合成氨生產(chǎn)過程中的節(jié)能與降耗研究

李慧敏

(晉中市節(jié)能監(jiān)察支隊，山西 晉中 030605)

要實現(xiàn)合成氨生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗目標，需要研究探討合成氨的生產(chǎn)工序，明確各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的節(jié)能潛力，有針對性地進行節(jié)能分析。合理有效提升合成氨產(chǎn)量的同時，實現(xiàn)能耗降低、污染物排放減少，不僅能促進合成氨行業(yè)節(jié)約資源，減輕環(huán)境污染，更有利于我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進。

1 合成氨生產(chǎn)工藝的探究

在我國合成氨企業(yè)中，雖然生產(chǎn)工藝各不相同，原料采用、設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作條件也各有差異，但是實現(xiàn)合成氨的基本步驟則是相同的。

首先，原料經(jīng)過預處理后以不同的方式制備原料氣(氫氮混合氣)，隨后經(jīng)過脫硫、變換、凈化等工序后，將原料氣壓縮至一定的壓力后，引入合成系統(tǒng)。然后，氣體通過最終凈化，并換熱升溫至操作溫度，送入合成塔內(nèi)的催化劑層，在其中進行氨的合成反應(yīng)。反應(yīng)后，氫氮混合氣不能全部轉(zhuǎn)化成氨，必須將其中的氨分離，剩下的氫氮混合氣由循環(huán)壓縮機補充壓力后，與壓縮機送來的新鮮氣混合，再次進行合成，如此連續(xù)循環(huán)操作合成氨[1]。

合成氨生產(chǎn)過程較為復雜，為保證各工序有序進行，在生產(chǎn)過程中根據(jù)不同的反應(yīng)情況，給予合適的溫度、壓強和相應(yīng)的催化劑等。合成氨原料氣的制備過程不僅將消耗大量的能源物質(zhì)(煤、碳、天然氣、水蒸氣)作為原料，更需要消耗大量的能源物質(zhì)作為動力能源消耗。因此，制氣環(huán)節(jié)能耗和成本較大，占合成氨生產(chǎn)的60%～70%。其次在變換、凈化及合成過程中都需要壓縮，壓縮機的使用也要消耗大量的動力能源。最后，整個工藝過程中需要大量的換熱蒸汽，產(chǎn)生大量的余熱及三廢物質(zhì)。因此如果能夠?qū)崿F(xiàn)合成氨過程中的各種能源物質(zhì)的有效綜合利用，可降低整個過程中的能耗，減少不必要的能源損耗，實現(xiàn)合成氨過程中的節(jié)能減排[2]。

2 合成氨生產(chǎn)過程中實現(xiàn)節(jié)能降耗的重要性

合成氨行業(yè)是能源消耗大戶，世界上約有3%的能源用于生產(chǎn)合成氨，同時合成氨工業(yè)又是污染物排放量較大的行業(yè)，化學需氧量、氨氮、二氧化硫等排放量都比較大。現(xiàn)今我國資源緊缺、環(huán)保壓力不斷加劇，合成氨工業(yè)的節(jié)能減排任重而道遠。

合成氨生產(chǎn)過程中需消耗大量的能源物質(zhì)，包括煤、油、工藝水、冷卻水、工藝蒸汽、加熱蒸汽、傳動設(shè)備的電耗、壓縮空氣、儀表空氣等消耗，能源成本占生產(chǎn)總成本的70%左右，合成氨生產(chǎn)過程實現(xiàn)節(jié)能降耗不僅有利于節(jié)約資源，降低能耗，還有助于降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，最終提升企業(yè)的核心競爭力。當前，我國合成氨工藝存在生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)水平落后，能源消耗較世界先進水平高等狀況，所以加強合成氨生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗研究十分重要[3]。

3 合成氨生產(chǎn)過程中實現(xiàn)節(jié)能降耗的相關(guān)舉措

合成氨生產(chǎn)過程實現(xiàn)節(jié)能降耗主要集中在關(guān)鍵性的工序和設(shè)備及相應(yīng)的技術(shù)。

3.1 優(yōu)化合成塔，降低生產(chǎn)能耗

氨合成塔是在高壓、高溫下用來使氮氣和氫氣發(fā)生催化反應(yīng)以進行氨合成的設(shè)備, 是合成氨工藝的心臟設(shè)備。在相同工況下，氨產(chǎn)量和氨凈值的高低主要取決于合成塔。若合成塔的轉(zhuǎn)化效率不高，則將直接造成合成氨生產(chǎn)裝置運行效果差，最終導致整個生產(chǎn)過程能耗提升。因此，優(yōu)化氨合成塔是提升合成氨經(jīng)濟效益、降低合成氨能耗的關(guān)鍵。選擇合適的合成塔構(gòu)建材料，可以優(yōu)化合成塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對氨合成塔及內(nèi)件進行高效節(jié)能改造，實現(xiàn)合成塔的耐高壓耐高溫耐腐蝕性能的提升，促進合成塔內(nèi)部換熱高效運行，充分利用催化劑的活性，提高合成氨的合成速率及凈產(chǎn)值，在實現(xiàn)能源降低的同時提升合成氨產(chǎn)量[4]。

3.2 加強新型高效催化劑的研究，提升合成氨效率

研究采用高活性的催化劑，實現(xiàn)低溫低壓合成氨。氨合成催化劑是合成氨工藝技術(shù)的核心和關(guān)鍵，也是節(jié)能降耗的核心技術(shù)。使用高活性的催化劑，可以提高氨產(chǎn)量，從而降低合成氨單耗；同時如果研究出低溫低壓高效催化劑，可以降低整個合成工藝的反應(yīng)溫度、壓強，把高壓機的功耗切實地降下來，減少動力能源消耗，從而降低合成氨的成本，實現(xiàn)合成氨的低能耗、低成本、高產(chǎn)量等綜合節(jié)能效果和經(jīng)濟效益[5]。

3.3 研發(fā)先進的煤氣化技術(shù)，提高氣化率和碳轉(zhuǎn)化率

我國“富煤、貧油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)，決定了我國合成氨原料以煤為主，煤氣化是合成氨生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序，所消耗的能源占全部能耗的70%，是直接影響產(chǎn)品經(jīng)濟效益和企業(yè)能源消耗的主要環(huán)節(jié)。不同的煤氣化技術(shù)耗煤量、耗蒸汽量以及產(chǎn)生的環(huán)境污染物程度不同，因此，應(yīng)積極研發(fā)先進的合適的煤氣化技術(shù)，提高蒸汽分解率和氣化強度，降低蒸氣的損耗，提高碳轉(zhuǎn)化率，加大煤的利用程度，降低煤耗量，減少污染物的排放，實現(xiàn)煤氣化過程的節(jié)能減排。具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的水煤漿、粉煤加壓氣化等大型先進煤氣化技術(shù)與裝備已成功應(yīng)用于合成氨生產(chǎn)過程[6]。

3.4 重視資源綜合利用，實現(xiàn)節(jié)能減排

合成氨過程中產(chǎn)生了大量的化學熱及蒸汽余熱、廢氣、廢水等物質(zhì)，有效利用各種資源，可以減少能源損耗，緩解環(huán)保壓力，降低企業(yè)成本。如合成氨生產(chǎn)過程中副產(chǎn)蒸汽，可集中回收進行熱電聯(lián)產(chǎn)，減少企業(yè)熱損失；合成氨尾氣中含有甲烷和氫氣，氫氣是合成氨的原料氣，采用合理的回收技術(shù)可以循環(huán)利用合成氨，甲烷即是一種清潔能源，也是溫室效應(yīng)很強的氣體，采用有效的技術(shù)加以回收利用，可以減輕環(huán)境壓力；合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低熱值爐渣可回收供循環(huán)流化床鍋爐或三廢爐燃燒使用，以提高原料煤的碳利用率，且其燃燒后的灰渣還可以用來制水泥與粉煤、粉磚等等。綜合利用合成氨生產(chǎn)過程中的各種資源，可獲得最大效益。

3.5 加強清潔生產(chǎn)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

清潔生產(chǎn)是合成氨未來發(fā)展的趨勢。合成氨生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生各種副產(chǎn)品和對身體有害的物質(zhì)，應(yīng)當積極引進先進的綠色技術(shù)和設(shè)備，采用先進的節(jié)能工藝，有效控制各工序合成條件，合理使用高效催化劑，盡可能不生產(chǎn)或少生產(chǎn)副產(chǎn)品和有害物質(zhì)，實現(xiàn)或接近“零排放”，減少環(huán)境污染和避免影響工作人員的身體健康。

4 結(jié)束語

實現(xiàn)合成氨生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗可以給企業(yè)帶來較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)就當前的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行探討，找到能耗高現(xiàn)象的根本原因，積極研究探索節(jié)能技術(shù)，不斷改進節(jié)能工藝，提高合成氨的質(zhì)量和產(chǎn)量，減少副產(chǎn)品和廢氣廢渣的生產(chǎn)和排放，實現(xiàn)合成氨生產(chǎn)過程中的節(jié)能降耗，提高合成氨生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。