合成氨生產(chǎn)中的廢氣利用與節(jié)能效益

李觀輝

（河南順達(dá)新能源科技有限公司，河南駐馬店 463000）

1 加強(qiáng)合成氣體中的 CO 利用，提升甲醇生產(chǎn)效率

在良好化工環(huán)境下可以生產(chǎn)出大量高質(zhì)量的甲醇生產(chǎn)原料，其主要生產(chǎn)原理便是利用小化肥的相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備來帶動(dòng)聯(lián)醇生產(chǎn)工藝的有效應(yīng)用，這樣就可以制備出符合社會(huì)應(yīng)用需求的甲醇。而在聯(lián)醇工藝應(yīng)用的過程中是可以有效提升合成氨生產(chǎn)中的 CO 廢氣利用效率的，這樣一方面可以加快甲醇的生產(chǎn)，另一方面則能夠避免對(duì)合成氨質(zhì)量與產(chǎn)量帶來影響，從而在提升了相關(guān)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的同時(shí)，促使該行業(yè)步入可持續(xù)發(fā)展道路。

1.1 單一化的合成氨工藝生產(chǎn)過程

一般而言，合成氨工藝生產(chǎn)過程中的氫氣轉(zhuǎn)化率并不完全，其轉(zhuǎn)換率始終達(dá)不到100%，由氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)就可以生成氨氣的化學(xué)公式可以看出，合成氨質(zhì)量的多少與氫氣轉(zhuǎn)化率有著極大關(guān)聯(lián)，當(dāng)氫氣轉(zhuǎn)化率為達(dá)到88% 時(shí)就可以生產(chǎn)出22.48kg 的合成氨。

1.2 聯(lián)醇工藝分析

為了加快聯(lián)醇工藝的研究，可以從兩方面對(duì)其進(jìn)行深入的探索。一方面是利用CO 和氫氣進(jìn)行反應(yīng)能夠生成甲醇的化學(xué)公式來推動(dòng)甲醇產(chǎn)量，從此公式中可以得到的結(jié)論是，CO轉(zhuǎn)化率為50%時(shí)的甲醇產(chǎn)量可以達(dá)到2.93kg。另一方面則是要加強(qiáng)合成氨生產(chǎn)中其他廢氣的利用效率，以便在保證合成氨生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)，促使其產(chǎn)量得到提高。由聯(lián)醇工藝下的氮?dú)夂蜌錃夥磻?yīng)生成氨氣的化學(xué)公式可知，利用1mol 氮?dú)夂?mol 氫氣來生成2mol 氨氣的過程中，保證氫氣轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到 88%時(shí)，就可以生產(chǎn)出大約20.66kg 的合成氨。由此可知，合成氨生產(chǎn)中的氫氣轉(zhuǎn)化率越高，則合成氨的質(zhì)量就會(huì)隨之提升。舉例說明：1t 合成氨生產(chǎn)所需的變換氣為4 400m2左右，一個(gè)企業(yè)想要在一年內(nèi)生產(chǎn)出50kt 的合成氨，其就需要在實(shí)際生產(chǎn)過程中積極應(yīng)用聯(lián)醇工藝，這樣不僅可以達(dá)成生產(chǎn)目標(biāo)，還可以有效地降低企業(yè)相關(guān)生產(chǎn)成本。而在這樣的情況下進(jìn)行合成氨生產(chǎn)，只需要生產(chǎn)出甲醇 6 446t 以及合成氨 45 452t 就可以了。根據(jù)市場(chǎng)上精甲醇價(jià)格為2 000 元/t 左右，合成氨價(jià)格在 1 200 元 /噸左右的數(shù)據(jù)為主要計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)在一年中利用聯(lián)醇工藝生產(chǎn)的6 446t 甲醇以及 45 452t 合成氨，可以為其帶來 1 300 萬元左右的甲醇收益以及 5 700 萬元的合成氨收益。而在甲醇生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn) 1t 甲醇需要投入成本大約 150 元，因而就可以得出企業(yè)每年需要投入的甲醇生產(chǎn)成本大約是96 萬元，將這些生產(chǎn)成本在公司一年總收益中進(jìn)行扣除的話，就可以知道企業(yè)一年內(nèi)的合成氨生產(chǎn)盈利可以達(dá)到7 000 萬元左右，所以利用聯(lián)醇工藝進(jìn)行合成氨生產(chǎn)將比單一的合成氨生產(chǎn)工藝收益更高，可以增加 600 萬元左右，這樣不僅可以推動(dòng)相關(guān)企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)還可以滿足我國社會(huì)對(duì)綠色生產(chǎn)建設(shè)的需求。

在企業(yè)利用聯(lián)醇工藝進(jìn)行甲醇生產(chǎn)的過程中，為了滿足常壓精純流程的需求，需要在其生產(chǎn)中增加一些液體泵電機(jī)，若是液體泵電機(jī)功率在 7.5kW 左右的話，那么增加的液體泵電機(jī)數(shù)量就應(yīng)在4臺(tái)左右，而隨著產(chǎn)生的電能消耗也會(huì)增加。而在合成氨高壓生產(chǎn)過程中，其對(duì)應(yīng)6 段壓縮氣體量的減少會(huì)促使其循環(huán)機(jī)壓縮量變少，進(jìn)而節(jié)省一大部分的功耗，這些節(jié)省的功耗與甲醇生產(chǎn)的消耗進(jìn)行大致抵消后，就會(huì)實(shí)現(xiàn)聯(lián)醇工藝生產(chǎn)的不消耗。除此之外，聯(lián)醇工藝進(jìn)行甲醇生產(chǎn)的過程中，其預(yù)熱器和循環(huán)蒸發(fā)器在使用過程中還會(huì)消耗一定量的蒸汽，一般每生產(chǎn)1t 甲醇可能就會(huì)消耗蒸汽 4t 左右，需要運(yùn)用的標(biāo)準(zhǔn)煤氣量則為 0.5t，而單一生產(chǎn)甲醇工藝過程中生產(chǎn)1t 甲醇需要消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤氣是在 1 700t，將二者進(jìn)行比較后可知，聯(lián)醇生產(chǎn)方式比單一生產(chǎn)方式將可以節(jié)省大量的煤炭資源，可節(jié)省高達(dá)7 000t 的標(biāo)準(zhǔn)煤。

2 合成氨生產(chǎn)廢氣中的氫提取

合成氨生產(chǎn)過程中的氣體排放方式主要有兩種，一種是從合成系統(tǒng)原料氣中排放而出的富有大量惰性氣體且循環(huán)性強(qiáng)的排放氣，另一種則是由進(jìn)入氨罐的高壓液氨所排放的氣體。這些廢氣的排放量占據(jù)合成氣總量的 2%～5%，也就是說每生成1t 氨氣就會(huì)排放出大約150～250m3的廢氣。合成氨生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的尾氣會(huì)含有大量的氫氣，氫氣量約占總尾氣排放量的 60% 左右。一些中小型化肥廠若是想要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排生產(chǎn)目標(biāo)，可以尋求氫氣的良好回收再利用，這樣就可以將自身的技能改造技術(shù)進(jìn)行不斷的完善與優(yōu)化。氫氣的作用與價(jià)值是非常高的，其不僅可以被單獨(dú)出售來進(jìn)行利益獲取，還可以從合成氨原料排放氣中進(jìn)行回收后再重新投入到氨合成系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)再利用，這樣不僅提升了氫氣資源的利用率，同時(shí)還將有助于推動(dòng)合成氨產(chǎn)量的增長。一般而言，10 000m3的氫氣回收量將可以等同于1 500m3的氫氣半水煤氣，將其重新應(yīng)用于合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)中，將可以增加氨氣合成產(chǎn)量的4.5%～5.5%，并實(shí)現(xiàn)合成氨生產(chǎn)過程的節(jié)能降耗目標(biāo)。

氫工藝生產(chǎn)過程中最常用的回收方式便是變壓吸附回收法，該方法的主要工作原理便是利用常溫下吸附劑在不同壓力下對(duì)氫氣其他成分的吸附容量存在差異性，從而就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的良好回收。變壓吸附回收法的實(shí)際應(yīng)用效果非常強(qiáng)，其能夠?qū)錃庵械亩喾N雜質(zhì)一次性的大量去除，回收到的氫氣純度也非常高，一般利用此種方法將可以使氫氣回收效率達(dá)到80%～85%。除此之外，還可以采用水電解制氫的方法進(jìn)行氫氣提取，該方法的使用會(huì)有 1.8 元左右的生產(chǎn)成本，電能消耗量小，大約為 6kWh/m3左右。而對(duì)合成氨的尾氣進(jìn)行氫氣回收生產(chǎn)的生產(chǎn)成本在 0.2 元左右，大約會(huì)消耗0.5kWh/m3的電能。由此舉例說明，若一個(gè)企業(yè)每年生產(chǎn)的合成氨量在30kt左右，則每小時(shí)會(huì)排出尾氣600～1 000m3，從中可以提取到的氫氣大約為400m3/h，而以企業(yè)一年運(yùn)行300d為例的話，其一共可以提取到的氫氣總量為300×104m3。現(xiàn)今市場(chǎng)中的氫氣價(jià)格普遍為2 元左右，由此可以知道企業(yè)一年氫氣回收可得到的收益為500 萬元左右，與水電解制氫工藝相比較而言，合成氨生產(chǎn)尾氣中的氫氣回收方式將可以極大地節(jié)省電源，每年約可以節(jié)省電源 1 500萬kW·h。氫氣具有無污染、清潔性高等特點(diǎn)，其與汽油相比較而言，發(fā)熱值是其 3 倍左右，現(xiàn)階段的氫氣應(yīng)用范圍已經(jīng)逐漸擴(kuò)展到了冶金、化工和電子等工業(yè)部門，且在其中的應(yīng)用效果非常顯著，乃是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一種還原氣或是保護(hù)氣。利用水電解工藝進(jìn)行氫氣提取工作的話，將會(huì)消耗掉大量的電能，進(jìn)而促使生產(chǎn)成本增加，這不利于我國電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。而從合成氨生產(chǎn)尾氣中進(jìn)行氫氣的提取，將不需要消耗大量電能，這樣一方面可以提升工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，另一方面則能夠滿足我國可持續(xù)發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)了我國新能源的開發(fā)與利用，從而促使我國的能源發(fā)展前景變得更加廣闊。

3 加強(qiáng)合成氨尾氣的其他氣體利用效率

合成氨尾氣的應(yīng)用價(jià)值非常高，其氣體本身會(huì)含有大量有價(jià)值的物質(zhì)，例如氪等稀有氣體，加強(qiáng)對(duì)他們的回收再利用，將可以有效地提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，并實(shí)現(xiàn)能源的大量節(jié)約。一般而言，氪物質(zhì)粒徑都會(huì)保持在200～300mm，其表面會(huì)有氰基進(jìn)行整齊排列分布，這種物質(zhì)還會(huì)有較強(qiáng)的水溶解性。經(jīng)過實(shí)踐分析表明，利用雷蒙機(jī)將氪半成品進(jìn)行粉碎后發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品的堆密度會(huì)很小，這就說明了氪顆粒本身所具有的細(xì)微化與均勻化特性，將可以促使相關(guān)產(chǎn)品受溶劑型體系的影響降低。此外，一些大型企業(yè)也開始嘗試?yán)煤?/p>

成氨尾氣來取代煤氣進(jìn)行燃燒，一個(gè)企業(yè)每年大約可以生產(chǎn)出40kt 的合成氨煤氣，可以供應(yīng)大約5 000 戶家庭使用，這樣不僅可以提高45% 的節(jié)煤率，還可以有效地增強(qiáng)人們的生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)大量能源節(jié)約的同時(shí)，推動(dòng)相關(guān)企業(yè)的效益增長。

目前我國仍然要加大對(duì)合成氨尾氣中的稀缺資源回收利用力度，雖然在回收生產(chǎn)過程中可能會(huì)需要大量的資金投入，但是通過回收得到的資源可以促使這一部分的投入被重新賺回，并且還會(huì)有盈余。合成氨生產(chǎn)過程所排放的尾氣中會(huì)有大量有用的氣體資源，但由于我國目前相關(guān)技術(shù)水平、工藝回收方法以及經(jīng)濟(jì)條件等因素所帶來的制約，促使這些氣體資源無法得到合理的回收再利用，很多企業(yè)都會(huì)將合成氨生產(chǎn)過程中的氣體元素當(dāng)成廢棄物排放，從而造成了資源的大量浪費(fèi)。而隨著科技的日益進(jìn)步以及生產(chǎn)工藝的不斷成熟，合成氨生產(chǎn)過程中的氣體元素回收研究也將會(huì)得到新的發(fā)展啟發(fā)，進(jìn)而促使這些廢氣可以得到充分利用，以便為人類的可持續(xù)發(fā)展帶來積極推動(dòng)力。

4 結(jié)束語

為了有效地提升合成氨生產(chǎn)中的廢氣利用效率以及節(jié)能環(huán)保方面的效益，需要加強(qiáng)對(duì)合成氨尾氣中相關(guān)成分的分析與明確，這樣才能采取合適的化學(xué)手段以及生產(chǎn)流程來提升合成氨的效率與質(zhì)量，降低其他尾氣的排放量。與此同時(shí)，還要采取一些合理措施來對(duì)排放出的其他尾氣加以利用，這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)資源價(jià)值的高效發(fā)揮，同時(shí)還可以促使相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益得到增長，進(jìn)而為我國化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。