合成氨生產(chǎn)中的廢氣利用與節(jié)能效益研究

趙倩

河南化工技師學(xué)院

合成氨在實際生產(chǎn)過程中，其氣體含量較大，而考慮到相關(guān)科技手段應(yīng)用不足，很多企業(yè)很難從中提取大部分氣體，導(dǎo)致企業(yè)只能將相關(guān)氣體作為工業(yè)廢氣排放到大氣中，這種行為會導(dǎo)致大氣污染加重，也是對資源的一種浪費。對此，需要探索如何回收利用這些廢氣，這是目前合成氨生產(chǎn)中必須要思考和解決的問題。

一、合成氨生成中廢氣利用的必要性

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，廢氣利用以及節(jié)能環(huán)保問題處理一直是重點工作內(nèi)容，也是二十大中對企業(yè)發(fā)展比較關(guān)注的問題。合成氨生產(chǎn)過程中，要想實現(xiàn)節(jié)能效果，需要對相關(guān)生產(chǎn)加工工藝進行優(yōu)化處理，不斷加大對廢氣利用的效力。不管是基于企業(yè)視角還是社會發(fā)展視角來看，都是十分必要的[1]。合成氨生產(chǎn)中，需要強化廢氣利用，做好節(jié)能減排工作，這對于提升生產(chǎn)人員的節(jié)能環(huán)保意識，促進節(jié)能環(huán)保行動具有積極作用，此外，也有利于進一步優(yōu)化加工生產(chǎn)工藝，促進企業(yè)合成氨的生產(chǎn)水平和綜合效益不斷提升。

二、合成氨生產(chǎn)工藝分析

目前，我國是合成氨生產(chǎn)量最大的國家之一，國內(nèi)目前有三十多套大型氮肥裝置，接近20套的裝置都是以燃氣為原料的，還有部分以輕油、重油或者是煤為原料的。有了這些大型氮肥裝置的支持，我國的年氮肥生產(chǎn)量巨大[2]。此外，我國還有50 多套中型合成氨裝置，這些都保證了我國的氮肥生產(chǎn)產(chǎn)量穩(wěn)定提升，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供大量的尿素、氮肥和硝酸銨等。

就合成氨的生產(chǎn)來看，使用不同的原料，對應(yīng)的生產(chǎn)工藝也是不一樣的。如，以煤炭和天然氣為原料來進行合成氨生產(chǎn)，一般使用原料氣進行制備，通過煤和焦炭等固體原料進行合成氨的生產(chǎn)中，一般使用氣化方法，但是不管選擇何種生產(chǎn)方法，凈化處理的步驟都是必要的，這一步驟主要是將氫氣和氮氣外的雜質(zhì)清除干凈，特別是在變換中，脫硫脫碳和氣體精制中雜質(zhì)的清除至關(guān)重要。通常而言，在進行凈化處理中，有很多環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生一氧化碳，因此，需要對一氧化碳做好變換處理。在具體處理中會導(dǎo)致大量熱的釋放，因此，變換工作需要分段開展，即通過高溫作用將一氧化碳轉(zhuǎn)變成二氧化碳和氫氣，此后借助降溫效應(yīng)來使得一氧化碳的含量不斷減少。實際的作用是通過低溫甲醇洗法或是聚乙二醇二甲醚法來處理。在氣體精制處理中要將雜志清除干凈。此外，在原料氣進入到合成工序前，需要將殘留的二氧化碳以及一氧化碳氣體清除干凈，達到對原料氣的凈化效果，一般可以選擇使用甲烷化和液氮洗的方法來處理。

在眾多的行業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中，合成氨屬于高能耗產(chǎn)業(yè)，其污染嚴重，這是因為合成氨生產(chǎn)中使用的原材料以能源材料為主，在合成處理中對于能源資源需求量較大。通常來看，合成氨生產(chǎn)成本投入較大。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國的能源3%是在合成氨生產(chǎn)中使用的，此外，氧氣在合成氨生產(chǎn)中也需要大量供應(yīng)，生產(chǎn)中還會產(chǎn)生大量的二氧化氮、二氧化硫等有害氣體物質(zhì)，這對于環(huán)境會產(chǎn)生一定危害。當前，國家的能源資源緊張，環(huán)境污染嚴重，合成氨生產(chǎn)中的廢棄利用對于其可持續(xù)發(fā)展具有積極作用，對此，需要做好合成氨生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能環(huán)保工作[3]。

三、合成氨生產(chǎn)中的廢氣利用和節(jié)能效益分析

（一）利用合成氣體中的一氧化碳進行甲醇生產(chǎn)

甲醇在基礎(chǔ)化工原料的生產(chǎn)中占有重要地位，利用小型化肥制造設(shè)備即可同時生產(chǎn)酒精、甲醇和合成氨，這種生產(chǎn)工藝更加經(jīng)濟高效。聯(lián)合醇工藝可以有效利用合成氨生產(chǎn)中的尾氣生產(chǎn)甲醇，最終不會對合成氨的生產(chǎn)產(chǎn)生較大的影響，可以為企業(yè)的生產(chǎn)提供理想的效果。酒精相關(guān)工藝主要有兩個方面需要研究。第一個是利用其中的二氧化碳來促進甲醇生產(chǎn)過程。由于CO與氫氣反應(yīng)可生成甲醇，根據(jù)其化學(xué)方程式，當CO 轉(zhuǎn)化率達到50%時，可生成2.93 千克甲醇[4]。另一種是利用其他廢氣來促進合成氨的生產(chǎn)。 1 摩爾氮氣和3摩爾氫氣可生成2 摩爾氨，若氫氣轉(zhuǎn)化率能達到88%，則相應(yīng)的合成氨質(zhì)量為20.66 千克。如果生產(chǎn)中氫氣的轉(zhuǎn)化率相應(yīng)提高。合成氨的質(zhì)量相應(yīng)提高。通過對比采用單一酒精生產(chǎn)工藝生產(chǎn)合成氨或甲醇，發(fā)現(xiàn)采用該方法同時生產(chǎn)這兩種原料每年可帶來顯著的經(jīng)濟效益。看來，氨生產(chǎn)中產(chǎn)生的一氧化碳可以充分利用來完成酒精相關(guān)工藝生產(chǎn)甲醇。

采用聯(lián)合醇工藝生產(chǎn)甲醇時，需要增加液泵電機的使用量，增加常壓精醇工藝的電耗，增加高壓壓縮氣體的用量。這實際上節(jié)省了一些壓縮所需的能源，大致抵消了甲醇生產(chǎn)的電力消耗，在精制乙醇生產(chǎn)中，預(yù)熱器和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器消耗一定的蒸汽，但單獨生產(chǎn)甲醇所需的煤耗較低，所以通過聯(lián)醇工藝生產(chǎn)甲醇的節(jié)能效果是顯著的。這一生產(chǎn)工藝充分利用了合成氨生產(chǎn)中的一氧化碳，達到了節(jié)能效果，還具有良好的社會經(jīng)濟效益[5]。

（二）從合成氨尾氣中提取氫

在合成氨生產(chǎn)中，廢氣通常經(jīng)過兩次脫除。一種是合成系統(tǒng)原料氣的循環(huán)廢氣和積聚的惰性氣體，另一種是高壓液氨接入氨罐時從氨罐釋放的吹掃氣。這兩類氣體約占合成器體積的2%-5%，每噸氨排放150-250 Nm3。可見，合成氨尾氣也是優(yōu)質(zhì)能源，可以通過提取利用發(fā)揮其價值。在相關(guān)生產(chǎn)實踐中進行測算發(fā)現(xiàn)，每噸氨的尾氣熱值接近3.87×106kJ，占據(jù)氨生產(chǎn)過程中耗熱值的7.56%左右[6]。目前，很多企業(yè)無法回收煤氣中所含的有價氣體，只能將煙氣經(jīng)過氨處理后降壓，然后送入鍋爐進行低熱值燃燒，這樣會增加能源消耗和資源浪費。

通過對于合成氨尾氣含量的檢測發(fā)現(xiàn)，其中的氫氣含量超過了59%，是排放尾氣中占比最大的部分，一些中小型化肥廠可以從氫氣回收入手，回收氫氣來提高節(jié)能技術(shù)，回收的氫氣可以直接換取商品或用作合成氨的原料。返回氨合成系統(tǒng)使用。據(jù)統(tǒng)計，每回收1000 Nm3氫氣相當于節(jié)省1500 Nm3半氫氣，可提高合成氨產(chǎn)量5%左右，每噸氨可降低能耗2.5×106kJ。

在氫氣回收中，可以使用變壓吸附法，這種工藝技術(shù)如今已經(jīng)發(fā)展成熟了，結(jié)合常溫吸附劑在兩種不同壓力下對于氫氣中相關(guān)成分的吸附容量差異來實現(xiàn)對于氫氣的回收，能夠有效將尾氣中氫氣意外的雜質(zhì)清除干凈，實現(xiàn)尾氣中氫氣回收率達到85%左右，回收利用率比較高。

總體來看，氫氣的發(fā)熱值要比汽油高出三倍，是一種無污染、清潔型的高效能源。同時也是冶金、化工、電子等部門很多產(chǎn)品工藝中必須使用的還原氣或保護氣，其應(yīng)用范圍較廣。相關(guān)水電解工藝中的制氫耗電量較大，需要的成本很高，和我國的電力緊張情況是不相適應(yīng)的，通過生產(chǎn)合成氨中的尾氣進行氫提取，其經(jīng)濟效益和環(huán)境效益都比較好，具有廣闊的發(fā)展前景。具體的氨和氫提取中，可以嘗試低溫分離。這種提取方法基本上是一種根據(jù)沸點和溶解度的差異來分離成分的方法。該方法可用于空氣中氫氣的回收[7]。除氧空氣主要含有H2、N2、Ar、CH4、NH3 等氣體，除氧氣體通過冷凝器將大部分氨轉(zhuǎn)化為液氨，然后在水洗塔中與無氧空氣結(jié)合。剩余的氨被厭氧軟水使用。然后。然后利用低溫精餾將氫氣、甲烷、氬氣和氮氣一一分離，分離后得到90%的氫氣。該方法可同時回收氫氣和氮氣，且氫氣純度高。該方法采用兩級深冷部分冷凝分離技術(shù)，解決了設(shè)備內(nèi)甲烷凍結(jié)的問題，并且它與合成氨系統(tǒng)相互獨立互不影響操作。

（三）合成氨尾氣的其他利用

一些化肥企業(yè)已經(jīng)開始嘗試將合成排放氣作為煤氣供應(yīng)給居民進行燃燒，為小城鎮(zhèn)的居民提供生活服務(wù)的能源支持，這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)的節(jié)煤效率將近40%，一年生產(chǎn)3 萬噸的合成氨的化肥企業(yè)排放出的合成排放氣能夠為4000 多戶家庭提供煤氣燃燒原料，其節(jié)能效果顯著，能夠為小化肥廠增加經(jīng)濟收益，還能促進城鎮(zhèn)居民生活用能水平的改善和優(yōu)化，不斷減少環(huán)境污染問題。

一些經(jīng)濟基礎(chǔ)強大，技術(shù)力量突出的大型化肥生產(chǎn)企業(yè)而言，能夠?qū)τ诤铣砂蔽矚庵械南∮袣怏w做好回收處理，將尾氣中的其他稀有氣體回收起來，這種回收處理的成本相對較高，不過其所能帶來的經(jīng)濟價值較高，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的進程中，尾氣中的相關(guān)成分都能得到合理的回收利用，真正變廢為寶，實現(xiàn)合成氨生產(chǎn)中廢氣的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

四、合成氨生產(chǎn)中的氨回收技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在我國的很多化肥企業(yè)合成氨生產(chǎn)工藝流程中，為了增強合成氨的附加值，碳銨逐漸被淘汰尿素或是附加值更高的產(chǎn)品在生產(chǎn)中應(yīng)用更為普遍。在尿素生產(chǎn)中，針對合成氨馳放氣氨回收工藝一般都以水洗法為主，一些甚至是直接出售氨水，這類處理方案會導(dǎo)致氨的附加值降低，也會導(dǎo)致很多氨水不能有效處理，導(dǎo)致生產(chǎn)和生活環(huán)境受到嚴重威脅。對此，相關(guān)科研工作人員需要積極探索低溫氨處理方法和技術(shù)，確保氨回收純度達到100%。通過氨灌馳放氣和為其壓力來實現(xiàn)氨回收，并不需要額外進行新的動力補充，不過這種方案使用有一定缺陷，即尾氣中氨的剩余量在接近2%的情況下，達不到我國環(huán)保排放標準要求[8]。而就無動力氨回收工藝的基本原理而言，其是借助深冷技術(shù)實現(xiàn)化肥生產(chǎn)裝置回收，基于相應(yīng)氣體沸點存在的差異，將馳放氣溫度快速降低到零下60 攝氏度上下，實現(xiàn)對于氣態(tài)氨從馳放氣中的提取目標。

此外，低壓閃蒸回收工藝應(yīng)用也比較多，一些化肥廠家在尾氣吸收完成后，氨的含量比較高，他們會將氨尾氣作為燃燒氣體或是直接排放，這種處理方式不僅會導(dǎo)致嚴重的空氣污染，也是一種資源浪費。且這種方法利用回收氨的效率也不高。合成氨生產(chǎn)中尾氣中的氨含量實際上是比較高的，需要消耗一定的水資源，氨水濃度不高，且冷卻效果也不好，很難實現(xiàn)連續(xù)正常運轉(zhuǎn)。連續(xù)正常運行時間很難實現(xiàn)。如果生產(chǎn)廠需要維修設(shè)備，但系統(tǒng)內(nèi)存在大量殘留氨，只能在設(shè)備完全停止后直接排放到大氣中，造成污染加劇。

近年來，一些廠家開始采用耐壓閃蒸技術(shù)回收壓力小于2MPa 的合成氨廢氣和含氨廢氣，并結(jié)合特殊生產(chǎn)需要使用。這種回收方式可以不斷降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，具有一定的環(huán)保效果。低壓火焰蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用可以利用低壓閃蒸塔實現(xiàn)尾氣回收，并利用雙層泡罩延長氣液接觸時間，提升整體反應(yīng)效率。兩層中都使用鼓泡式吸收方案，能夠確保系統(tǒng)氨水的濃度不斷提升，提高其反應(yīng)效率，降低系統(tǒng)用水量。將這一方法獨立應(yīng)用到合成氨尾氣出口的氨含量控制中，具有很好的應(yīng)用效果。

合成氨可達到工藝用水量，減少效果可節(jié)約水資源。同時還可以提高吸收塔內(nèi)氨水的濃度，有效降低后續(xù)修復(fù)凈化的能耗。

總結(jié)

合成氨生產(chǎn)加工過程中釋放的廢氣主要成分造成大氣污染和資源浪費。本文提出通過廢氣回收，實現(xiàn)廢氣的經(jīng)濟效益，廢氣中的氫、氨都可以提取使用，還可以借助廢氣中的一氧化碳生產(chǎn)甲醇，這些都有利于提升廢氣利用價值，還能有效避免廢氣污染大氣，效益顯著。