合成氨工艺分析及节能改造优化分析

合成氨工艺分析及节能改造优化分析

王雄慧

陕西奥维乾元化工有限公司 陕西省榆林市 719405

摘要：随着科学技术的不断发展和进步，氨作为化工产品中的重要物质，在我国工业、工业和医药行业中有着广泛的应用。本文对合成氨的生产工艺进行了研究，提出了合成氨生产过程中存在的能源浪费问题。

关键词：合成氨；工艺分析；节能改造

1、合成氨工艺流程

1.1 原料气的制备

N2来自空气，采用不同的方法根据不同的气体生产线，主要包括氮生产低温空气分离、变压吸附氮生产，经济复苏后的一定比例的氮氧消耗在加热阶段的原料空气在天然气生产。H2是一个复杂得多的过程，它涉及在高温下燃烧原煤，并向其注入蒸汽，蒸汽与热碳反应生成氢气和一氧化碳。CO通过后段转化为H2和CO2，二氧化碳脱除后，H2用作合成氨的原料气。

1.2 气体净化

原油原料天然气由煤含有硫化物和CO、CO2其他有害杂质，不仅腐蚀设备和管道，而且还会污染氨合成中使用的催化剂生产，这将减少氨产量和增加能源消耗的植物，所以它必须被删除。原气中的CO一般分两次除去。大多数CO与水蒸气发生反应，将难反应的CO转化为CO2，并通过转化反应得到等量的H2。因此，CO转化不仅是原料气的净化，而且是原料气的制备。硫化物的脱除工艺因CO转化工艺和CO2脱除工艺的不同而不同。CO2是氨合成催化剂的毒物，但可用于制造尿素、碳酸氢铵等肥料，故应考虑CO2处理同时去除和回收。常用的方法是采用溶液吸收技术脱除CO2。由于不同吸波器性能的差异，一般可分为两类。一种是物理吸收法，如低温甲醇洗涤法、聚乙二醇二甲醚法等。一种是化学转化，如热钾碱法、低热耗本菲尔法等。

1.3 气体精炼

脱硫、转化、脱碳后，残留有少量CO和CO2。但是即使是极少量的CO和CO2也会毒害氨合成催化剂，所以原料气需要被送到精炼过程中。常用的精炼方法有：甲烷化、低温液氮洗涤等。

1.4 氨合成

精制后的气体压缩机的压力后，预热后，成氨合成塔、高温、高压的作用下，铁基催化剂、氢和氮反应生成氨，由于氢和氮的反应是可逆的，出口氨合成塔的含量在15% ~ 20%，单程转化率不到20%的反应，为了提高整体转化率，是冷却后的反应，氨气，带压新鲜氢氮混合物再次回到系统中，循环利用，以达到节能优化的目的。氨合成是整个合成氨工艺的核心，决定着整个工艺的生产成本，也是节能降耗的重要组成部分。

2、煤化工合成氨工艺节能研究

2.1 气化工艺的选择

(1)水煤浆和干粉

水煤浆含水量约为40%，会降低合成气热值。煤浆浓度对煤的矿浆性质、煤的灰分含量和灰分熔化温度有要求。因此对煤质的要求比较严格，适用于较窄的煤种。但水煤浆的制备和加压运输较干粉容易，投资和运行成本较低。采用干式煤粉作为气化原料，采用惰性气体输送煤粉，所以操作安全，而且干式煤粉不需要蒸发炉内水分，降低了耗氧量，降低了成本。

(2)耐火砖热壁炉和水冷壁炉

由于气化温度较高，适用煤质范围较广，煤气成分较好，因此该气化炉需要承受很高的温度。气化炉内衬耐火砖可以降低炉壁的热损失，但长期受高温炉渣侵蚀，易损坏炉衬。水冷式壁炉能承受较高的温度，但需要使用高铬镍特种钢，制造难度大，成本高。

(3)单喷嘴和多喷嘴

单喷嘴的容量在一定程度上受到限制。从扩大单炉煤量和调整生产负荷的角度来看，多喷嘴比单喷嘴更方便。此外，在多个喷嘴喷涂过程中，气流碰撞和湍流使气固两相间的相对速度增大，有利于气化反应。但是，多喷嘴多通道控制系统会增加设备投资和维护成本。

(4)废锅工艺及冷却工艺

该废锅炉工艺能从高温气体中回收热量，产生高压蒸汽，提高热效率。但由于垃圾锅炉前烟气冷却和除渣工艺复杂，投资增加。冷却工艺设备简单，投资低。气体中的水蒸气可用于CO转化和合成气生产，但通过冷却获得的低压蒸汽品位低，利用率有限。德士古工艺是一种单喷嘴水煤浆气化技术，采用耐火砖热炉，水冷流工艺。壳式气化是一个多喷嘴干煤粉气化过程使用水冷壁炉和废物罐过程。华东理工大学研制的多喷嘴水煤浆气化技术采用水冲击冷却的工艺流程。

2.2 改造过程的选择

传统的转换工艺是中温转换工艺。一般设置一个转化炉。炉内充满高温活性铁铬催化剂，半水气体通过各催化剂段由上至下转化。主要缺点是蒸汽消耗大，出口CO含量高，转化能力低，不符合节能要求。中低系列是一个偏低温转换过程的基础上开发的传统介质温度转换利用钴-钼系列催化剂的低温活性好，也就是说，转化反应发生在串联钴-钼系列催化剂温度改变后在原始的媒介。随着催化剂最终温度的降低，可以降低蒸汽消耗，达到节能效果。同时，中、低出口CO含量较传统介质变型工艺可降低约3%，降低后段净化压力。中低工艺是在上述工艺上串一个低转炉。由于反应终点温度比中链低30℃，蒸汽消耗持续降低，节能效果较好。等温转化的原理是利用安装在催化剂内部的水传递热管梁，除去催化剂床层的反应热和系统多余的低品位热能，转化为高级蒸汽。控制蒸汽压力产生的副产品，水技术的热量可以成为催化剂床温度控制在180 ~ 350℃，避免床温度过高，延长催化剂的使用寿命，降低了设备露点腐蚀，除热同时增加驱动功率的转换，使半水煤气、CO转化率提高，同时提高蒸汽的输出，降低系统的能耗。

由以上分析可知，中、低、全低变、等温转化工艺在节能方面表现较好，但也各有优缺点。钴钼系催化剂用于所有低变化、等温转化，避免了铁铬催化剂强度差、易破碎的缺点。但氧气在半水气中会使催化剂氧化，而H2S含量过低会使催化剂抗硫化，影响催化剂活性。中、过程效率低，节能，避免低变量相催化剂容易老化，容易反硫化和阻力很容易增加和其他缺点，有利于稳定生产，延长催化剂的使用寿命，并能减少炉气中的硫含量，减少腐蚀和转换天然气脱硫负荷。

2.3 复合塔内部改进

合成氨塔是合成氨回路中最关键的设备，也是衡量一个工艺路线进度的重要因素。塔的结构性能决定了合成转化率、系统阻力、热回收和循环压缩功耗。卡萨利企业轴径合成氨塔的特点是合成气通过催化剂床层的线速度低，塔的布置为气路提供了很大的横面积，通过催化剂床层的压降很小。合成塔设计的完全控制下气路十字交叉之间的温差，使气体分布更均匀，反应效率高，卡莎利氨净值的氨合成塔是18% ~ 19%，国内净值高出3%的氨合成塔，虽然设备成本较高，但从节能优化，具有长远的意义。同时，逐步回收系统的反应热。利用蒸汽生产后的高温气体，通过热气热交换器将进入塔内的气体加热，使进入塔内的气体温度升高，热量得到充分回收利用，减少循环水消耗。

3、结束语

随着我国与全球能源供需之间的矛盾越来越多，氨生产领域面临着巨大的改革压力，确保合成氨生产的基础上，加强节约能源，减少消耗，提高资源的利用率，合理利用能源，不断调整原材料结构、产品，从而实现合成氨工业的可持续发展。

参考文献

[1]王亚军，刘韶东，何勇.合成氨工艺分析及节能改造研究[J].化工管理，2020(30)：171-172.

[2]康玉林.合成氨工艺及节能改造分析[J].化工管理，2019(32)：179-180.

[3]牛文勇.合成氨工艺及节能改造分析[J].化工设计通讯，2019，45(10)：1+10.