川樂山，614504)

在工業(yè)生產(chǎn)過程中往往會產(chǎn)生大量的廢氣，不僅嚴重破壞了我國的生態(tài)環(huán)境，還在很大程度上影響到我國資源的最大化利用。縱觀我國合成氨行業(yè)的生產(chǎn)情況，發(fā)現(xiàn)很多企業(yè)在生產(chǎn)過程中都會產(chǎn)生大量的廢氣，包括CO和H2等，雖然部分企業(yè)會對其中有價值的氣體進行合理利用，但對于其他無用的廢氣，就會排放到空氣中，這樣做不僅會破壞環(huán)境，還會造成資源的浪費。為此，合成氨生產(chǎn)企業(yè)需要深入研究廢氣利用的有效技術手段，結(jié)合自身實際情況選擇最為適宜的方法，來提高廢氣的利用效率，實現(xiàn)節(jié)能效益。

1 合成氨生產(chǎn)中廢氣利用的價值

1.1 有利于優(yōu)化合成氨生產(chǎn)工藝

在合成氨企業(yè)發(fā)展過程中，不同企業(yè)的生產(chǎn)需求不同，所選擇的生產(chǎn)技術、原材料和生產(chǎn)設備等均有著較大的差異，但是在本質(zhì)上，所有合成氨企業(yè)生產(chǎn)都具有相同的特點，即系統(tǒng)性與連續(xù)性、復雜性與規(guī)范性。在具體實踐中，合成氨的生產(chǎn)需要采用脫硫和凈化等工藝流程，隨后進入合成系統(tǒng)，開始發(fā)生合成反應，待合成反應結(jié)束后，會重復多次循環(huán)原料廢氣，實現(xiàn)廢氣的再利用。若這一過程中某一環(huán)節(jié)發(fā)生問題，很可能大大降低合成氨的生產(chǎn)效率，并造成嚴重的資源浪費，所以在合成氨生產(chǎn)過程中，必須充分考慮其系統(tǒng)性與連續(xù)性的特點，采取有效措施來提高廢氣的利用效率。同時，合成氨的生產(chǎn)涵蓋了眾多的程序，且不同的程序?qū)ο嚓P操作均有著較高的要求，故而要求相關人員結(jié)合不同的工藝操作要求，科學分配和控制原材料、催化劑等，旨在實現(xiàn)資源的最大化利用。

1.2 適應現(xiàn)代合成氨企業(yè)的發(fā)展趨勢

在合成氨生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展過程中，往往需要消耗大量的能源，同時還會造成較為嚴重的環(huán)境污染。這是因為該行業(yè)主要以能源材料為原材料，合成氨的生產(chǎn)需要使用大量的能源，通常能源成本的投入在整個合成氨生產(chǎn)成本投入的占比達到70%，就目前我國能源消耗現(xiàn)狀，3%左右的能源用于合成氨生產(chǎn)。同時，合成氨生產(chǎn)過程中需要使用大量的氧氣，且容易產(chǎn)生SO2、NO2等有害氣體，這就在很大程度上污染了生態(tài)環(huán)境。所以，面對日益緊缺的能源和嚴重的環(huán)境污染，合成氨行業(yè)必須與時俱進，高度重視生產(chǎn)中廢氣的高效利用，以此來為自身的健康長久發(fā)展提供良好的保證，促使合成氨企業(yè)成功轉(zhuǎn)型升級為節(jié)能環(huán)保型企業(yè)。

1.3 符合社會和市場的變化需求

近年來，《中國落實2030年可持續(xù)發(fā)展議程國別方案》中明確提出：“要加大對生態(tài)環(huán)境的保護力度，推進綠色發(fā)展，著力解決突出的環(huán)境問題，建設人與自然和諧共處的生態(tài)文明社會”。當前我國社會經(jīng)濟飛速發(fā)展的同時，也給生態(tài)環(huán)境造成了極大的危害，已引起社會各界廣泛關注和對環(huán)境保護的重視。在新時期背景下，我國節(jié)能減排工作獲得了一定的成效，然而我國依然面臨著較為嚴峻的能源短缺問題，所以我國節(jié)能減排工作不可有絲毫松懈，必須充分認識到節(jié)能減排對我國社會經(jīng)濟發(fā)展的必要性和緊迫性?；谏鲜霰尘埃铣砂毙袠I(yè)更需要開展科學可行的廢氣利用，以順應社會和市場發(fā)展的需要。

2 合成氨生產(chǎn)中的廢氣利用

在合成氨生產(chǎn)過程中，通常會產(chǎn)生較多的廢氣，廢氣在進行排放的過程中，不僅會對環(huán)境造成污染，而且會在很大程度上增大廢氣利用成本。下面對其展開具體分析。

2.1 尾氣中提取甲醇

甲醇作為工業(yè)化生產(chǎn)中必不可少的原材料，通過應用小化肥的相關生產(chǎn)設備，實現(xiàn)對聯(lián)醇生產(chǎn)工藝的運用，從而在合成氨生產(chǎn)中制作出一定的甲醇。在這一過程中，可以較好地應用合成氨生產(chǎn)中形成的CO廢氣，最終獲得甲醇，既不會影響到合成氨的產(chǎn)量，還能夠為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益，保障企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。針對合成氨生產(chǎn)中產(chǎn)生的尾氣，可采取聯(lián)醇工藝來提取甲醇。

聯(lián)醇工藝主要是通過合成氨生產(chǎn)中產(chǎn)生的CO，來完成甲醇的生產(chǎn)，由于在CO和氫氣的反應作用下，有利于甲醇的生成，結(jié)合相關化學方程式，當CO的轉(zhuǎn)化率達到一半時，就可以獲得約3kg的甲醇，同時通過合理利用其他廢氣，有利于合成氨的生產(chǎn)，主要體現(xiàn)為：在1mol的氫氣與0.5 mol的氮氣的反應作用下，能夠獲得1 mol的氨氣，當氫氣轉(zhuǎn)化率在90%左右時，那么可得到約21kg的合成氨，由此可見，通過提高合成氨生產(chǎn)過程中的氫氣轉(zhuǎn)化率，有利于提高合成氨的質(zhì)量。如：為能夠完成1kg合成氨的生產(chǎn)，就必須變換氣4.5 m3左右，而要想在一年內(nèi)生產(chǎn)出10萬噸的合成氨，則應有效運用聯(lián)醇工藝，以降低生產(chǎn)成本，在這一情況下，只需要生產(chǎn)約9.72萬噸的合成氨和1.28萬噸的甲醇。當前，我國精甲醇的市場價格約為3千元/噸，合成氨的價格約為4千元/噸，根據(jù)相關公式進行計算，可以了解到企業(yè)生產(chǎn)甲醇的收益為3.84千萬元左右，合成氨的收益為40千萬元左右。通過扣除其中的生產(chǎn)成本，可知生產(chǎn)1噸甲醇需要投入約0.15千元的成本，那么一年的生產(chǎn)成本就是192萬元。所以在合成氨生產(chǎn)過程中應用聯(lián)醇工藝，能夠為企業(yè)帶來約24千萬元的收益，相較于單一的合成氨生產(chǎn)工藝，該工藝能夠為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益，推動企業(yè)的良好發(fā)展，并實現(xiàn)綠色生產(chǎn)目標。另外，在甲醇提取中應用聯(lián)醇工藝，需要將一定的液體泵電機應用到常壓精純流程之中，若7.49kW功率，建議準備5臺液體泵電機，但這也會增加一定的電能消耗。對于合成氨高壓而言，則會在很大程度上減少6段壓縮氣體量，有利于減少循環(huán)機壓縮量，從而節(jié)省壓縮過程的功耗，并在一定程度上抵消甲醇生產(chǎn)所需的電能消耗。在精醇生產(chǎn)過程中，部分設備(循環(huán)蒸發(fā)器與預熱器等)會消耗一定蒸汽，若要生產(chǎn)1000kg甲醇，至少要準備4000kg蒸汽和500kg標準煤氣，但單一的合成氨生產(chǎn)工藝，所需消耗的標準煤氣是聯(lián)醇工藝的3.4倍，可見，聯(lián)醇生產(chǎn)工藝可以獲得更加顯著的節(jié)能效益。

2.2 尾氣中提取氫氣

在合成氨生產(chǎn)過程中，往往存在兩種類型的氣體排放方式，一是通過合成系統(tǒng)原料氣，對其中富集的惰性氣體進行循環(huán)排放；二是高壓液氨節(jié)流后，傳送至氨罐而釋放出來的氣體。兩者在合成氣的占比達到5%左右，氨氣排放量約為240m3/噸。氫氣在合成氨生產(chǎn)形成的尾氣中占比量超過百分之五十，對于部分中小型化肥廠而言，要想實現(xiàn)節(jié)能減排的目的，首先必須高度重視氫氣的回收工作，因為氫氣既能夠被當做商品銷售到市場中，還可以作為合成氨原料排放氣，再次應用到氨合成系統(tǒng)之中，每回收100m3的氫氣，就相當于獲得了15m3的半水煤氣，不僅有利于提高合成氨的生產(chǎn)量，還能夠極大程度減少能量消耗。

變壓吸附回收法是氫氣生產(chǎn)工藝中相對成熟的技術手段之一，具體應用原理為：在常溫條件下，吸附劑應用到不同壓力環(huán)境中，對氫氣中其他成分的吸附容量有著較大的區(qū)別。在氫氣的回收過程中，該技術手段可以一次性清除其中含有的多種雜質(zhì)，能夠回收更多的氫氣，大幅度提高回收率，接近90%，且提取的氫氣純度也很大。

對于氫氣的提取，還可以應用水電解制氫方法，其應用成本約為2元，對電能的消耗也比較少，在6千瓦h/m3左右。而對于合成氨生產(chǎn)尾氣中氫氣的提取，能夠降低約90%生產(chǎn)成本，節(jié)省約92%的電能。若企業(yè)要在一年內(nèi)生產(chǎn)出約1萬噸的合成氨，則產(chǎn)出的尾氣為200—700m3/h，氫氣的提取量約為140m3/h，假如企業(yè)一年的生產(chǎn)天數(shù)為3個月左右，則能夠提取出100×24×140m3的氫氣。目前我國氫氣的市場價格約為2元/m3，通過相應計算可知，該企業(yè)一年可以增加約170萬元的收益，相較于電解工藝方法，該技術手段能夠顯著降低電能消耗。對于氫氣而言，其發(fā)熱值約為汽油的3倍，屬于一種清潔、綠色環(huán)保的高效能源，適用于電氣、化工、冶金等行業(yè)的生產(chǎn)；氫氣也是我國工業(yè)行業(yè)發(fā)展中必不可少的保護氣和還原氣。水電解工藝在實踐應用，需要消耗大量的電能，投入成本也比較高，無法滿足現(xiàn)代電力行業(yè)的需要。但通過提取合成氨生產(chǎn)中尾氣中含有的氫氣，既能夠節(jié)省電源，還能夠增強企業(yè)的經(jīng)濟效益，順應了我國生態(tài)文明建設的要求，符合新能源發(fā)展的方向，擁有廣闊的市場發(fā)展前景。

2.3 生產(chǎn)中的其他廢氣利用

合成氨尾氣具有極高的應用價值，這是因為尾氣中含有氪等諸多有價值且稀有的物質(zhì)，通過對這些物質(zhì)進行回收再利用，能夠為企業(yè)創(chuàng)造更多的綜合效益，減少能源的消耗。通常而言，氪物質(zhì)粒徑可達到200—300毫米，該物質(zhì)的表面上會整齊排列分布諸多的氰基，具備很強的水溶解性。相關研究發(fā)現(xiàn)：通過雷蒙機對氪半成品加以粉碎以后，該產(chǎn)品有著非常小的堆密度，可見，其本身具備均勻化與細微化的特點，能夠在很大程度上減低溶劑型體系對有關產(chǎn)品的不良影響。當前很多大型企業(yè)的生產(chǎn)過程中，煤氣逐漸被合成氨尾氣所取代，一個企業(yè)合成氨煤氣的產(chǎn)量約為40kt/年，能夠滿足5000戶家庭的生活需求，既有利于提高節(jié)煤率，還能夠顯著增強人們的生活水平，從而實現(xiàn)能源的節(jié)約，增加企業(yè)的綜合效益。

現(xiàn)如今，我國高度重視對合成氨尾氣中稀缺資源的回收再利用，盡管這一項目的開展需要投入大量的人力、財力與物力，然而項目完成后獲得的效益遠遠高于這些投入。不過就目前我國的相關回收技術、回收工藝及經(jīng)濟條件來看，依然存在諸多不足之處，難以實現(xiàn)對這些稀缺資源的高效回收再利用，更多是被企業(yè)當作廢棄物排放，這就導致了大量的資源浪費。所以，在未來的合成氨生產(chǎn)發(fā)展過程中，人們應注重對合成氨生產(chǎn)中氣體元素回收技術和工藝的研究，不斷提高相應的生產(chǎn)工藝水平，從而實現(xiàn)對這些廢氣資源的高效利用。

3 合成氨生產(chǎn)中廢氣利用的節(jié)能效益

近年來，我國各行業(yè)都進入到轉(zhuǎn)型升級的關鍵階段，為能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展，就必須與時俱進，及時調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構。自十三五以來，我國逐漸淘汰了落后產(chǎn)能，其中合成氨產(chǎn)能從2014年到今年，已減少了1千萬噸以上，同時近年來我國合成氨下游消費量總體向著“減肥增化”的方向發(fā)展，再加上受到環(huán)保治理的積極影響，合成氨逐漸在車用尿素和電廠脫硫脫硝領域得到廣泛應用。為能夠盡快完成轉(zhuǎn)型升級的目標，合成氨生產(chǎn)企業(yè)必須注重相關技術工藝的有效利用，加大對合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣處理和利用，進一步緩解企業(yè)節(jié)能環(huán)保的壓力，避免不必要的能源浪費，減少生產(chǎn)成本，以此來獲得更理想的節(jié)能效益，這對企業(yè)自身和社會均有著關鍵意義。通過上文可知，通過在合成氨生產(chǎn)過程中對聯(lián)醇工藝、變壓吸附回收法、水電解制氫方法等進行有效利用，既能夠提高甲醇、氫氣等有價值氣體的提取率，還能夠提高合成氨的質(zhì)量，同時降低電能、氨能等資源的消耗，減少有害氣體的排放，為企業(yè)帶來更多的收益，最終實現(xiàn)最小能耗，最大效益。

4 結(jié)語

綜上所述，對于合成氨生產(chǎn)企業(yè)而言，通過有效回收再利用廢氣，不僅有利于優(yōu)化自身合成氨生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)資源的最大化利用，還能適應現(xiàn)代合成氨行業(yè)的發(fā)展趨勢，符合社會和市場的變化需求?；诖?，在具體生產(chǎn)過程中，企業(yè)必須結(jié)合自身實際需求和經(jīng)濟條件，選擇合適的工藝技術和工藝手段，來對合成氨生產(chǎn)尾氣中的甲醇、氫氣及其他有價值的氣體進行充分回收再利用，以此來提高資源的利用效率，減少能源的消耗，滿足我國綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的要求，最終增加企業(yè)的綜合效益，促進合成氨生產(chǎn)行業(yè)的健康持久發(fā)展。