煤化工合成氨工藝分析及節(jié)能優(yōu)化措施

解洪偉 (泰安漢威集團(tuán)有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

煤是一種不可再生能源，隨著合成氨應(yīng)用需求量的不斷增大，用煤來(lái)直接合成氨的工藝改進(jìn)顯得尤為迫切，在節(jié)能改造方面下功夫，減少對(duì)煤能源的消耗，提高合成氨的效率和質(zhì)量，是積極響應(yīng)節(jié)能與環(huán)保等生產(chǎn)政策方針的號(hào)召，順應(yīng)煤化工合成氨領(lǐng)域的穩(wěn)中求進(jìn)發(fā)展需要。

1 煤化工合成氨的生產(chǎn)工藝分析

在化工科技發(fā)展的帶動(dòng)下，煤化工合成氨的工藝逾發(fā)成熟，能夠滿足市場(chǎng)對(duì)氨與化工產(chǎn)品等方面的需求。改造煤化工合成氨的生產(chǎn)工藝，更利于拓展合成氨工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益空間和穩(wěn)健發(fā)展。利用煤直接合成氨的生產(chǎn)工藝在合成氨的工藝中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，該工藝主要是在一定的壓強(qiáng)條件下，將氫氣與氮?dú)膺M(jìn)行催化合成反應(yīng)制得合成氨。而在此階段氫的制備難度較大，也是比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，為滿足工業(yè)發(fā)展需求，利用天然氣或焦煤等高效制取氫氣的工藝，逐步取代了傳統(tǒng)產(chǎn)量較低的水電解法，成為目前合成氨生產(chǎn)中常見(jiàn)的工藝手段之一。

1.1 焦煤制取氫氣的工藝

制取氫氣的過(guò)程，涉及到原料制取、凈化、精煉、氨合成、提純等生產(chǎn)步驟，水煤漿氣化與脫硫變換、液氮洗等是典型的煤化工氨合成生產(chǎn)工藝。

一是制取原料氣：煤化工成為原料結(jié)構(gòu)調(diào)整主導(dǎo)，主要受我國(guó)富煤與少氣、缺油的能源結(jié)構(gòu)影響，促使我國(guó)煤氣化的裝置與技術(shù)門類相對(duì)豐富。煤氣化是指煤在高溫條件下，與氧和催化劑發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氫氣與一氧化碳等氣體的方法。氣態(tài)烴類通常以二段蒸汽轉(zhuǎn)化法為主。在重油部分的氧化法，主要以重油為原料，在氧氣條件下進(jìn)行不完全燃燒，使烴類在高溫下裂解燃燒產(chǎn)生的水蒸氣與二氧化碳在高溫下與甲烷進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)。煤氣化技術(shù)類型多樣化，其中，多噴嘴水煤漿爐屬于水煤漿氣化法，相對(duì)于單噴嘴氣化爐，有碳轉(zhuǎn)化率高、煤耗低、壓縮功耗少、氧耗低等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，由于該技術(shù)的渣中含碳量低，渣和濾餅的黏度低，渣水分離的操作更加便利，環(huán)保壓力隨之降低。

二是原料氣凈化。通過(guò)各種方法制得的粗原料氣，含有氫、氮、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳等。氫氣與氮?dú)馐呛铣砂钡闹匾獥l件，所以需通過(guò)變換與脫硫脫碳等手段，達(dá)到高效除去雜質(zhì)的目的。將一氧化碳變換為氫氣與二氧化碳，達(dá)到凈化原料氣與制取有效組分的目的。由于原料氣中含飽和水蒸氣，利用水煤漿氣化裝置，可簡(jiǎn)化變換流程的操作，利用變換分離凝液回氣化的溫度與壓力去合理調(diào)控水汽。鈷鉬系的變換催化劑在硫化后會(huì)形成有活性的二硫化鉬與羰基硫，所以催化劑需升溫硫化。在化工科技發(fā)展的帶動(dòng)下，新型預(yù)硫化催化劑應(yīng)運(yùn)而生，解決了現(xiàn)場(chǎng)排放含硫有毒介質(zhì)的問(wèn)題。二氧化碳在合成氨的生產(chǎn)過(guò)程中，是制造碳酸氫銨或尿素等必不可少的原料，脫碳工序主要涉及到對(duì)二氧化碳的脫除及回收利用。脫硫是以天然氣為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法的關(guān)鍵，合成氨裝置以天然氣部分氧化法，產(chǎn)生乙炔尾氣作為原料，可實(shí)現(xiàn)低能耗加壓催化轉(zhuǎn)化法制備合成氨，該方式減少了煤原料的應(yīng)用與污染物產(chǎn)生，降低了成本與環(huán)境污染的情況，節(jié)能減排價(jià)值較高。而以煤與重油為原料的部分氧化法，需圍繞一氧化碳變換對(duì)耐硫催化劑的是否利用而決定脫硫的位置。根據(jù)吸收劑性能將脫硫方法分為物理吸收與化學(xué)吸收兩類，前者包括碳酸丙烯酯法或聚乙二醇二甲醚法等，后者包括低熱耗本菲爾法或熱鉀堿法等。在實(shí)踐中，相對(duì)于碳酸丙烯酯與PSA(變壓吸附技術(shù))方法，低溫甲醇洗的應(yīng)用價(jià)值更高，可同時(shí)去除二氧化碳與硫化氫，憑借溶液循環(huán)量小和吸收能力大、分離效率高等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，得到了廣泛的運(yùn)用，可輕松滿足氨合成的要求[1]。

三是原料氣精煉。原料氣在脫除硫與二氧化碳后，仍含有不同程度的甲烷、氧等，也包括殘余的二氧化碳與一氧化碳，還需利用深冷液氮洗法、甲烷化法與銅氨液吸收法等方式實(shí)現(xiàn)深度的凈化。

四是氨合成。合成塔內(nèi)的氫氮混合氣在催化劑作用與高溫、高壓的條件下反應(yīng)為氨。反應(yīng)后混合氣體中的氨含量相對(duì)較低，需經(jīng)冷卻與分離出液氨；反應(yīng)不完全的銨根氣體與新鮮氣，在升壓后返回合成塔進(jìn)行繼續(xù)反應(yīng)與系統(tǒng)循環(huán)。作為整個(gè)合成氨工藝的核心，氨合成工段的生產(chǎn)效率等情況，直接影響整個(gè)工藝的經(jīng)濟(jì)性。

五是氨的分離。反應(yīng)平衡會(huì)限制氨合成反應(yīng)，讓部分的銨根氣合成氨，為得到高純產(chǎn)品氨，充分利用合成塔出口混合氣中未反應(yīng)的氮?dú)馀c氫氣。在合成氨工序受到熱力學(xué)平衡的影響，合成氨的一次轉(zhuǎn)化率相對(duì)較低，為提升整體反應(yīng)的效率，需對(duì)液氨進(jìn)行分離提純，將未反應(yīng)的原料氣進(jìn)行再次反應(yīng)。而氨的分離系統(tǒng)在其中發(fā)揮著重要的作用，冷凝分離法與水吸收法是工業(yè)常用的分離方法。其中冷凝分離法的應(yīng)用相對(duì)普遍，即冷凝降溫處理合成氨工序產(chǎn)物，氨液化得到液氨，再利用分離器進(jìn)行分離提純。

1.2 重油制取氫氣的工藝

通過(guò)氧化反應(yīng)將重油較大的分子量轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿印７蛛x空氣中的氮?dú)馀c氧氣，需基于非催化部分氧化法與高溫條件，將重油氧化生成一氧化碳與氫氣、硫化氫等氣體。去除反應(yīng)中的炭黑，通過(guò)等溫變換將一氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸寂c氫氣。利用低溫甲醇洗技術(shù)去除混合氣中的硫化氫與二氧化碳等雜質(zhì)。利用液氮法去除殘留的一氧化氮與甲烷，最后精制合成氨。

1.3 天然氣制取氫氣的工藝

通過(guò)預(yù)處理措施，將天然氣成分中的含硫化合物去除。利用鈷鉬加氫催化劑實(shí)現(xiàn)有機(jī)硫與無(wú)機(jī)硫的轉(zhuǎn)變，再利用氧化鋅降低含硫化合物的含量。甲烷在兩段轉(zhuǎn)化操作下得到一氧化碳、氫氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w，再利用等溫變化處理去除一氧化碳，從而得到氫氣與二氧化碳。利用低溫甲醇洗技術(shù)去除二氧化碳。處理后混合氣中的一氧化碳與二氧化碳的含量相對(duì)較低，再通過(guò)催化劑與甲烷化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)含碳化合物與甲烷的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步降低混合氣中的一氧化碳與二氧化碳的含量，使其處于低于10 mg/L(的含量水平，最后獲得純凈的氮?dú)馀c氫氣，滿足氮?dú)獯呋苽浜铣砂钡臈l件需要。

2 煤化工合成氨工藝節(jié)能優(yōu)化措施

2.1 更新?lián)Q熱元件

做好換熱器的更新?lián)Q代工作，利用異型管換熱器、波紋管換熱器、板式換熱器等，提高設(shè)備與管線間傳熱的效率。如：升級(jí)改造換熱器內(nèi)部的換熱元件，可強(qiáng)化蒸發(fā)式冷凝器的冷卻與換熱能力，達(dá)到降低能耗的目的。

2.2 廢水回收利用

為降低生產(chǎn)成本，通常采取碎煤進(jìn)行合成氨工藝，但碎煤形成煤氣水內(nèi)的煤粉塵與焦油處理不到位，極易堵塞合成氨管線，從而降低熱傳導(dǎo)的速率，加劇熱量的損失。引入采取廢水循環(huán)工藝，提高生產(chǎn)效率，確保生產(chǎn)裝置得以穩(wěn)定運(yùn)作。加強(qiáng)對(duì)廢水的回收再利用，可實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，前提是需對(duì)煤粉與煤焦油進(jìn)行多次的沉降處理，利用氣浮裝置去減少懸浮物的含量，從而達(dá)到理想的運(yùn)行效果。

2.3 引入變頻控制方式

利用變頻控制設(shè)備去有效控制流動(dòng)設(shè)備，以往固定供電頻率的設(shè)備控制方式，啟動(dòng)設(shè)備不變頻會(huì)加劇電力耗損。而變頻控制方式的增速或減速更加平穩(wěn)，節(jié)電效率更高。利用合成排放氣的氫回收裝置，減少原料氫的耗損。對(duì)甲烷化的設(shè)備增加選擇性氧化、分子篩的干燥工藝，促使合成氣的利用效率得以顯著提升?？梢胗蛪何C(jī)控制技術(shù)，及時(shí)調(diào)節(jié)分配時(shí)間，監(jiān)督生產(chǎn)全程情況，優(yōu)化配置合成氨工藝，切實(shí)提升生產(chǎn)的質(zhì)量及效率[2]。

2.4 解決爐內(nèi)掛灰問(wèn)題

吹風(fēng)氣回收系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)作，極易出現(xiàn)爐內(nèi)正壓或爐內(nèi)掛灰等現(xiàn)象，運(yùn)行的效率隨之降低，還需從以下幾方面入手去改造吹風(fēng)氣回收系統(tǒng)：一是采取折流式的措施去改造燃燒室內(nèi)原格子磚蓄熱層，減少發(fā)生爐灰阻塞的現(xiàn)象及其運(yùn)作阻力，強(qiáng)化裝置的儲(chǔ)熱度。二是利用蒸汽吹掃系統(tǒng)去吹掃換熱管表面的掛灰沉積，解決掛灰問(wèn)題，強(qiáng)化換熱成效。三是臥式低空換熱器取代以往的立式，解決掛灰與積灰等問(wèn)題，提高系統(tǒng)的換熱效率。四是引入新型的引風(fēng)機(jī)，強(qiáng)化吹風(fēng)氣回收系統(tǒng)運(yùn)作中的引風(fēng)量級(jí)。在其基礎(chǔ)上，利用吹風(fēng)預(yù)熱回收利用，進(jìn)一步減少資源損失，達(dá)到預(yù)期的節(jié)能減排效果。

2.5 優(yōu)化余熱回收環(huán)節(jié)

引入煤氣余熱回收技術(shù)，及時(shí)回收利用反應(yīng)中產(chǎn)生的熱資源，提高能源的重復(fù)利用率。在氨水制取后的余熱回收環(huán)節(jié)，普遍存在運(yùn)作能耗大與回收效益差等問(wèn)題，還需升級(jí)改造膜分離提氫系統(tǒng)。將無(wú)動(dòng)力氨回收系統(tǒng)嵌入至膜分離提氫系統(tǒng)內(nèi)，利用換熱器降溫處理液氨貯槽的馳放氣，通過(guò)分離冷凝操作實(shí)現(xiàn)氣氨與液氨的轉(zhuǎn)化。再利用換熱器將氣氨引向冷凝環(huán)節(jié)，將反應(yīng)形成的尾氣轉(zhuǎn)向燃燒爐。

2.6 發(fā)揮變壓吸附氫回收裝置的作用

變壓吸附閃蒸氣回收系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作，易出現(xiàn)碳丙脫碳與變壓吸附脫碳排入空氣的現(xiàn)象，會(huì)加劇原料與能源的損失。從提高原料可回收利用性的角度入手去進(jìn)行升級(jí)改造。利用變壓吸附氫回收裝置去引導(dǎo)碳丙脫碳閃蒸汽與變壓吸附裝置，使其能夠回到壓縮機(jī)入口，解決氣體浪費(fèi)問(wèn)題，提升資源的回收利用率與原料煤的使用率。

2.7 提高合成系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性

作為煤化工合成氨的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合成系統(tǒng)的危險(xiǎn)程度較高。合成氨的生產(chǎn)工藝，需要氮?dú)馀c氫氣在鐵催化劑和高溫等條件下進(jìn)行，決定了合成系統(tǒng)易燃易爆的特點(diǎn)，加上液氮屬于劇毒物質(zhì)，儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)隨之增大。因此，需不斷優(yōu)化安全管理體系，提高合成系統(tǒng)與液氮儲(chǔ)運(yùn)的安全可靠性。合成系統(tǒng)部分的安全管理側(cè)重在防火與生產(chǎn)條件控制、人員隔離等方面，時(shí)刻做好氣體檢測(cè)和防靜電等安全管理工作，確保員工的人身安全。隔離使用合成系統(tǒng)，系統(tǒng)周圍禁止出現(xiàn)明火，及時(shí)發(fā)現(xiàn)合成系統(tǒng)的泄漏危險(xiǎn)因素，防止引發(fā)爆炸火災(zāi)與人員中毒等安全事件。

2.8 提高反應(yīng)速率

不同原料制備合成氨的過(guò)程及各生產(chǎn)工藝的基本原理相對(duì)近似，都需預(yù)處理原料，再對(duì)目標(biāo)混合氣進(jìn)行脫硫、脫碳、精制等處理，將獲取到的高純度氮?dú)馀c氫氣導(dǎo)入合成塔，在催化反應(yīng)下形成合成氨。制氣過(guò)程是整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中能耗成本最高的環(huán)節(jié)，除此之外，催化反應(yīng)合成氨過(guò)程中反應(yīng)速率等問(wèn)題產(chǎn)生的能耗不能忽視，還需積極引入節(jié)能減排措施。如應(yīng)用新型高效的催化劑，提高合成氨與混合氣的制備反應(yīng)速率，降低整個(gè)生產(chǎn)工藝的時(shí)間成本；如：在低壓條件下應(yīng)用高活性催化劑去制備合成氨；應(yīng)用新原料合成氨技術(shù)，由于天然氣與煤等屬于不可再生資源，為減少此類資源的消耗，需在合成氨新原料的研究與開(kāi)發(fā)方面下功夫。不斷擴(kuò)大合成氨的生產(chǎn)規(guī)模，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)生產(chǎn)周期。發(fā)揮各大工藝的優(yōu)勢(shì)協(xié)同效應(yīng)，并分別處理合成氨中常見(jiàn)的氫氣與甲烷、一氧化碳等氣體，將其作為其他有機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)的原料，切實(shí)增加物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率，達(dá)到提高效益與節(jié)能減排等優(yōu)化目的。如：在一氧化碳的變換反應(yīng)環(huán)節(jié)，變換反應(yīng)雖然可輕松脫除一氧化碳，實(shí)現(xiàn)原料氣的再生產(chǎn)[3]。但在此環(huán)節(jié)需消耗大量的蒸汽，也是合成氨工藝中的主要耗能之一，可將其作為節(jié)能降耗的關(guān)注點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，煤化工合成氨的工藝流程復(fù)雜繁瑣，涉及到原料氣的制備與凈化等工序。立足合成氨工藝中的較大耗能環(huán)節(jié)，引入升級(jí)改造換熱器設(shè)備、安裝變壓吸附氫回收裝置、加大對(duì)合成系統(tǒng)的安全管理力度等多措并舉的方式，發(fā)揮各煤化工合成氨工藝節(jié)能優(yōu)化措施的聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，不斷提高生產(chǎn)效益與質(zhì)量。