合成氨生產過程的節(jié)能降耗分析

熊啟海 (山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

針對合成氨生產過程的節(jié)能降耗，除了產業(yè)結構調整外，還應當注重技術的更新。目前來看，我國各行業(yè)已經逐步進入生態(tài)文明建設總目標中，并強調深入推進節(jié)能降耗、減排環(huán)保工作的落實，利用技術創(chuàng)新、設備改造以及產業(yè)轉型升級的方式降低生產過程中的高能耗、高污染問題。合成氨生產行業(yè)作為新時期重要的能源來源渠道，務必做好領頭效應，緊跟時代需求進一步優(yōu)化合成氨過程。為實現(xiàn)可持續(xù)性的效益增值，還應當制定長遠性目標，除了合成氨外還需改善其相關增效，完善技術實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 傳統(tǒng)合成氨生產過程中存在的問題

合成氨生產行業(yè)對于能源的消耗相對較大，且會產生大量廢氣，不僅違背我國資源利用最大化戰(zhàn)略，還會產生額外的廢氣影響，針對廢氣的處理又會消耗一定的能源。其中比較常見且量大的廢氣為CO和H2，傳統(tǒng)合成氨生產工程對于廢氣的處理并不科學，為對其進行價值分析和回收，進一步加劇環(huán)境破壞，還會導致資源浪費，不利于可持續(xù)經濟的發(fā)展。合成氨生產會造成大量能源消耗，如：工藝水、油、冷卻水、加熱蒸汽、設備電耗以及儀表空氣等，占據(jù)總成本的70%。以某一傳統(tǒng)合成氨工廠為例，在生產的過程以水煤氣為主，對于氨氮比例控制時主要采用氨水吸收，從而實現(xiàn)CO2換氣，再進行脫碳處理。該工廠在技術方面進行過一次創(chuàng)新，加入變壓吸附脫碳技術，并在生產效率方面起到顯著效果。能耗問題有所緩解，但仍舊無法實現(xiàn)吸附氮和二氧化碳的目標，變壓吸附裝置成本較高。

2 節(jié)能降耗必要性分析

2.1 合成氨工藝改進需求

合成氨工藝生產具有兩大特征，這兩大特征也是落實節(jié)能降耗的主要方向。第一是連續(xù)性、系統(tǒng)性特征。在進行原料處理時需要進行多道持續(xù)性操作，完成脫硫、凈化后進入合成系統(tǒng)實現(xiàn)氨合成反應，再對一些氣體和剩余原料進行反復利用，最終獲得合成氨。在此過程中一旦出現(xiàn)紕漏或某一道工序出現(xiàn)故障，必然會影響其系統(tǒng)運行的整體性，不僅無法滿足合成氨生產的持續(xù)性特征需求，還會降低生產質量和效率，造成一定量的資源浪費。第二是復雜性、規(guī)范性特征。合成氨生產過程相對復雜，內容要求十分嚴謹，需要相關人員明確其特征與實際需求，并做好材料數(shù)量、催化劑、溫度等多方面的控制，這就需要對相關工藝進行科學改進，在此基礎上實現(xiàn)節(jié)能降耗。例如在氫氮混合氣制作時，所涉及的原料數(shù)量相對較多，有天然氣、水蒸氣以及煤等，此過程也是出現(xiàn)資源浪費占比較大的環(huán)節(jié)，可以通過提升設備效能的方式降低60%以上的損耗。

2.2 社會需求變化和行業(yè)發(fā)展需求

黨的十九大報告詳細指明當前社會的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來需要重點關注的問題，將人與自然和諧共生作為生態(tài)文明建設的主要宗旨，強調節(jié)能消耗和資源利用率最大化。根據(jù)行業(yè)能源消耗情況分析調查能夠了解合成氨生產工作的能耗情況和污染情況相對嚴重，其原材料以能源物質為主，且需求較大，成本高達70%以上。合成氨的生產過程對氧氣的需求量較大，但排放的廢氣氣體種類多且復雜，處理起來相對繁瑣，也是額外的能源支出。現(xiàn)如今環(huán)境污染嚴重、資源匱乏的背景下，更應當加強環(huán)保、節(jié)能方面的建設，助力合成氨生產的現(xiàn)代化轉型。

3 合成氨生產過程中的工藝增效改善

合成氨生產過程中會產生大量氣體，而這些氣體并非完全沒有價值，為有效降低合成氨生產中的能耗成本，可以從其工藝增效的角度入手，降低廢氣處理的成本，間接提升合成氨生產過程的節(jié)能降耗效果。

3.1 甲醛提取工藝

甲醇是工業(yè)生產中不可或缺的原材料之一，主要應用于聯(lián)醇生產，在進行合成氨生產時會產生一定量的CO，能夠經過科學處理獲得甲醇，不僅能夠降低對CO處理的成本，還能將其賣出帶來更多收益，實現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展。在實際運用時主要通過多合成氨尾氣的收集與處理，實施聯(lián)醇工藝獲得甲醇。其工藝主要由CO與氫氣發(fā)生反應，當轉換達到50%即可獲得甲醇，具體流程為：1 mol氫氣與0.5 mol氮氣反應，獲得1 mol氨氣，轉化率達到90%時能夠獲得21 kg合成氨，經過換算后發(fā)現(xiàn)，每年能產生10萬噸合成氨，同時應用聯(lián)醇方式能夠合成1.28萬噸甲醇，市場價格3千元/噸，且每1噸甲醇的生產需要投入成本量僅為150元，如此一來既能為企業(yè)帶來更高收益，還能降低資源浪費和能耗，實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。在甲醇提取過程中應用液體泵電機實現(xiàn)常壓提純，相對于以往的電能耗成本來說，能夠有效降低功率。在實際應用時還需準備規(guī)定量的蒸汽和標準煤氣，相比于以往的材料消耗量降低大約3.4倍。

3.2 氫提取工藝

在進行合成氨生產過程中，針對氣體的排放處理主要通過高壓液氨節(jié)流和合成系統(tǒng)原料氣對惰性氣體循環(huán)排放這兩種方式，其合成氫占比5%，氨氣排放量約240 m3/t，而氫氣在尾氣中占比在50%以上。而氫氣是當前市場中比較常見的商品，因此可對其進行回收處理，相關數(shù)據(jù)顯示，100 m3的氫氣是15 m3的半水煤氣，可重復應用到氨合成系統(tǒng)中，有效減少能耗。在實施時可以應用變壓吸附回收法，主要原理為：常溫條件下根據(jù)環(huán)境壓力應用吸附劑，配合氫氣中其他成分的特性，對多種雜質實現(xiàn)一次性清除，提升氫氣回收率和純度。此外，還可應用水電解的方式制氫，成本和能源消耗更少，一般為6 kW·h/m3。針對合成氨尾氣中氫氣的提取能夠節(jié)省92%的電能消耗，氫氣提取量大約在140 m3/h。目前我國在氫氣市場十分廣泛，價格約為2元/m3，相較于以往的電解工藝，水電解對電能的消耗明顯降低，且應用氫氣的發(fā)熱值也低于汽油等物質，適用于電氣、化工、冶金等行業(yè)，還能用于還原氣保護，但生產流程相對復雜，且成本較高，而合成氨生產尾氣中提煉氫氣能夠進一步彌補這一空缺，同時為合成氨企業(yè)帶來一定收益，符合當前能源發(fā)展需要。

3.3 其他氣體處理

合成氨尾氣中含有很多氣體，部分氣體具有一定應用價值，而部分氣體的處理則需要應用更多能耗，需要結合情況選擇利用和處理排放。以氮氣為例，在進行處理時可應用三進加氮工藝，降低水煤氣加工中的產熱損失，利用額外增加氫氣的方式實現(xiàn)資源的優(yōu)化，提升效率。此外，部分物質中含有氪物質顆粒，會直接排列分布氰基，顆粒直徑普遍為200～300 mm，且水溶性較強。相關研究發(fā)現(xiàn)，這類物質存在一定堆密度，對產品造成一定不良影響。目前來看，合成氨尾氣并非一無是處，可以代替煤氣提升節(jié)煤率，增強綜合效益的同時實現(xiàn)能源節(jié)約。

4 合成氨生產中節(jié)能降耗策略

4.1 掌握合成氨生產過程中的能耗問題來源

合成氨生產過程的能源消耗問題十分嚴重，想要真正緩解其能耗居高不下的現(xiàn)狀，需要立足于其能耗問題來源展開詳細分析，注重解決方案的綜合性、全面性以及針對性，從管理和技術兩個角度進行問題剖析，從而有效解決高能耗問題。從合成氨生產管理的流程來看，存在工藝復雜、系統(tǒng)化特點，且連續(xù)性較高。因此，在管理過程中需要進一步優(yōu)化管理內容，完善相關機制，根據(jù)以往存在的問題給予針對性的管理方案，保證實現(xiàn)低能耗生產。在實際落實過程中還需對每個步驟進行監(jiān)控，在設備上安裝對應的傳感器系統(tǒng)，實時連接計算機設備，監(jiān)控其能耗數(shù)據(jù)，避免造成資源成本及能耗浪費，一旦超出限值立即查詢原因。此外，根據(jù)合成氨企業(yè)的調研發(fā)現(xiàn)，部分中小型企業(yè)并未積極進行轉型，其設備和相關工藝流程亟待更新。設備方面存在老舊情況，對于廢氣的回收利用及處理工作不佳，不僅造成資源浪費還會影響工作效率，質量也是待思考的主要問題之一。技術方面，并未實施自動化管控，一旦出現(xiàn)問題不能及時組織，容易造成不可挽回的后果。由此可見，技術設備以及管理的創(chuàng)新是降低合成氨生產能耗的主要導向，需要優(yōu)先進行企業(yè)自身情況調查，再予以針對性措施。

4.2 研制新型合成塔

合成氨生產過程的規(guī)范性和系統(tǒng)性較強，整個加工流程工序之間相互依靠，無論哪個單元發(fā)生故障或變化都會影響整體的制作質量和效率。因此，在合成氨生產過程中實施節(jié)能降耗舉措，務必注重各個環(huán)節(jié)的可選擇性，再做好局部與整體調整[1]?？梢匝兄菩滦偷暮铣伤?，目前來看，大部分合成氨工程逐漸傾向規(guī)?；a。在大型生產過程中需要多段工序進行化學反應，且對傳熱、工序流動性的要求較高，進行新型合成塔的研究能夠有效降低壓力，應用冷管完善操作，確保溫度適中適宜，從而獲得更高氨凈值。以往大型合成氨生產主要依靠機械壓縮，相比之下，吸氨制冷的效率更高，并采用物理循環(huán)吸收的方式進行脫氧處理，能夠有效降低能耗問題。在運用時可以選擇應用二氧化碳或分子脫篩水分，確保合成塔內氣體的純潔性，從而提升分離率。應用節(jié)能型球形觸媒，借助其抗毒性和低溫活性高的優(yōu)勢進一步提升節(jié)能效果。為降低氣體跑出現(xiàn)象的發(fā)生率，還應設置加熱器實現(xiàn)熱氣循環(huán)。

4.3 加強生產管理實現(xiàn)節(jié)能降耗

從生產角度來看，需要注意以下三點：第一，合成氨企業(yè)需要明確產品以及其所排放廢氣的實際價值，并科學計算抵扣成本，為企業(yè)增加額外的收益，并利用所得收益對原有老舊設備進行優(yōu)化，避免造成額外的資源浪費，實現(xiàn)精細化管理和質量控制。第二，在制定管理制度時務必保證生產過程的完善性，重點分析各道工序中設備存在的問題，并做好臺賬記錄，科學控制運行風險。第三，需要建立自動化監(jiān)管制度，將信息技術滲透在管理過程中，實現(xiàn)對合成氨生產過程的實時科學控制，保證能源消耗穩(wěn)定。

4.4 注重生產工藝上的節(jié)能降耗

技術的創(chuàng)新是合成氨生產過程節(jié)能降耗的關鍵方式之一，企業(yè)需要嚴格遵循節(jié)能、環(huán)保理念，從設備、工序的角度出發(fā)，對技術進行創(chuàng)新。例如加大對高效催化劑的研發(fā)，降低能源消耗提升合成氨質量，應用高效催化劑能夠降低合成氨生產過程中對熱能物質的依賴，具有經濟性、高效性和環(huán)保性優(yōu)勢。此外，還可以科學借用催化劑的反應效果，例如水蒸氣與一氧化碳之間的放熱反應，但有時放熱反應并不能達到預期效果，此時應用催化劑能夠提升熱度，實現(xiàn)充分反應。針對設備的改進主要在于相關物質的二次利用，例如提升造氣裝置性能和功能，提升對CO的燃燒效率。亦可加強對水煤氣和爐煤氣的工藝制備，打造自給自足的工作格局，降低原料消耗和廢棄物處理成本[2]。引入綠色技術和節(jié)能型設備，提升各個工序之間的配合度，將副產品和有害物質進行重新整合與利用，減少對環(huán)境的破壞。進一步降低能源消耗成本，同時提升氣化強度，合成系統(tǒng)提升物質回收率和轉換率，保證多余原料氣和資源的可持續(xù)性利用。

4.5 重視資源合理利用實現(xiàn)降本增效

合成氨過程中除了基礎性的原材料應用和產出的常規(guī)性氣體外，還會應用和產生大量的化學熱和蒸汽余熱、廢水等，這也可以作為合成氨生產過程中節(jié)能降耗的出發(fā)點。例如副產蒸汽能夠用于熱電聯(lián)產，在產生后及時回收，從而緩解熱損失成本，降低能耗；甲烷和氫氣是合成氨的原料，而其廢氣產出也有這兩種氣體，可以進行提煉后再次重復作為原料，亦可直接作為清潔能源，從而降低溫室效應；低熱值的爐渣也是生產后的物質，可將其用于三廢爐燃燒，實現(xiàn)循環(huán)使用，從而提升煤炭利用率。部分物質還可賣給相應的廠家，經過處理后制成水泥、粉磚等，實現(xiàn)資源利用最大化。

5 結語

綜上所述，我國針對合成氨的生產具有規(guī)?；?、長期性的特點，傳統(tǒng)合成氨生產過程中存在周期長、產生廢氣量大、工藝增效模式單一的情況，無論是生產過程還是后期廢氣處理均會造成一定資源浪費，成本能耗相對較大，直接影響其收益。因此，針對合成氨生產過程節(jié)能降耗的研究十分有必要，需要進一步細化其工藝增效情況，并進行科學改善，明確傳統(tǒng)生產過程中造成高能耗的主要原因，研發(fā)新型技術，注重生產管理與工藝是哪個的節(jié)能降耗，助力實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。