繆傳耀

摘 要：化工技術的應用為社會經濟發展貢獻了很多化工制品，為人們生產生活創造了很多便利條件，合成氨在工業、農業及醫藥等諸多領域內均有應用。但因生產制造技術的制約，造成當下的合成氨工藝實施過程中存在著很大問題。從闡述煤氣化原理著手，總結煤化工合成氨工藝的基本流程，以實現節能生產為目標，探究幾點可行的優化對策。

關鍵詞：煤化工；合成氨；工藝分析；節能優化

0 引言

     ;  建(jian)國以后我(wo)國化(hua)工技術快速發(fa)展，其(qi)中合(he)成(cheng)氨(an)工藝在(zai)發(fa)展中取得(de)的(de)(de)進步是顯而(er)易見的(de)(de)，其(qi)在(zai)社會(hui) 多個(ge)行業發(fa)展中得(de)到(dao)了廣泛應用，為經(jing)濟(ji)持(chi)續(xu)發(fa)展做出了突出貢獻，故而(er)其(qi)需求(qiu)量也是龐(pang)大的(de)(de)。合(he)成(cheng)氨(an)的(de)(de)工藝在(zai)持(chi)續(xu)改(gai)進中占據著(zhu)主導地(di)位，但主要的(de)(de)合(he)成(cheng)技術依然是用煤氣(qi)直(zhi)接合(he)成(cheng)氨(an)。這種(zhong)工藝自身存在(zai)著(zhu)生產效率偏低、能源消耗量較高等不足，故而(er)應結合(he) 實際情況有(you)針(zhen)對性地(di)改(gai)進設備裝置(zhi)與技術應用，持(chi)續(xu)完善(shan)催(cui)化(hua)劑，力爭(zheng)將能耗量降到(dao)最低，確保煤化(hua)工經(jing)濟(ji)穩步提(ti)升。

1 煤氣化原理

       煤氣化工業活動推進時，就是在高溫高壓環境下使煤炭內的有效燃燒成分與氧氣、水蒸氣等發生化學反應，促進固體煤炭轉化成可燃性氣體。在業內，氣化以后的煤化煤氣通常被叫做合成氣，參與氣化反應的裝置被稱之為汽化爐或煤氣發生爐。從宏觀層面上，煤炭氣化過程通常被細化成如下四個不同階段，即干燥、燃燒、熱解、氣化，其中只有煤炭干燥屬于物理制備過程，其他過程均屬于化學反應的范疇 ^[1]。氣化爐內煤炭在高溫條件作用下會發生熱解反應，自身分解并釋放出大量的揮發性物質。揮發性物質后期在進一步加熱升溫過程中和加進爐內的添加劑發生化學反應，生成很多氣態物質，包括一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、水等，以上物質經再次加熱反應、冷卻以后通常就能成功制成合成氣。

2 煤化工合成氨工藝的主要流程

2.1 制取原料氣

       這是煤(mei)化工合(he)成氨(an)工藝(yi)執(zhi)行的(de)(de)(de)首(shou)個環節，即制取合(he)成氨(an)工藝(yi)執(zhi)行過程中(zhong)所需的(de)(de)(de)原(yuan)材料(liao)。當(dang)前(qian)，多采用煤(mei)化氣(qi)(qi)法制備煤(mei)化工藝(yi)的(de)(de)(de)合(he)成氨(an)原(yuan)材料(liao)，其通過促進(jin)蒸汽、氧氣(qi)(qi)和(he)其他催化劑反應實現對煤(mei)的(de)(de)(de)高溫加熱，借此方式使煤(mei)炭分解成氫氣(qi)(qi)與一氧化碳(tan)等可燃(ran)性氣(qi)(qi)體。隨(sui)后應用二段蒸汽的(de)(de)(de)工法完成轉化，進(jin)而實現合(he)成氣(qi)(qi)體的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。

2.2 原料氣的凈化

       當前，工業上原料氣的制備尚未實現精細化，現場制取所得的原料氣內摻雜著很多硫化物、一氧化 碳、二氧化碳以及微量氧氣，為了提升原料氣的純度， 就一定要更加嚴格地執行原料氣的凈化工作。這種凈化工作執行的目的主要是剔除原料氣內除氫氣與氨氣以外的所有雜質。客觀上講，以上這種去除方法不 能徹底剔除雜質，且理論上講沒有哪種物質的純度能 達到 100%，純度的提升還是要依靠脫硫及脫碳工作進行。首先，去除一氧化碳是一項難度較大的操作內容，為了提升這種雜質的去除效果，生產實踐中可以先對一氧化碳進行轉化處理，使其轉變成較易剔除的二氧化碳與部分氫氣。這樣一來，不僅能顯著提升雜質的去除效率，還能提取到更多的氫氣原料，為合成 更多氨氣提供更充足的準備。在該步驟中，工作人員一定要注意的問題是，清除一氧化碳的過程可以被看作是制取原料氣的一種延續形式，這主要是由于實際制取過程中部分一氧化碳會轉換成氫氣^[2]。其次，一氧化碳清除工作結束后，就可以進入到硫化物的清除工序，即 脫硫過程。執行脫硫工藝的目的一方面是為提升合成氨的質量，另一方面因為硫化物自身帶有一定毒性，若清除不及時可能會對合成氨制取過程安全性構成威脅。當下，實現工業脫硫可以采用的方法較多，相比之下理化吸收法與低溫甲醇洗法是常用工法。粗原料氣經過一氧化碳轉換以后，變換氣內不僅有氫氣，還存在著部分二氧化碳、一氧化碳與甲烷等成分，二氧化碳含量占比相對較高。最后，很多研究表明，二氧化碳不僅是氨合成催化劑的一種常見毒物，也是尿素、碳酸氫銨等氮肥生產制備時的一種重要原料。故而脫除變換氣內二氧化碳時一定要兼顧以上這兩方面要求，當前，溶液吸收法用于二氧化碳脫除工藝中表現出良好的效能。

2.3 原料氣的精煉

       合成(cheng)氨(an)原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)經一氧(yang)化碳(tan)(tan)轉(zhuan)換與二氧(yang)化碳(tan)(tan)脫(tuo)除工(gong)藝以后，其內(nei)依然殘留(liu)著少量的一氧(yang)化碳(tan)(tan)、二氧(yang)化碳(tan)(tan)、氧(yang)與水等雜質。為了(le)將以上物(wu)質對(dui)(dui)合成(cheng)氨(an)催化劑產生(sheng)的毒害作用降到(dao)最低，在把原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)送到(dao)合成(cheng)工(gong)序(xu)之前，工(gong)作人員一定要(yao)對(dui)(dui)其進行(xing)精煉處理(li)。當下(xia)，精煉原(yuan)(yuan)料(liao)(liao)氣(qi)普遍采用的方法有如下(xia)三種：一是銅氨(an)液(ye)吸收法；二是甲烷化法；三是深冷液(ye)氮(dan)洗滌法。

2.4 氨的合成

       理論上講，氨的合成是合成氨的生產工藝中核心環節，上文針對原料氣執行的所有制取、凈化、精煉均是為更高效地完成合成工藝服務，進而制備出純度最 高的氨。氨的合成一定要在高溫、高壓且有催化劑輔助的條件下進行，合成條件的特殊性直接決定了氣體內氨含量偏低，通常含量范圍是 10% ～ 21%，在這樣的工況下為明顯提升氨的含量，就一定要配合應用氫氣-氮氣的循環系統 ^[3]。基于持續的循環過程提升氨的分離效率，提升合成氨的整體合成效率。

2.5 氨的分離

       合(he)成(cheng)塔內合(he)成(cheng)氨工藝的(de)(de)(de)執行情(qing)況受反應平衡條(tiao)件的(de)(de)(de)制約(yue)，事(shi)實上只有部分(fen)(fen)(fen)氫(qing)氣(qi)(qi)、氮氣(qi)(qi)會成(cheng)功合(he)成(cheng)為(wei)氨，未參與(yu)反應的(de)(de)(de)氫(qing)氣(qi)(qi)和(he)氮氣(qi)(qi)占比較(jiao)高(gao)。為(wei)提升合(he)成(cheng)塔出口混合(he)氣(qi)(qi)內未反應的(de)(de)(de)氫(qing)氣(qi)(qi)與(yu)氮氣(qi)(qi)資源的(de)(de)(de)利用(yong)效率(lv)，且獲得純度更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)氨產品，將氨由混合(he)氣(qi)(qi)內分(fen)(fen)(fen)離(li)出是(shi)(shi)一項十分(fen)(fen)(fen)關鍵的(de)(de)(de)工序。當前分(fen)(fen)(fen)離(li)氨多(duo)采(cai)用(yong)如下(xia)兩種(zhong)(zhong)方(fang)法，其(qi)一是(shi)(shi)水吸收法，其(qi)二則(ze)是(shi)(shi)冷(leng)凝分(fen)(fen)(fen)離(li)法，當下(xia)國內很多(duo)大型氨廠優(you)先采(cai)用(yong)第二種(zhong)(zhong)方(fang)法分(fen)(fen)(fen)離(li)氨，其(qi)原(yuan)理主要是(shi)(shi)利用(yong)氨冷(leng)卻的(de)(de)(de)方(fang)法促(cu)使混合(he)氣(qi)(qi)內氣(qi)(qi)態(tai)氨在(zai)較(jiao)短時間(jian)內冷(leng)凝成(cheng)為(wei)液(ye)態(tai)氨，而后(hou)利用(yong)分(fen)(fen)(fen)離(li)器(qi)促(cu)進氣(qi)(qi)、液(ye)的(de)(de)(de)有效分(fen)(fen)(fen)離(li)。

3 合成氨工藝的節能改造

3.1 氨合成塔

       氨合成塔為煤化工合成氨設備的重要構成，其在運行過程中對催化劑的質量提出較高的要求，側重點是實現在催化劑床層上氣體自身達到均勻分布，氨合成塔技術改進及節能優化的途徑主要是精簡煤制合成氨裝置的操作過程，最大限度地提升控制過程的可操作性，提升整個裝置的實際運行效率，提升安全性，減少能源消耗量，最后制造出更多的合成氨材料。當下，我國針對氨合成塔的技術改造主要是使用 S-100 型、S-200 型、S-300 型氨合成塔，以上這三種氨合成塔均應用了托普索工藝。其中，S-300 型氨合成塔的結構主要是三穿層二段中間換熱式，壓力達到 15.0 MPa，必須要配置應用托普索專用催化劑，塔徑 2 400 mm，塔溫控制方法可以做出如下闡述：主線走塔中，副線走塔壁，主線和兩條副線協同功控制三床層溫度。托普索氨合成工藝流程 ^[4] 如圖 1 所示。

       源于精制工序的新鮮合成氣 (30 ℃，3.2 MPa) 被合成氣壓縮機壓縮段加壓、段間冷卻處理以后，和始源于冷交換器內循環氣合并到壓縮機循環段，混合氣壓 力最后上升到 15 MPa，從壓縮機送出。經壓縮以后的 合成氣被熱交換器預熱以后，從下部進到合成塔，以中 心管為依托抵達上部，而后經由內、外筒兩者之間的環 隙順著徑向依次進到催化劑床層、換熱器內發生相應二段化學反應 ^[5]。出合成塔的反應氣 ( 大概 414 ℃，含氨體積分數 22% 左右 )，預熱器回收熱量以后被整合到熱交換器壓縮機出口氣體，而后再經水冷器、冷交換器、一級及二級氨冷器處理，最后被冷卻到 0 ℃進到氨分離器，在氨分離器內冷凝氨順利分離出來，分離氨 后所得循環氣經冷交換器回收以后進到壓縮機循環段 并和新鮮氣匯合，重復執行以上循環過程。由氨分離器分離出的液氨會被整合到氨閃蒸槽，基于減壓工藝 (-3.2 MPa) 成功閃蒸出溶解的氣體，閃蒸以后的液氨會被統一送到冷凍工序，而閃蒸氣體會被送到合成氣壓縮機入口，最后整體返回到合成系統。

3.2 廢水循環利用技術的改進

       合成氨的生產工藝內，大部分生產者為了減少成本支出，通常選用碎煤作為生產原材料，碎煤生成煤氣 以后其內的焦油與粉塵并沒有實現完全分離，這是造成 當前合成氨工藝生產管道內局部堵塞的主要原因，進而導致合成氨生產中的熱損失量顯著增多。另外，采用適宜的方法提升廢水利用效率也有助于減少合成氨生產 實踐中煤能源的消耗量 ^[6]。對于廢水循環利用技術的改造，需要對焦油、煤粉進行二次或者多次沉降處理，且要在此基礎上增設氣浮裝置，力爭在進行二次或多次沉降以后，煤氣水內的油質量濃度與懸浮物含量均處于較低水平，降低煤化工合成氨裝置堵塞事件的發生率，在這樣的情境下整個裝置的運行效率會顯著增加。

3.3 換熱器的改造

       即對換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器設備進行(xing)升級改造，配置應用(yong)高效型(xing)(xing)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器完(wan)成設備與管(guan)線的傳(chuan)熱(re)(re)(re)過程，比如(ru)波紋管(guan)、異型(xing)(xing)管(guan)及(ji)板(ban)式(shi)換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)器等。現行(xing)生(sheng)產中，企業大(da)多選擇蒸發式(shi)冷(leng)凝器，采用(yong)優(you)化整改這(zhe)種(zhong)內部換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)元件(jian)的辦法(fa)，能夠顯著提升其換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)成效與冷(leng)卻能力，進而確保換(huan)(huan)熱(re)(re)(re)效率處于較(jiao)高水平(ping)，減(jian)少能源消耗量。

3.4 流動設備

       即采用變頻控制設備管理控制流動設備的使用情況，既往使用的設備控制方法是通過固定供電頻率 去控制設備，啟動設備環節執行的操作不夠平滑，可能導致損失掉大量的電力資源。而改用變頻控制方法以后能夠真正達到平滑的增速或減速，既往有資料記載其節能電效率大概為 20%^[7]。除此之外，還可以嘗 試應用合成排放氣的氫同收設備 (如膜提氫裝置等)， 這種方法能明顯減少原料氫的消耗量。

3.5 分子篩節能方法

       當下，已經有很多企業將分子篩技術用于合成氨工藝實踐中，其最大的特點是能顯著提升進入合成塔內的水、CO₂、CO 等雜質的凈化效率。既往即有公司采用這種方法對合成車間進行了技術改造。

       新增設的分子篩干燥系統以后的節能措施主要有：(1) 該系統投用后，進入塔氣內的 CO₂、H₂O 和 CO 含量顯著降低，這就代表合成氨氣體質量顯著提升，在這樣的工況下催化劑自身活性顯著提高，自身的使用壽命明顯延長；(2) 運用分子篩后，回路內 “冷”“熱”位置布置更加合理化，弛放氣處被設置在分氨后面，方位更加科學化，能夠節約弛放氣過程中氨冷器的氨冷量；(3) 新增系統實現正常運作以后，系統壓力會顯著降低，繼而明顯減少了因新增系統而引起的合成氣壓縮機高、低壓缸兩者之間大量壓力損失的情況，減少了壓縮機自身功效損失量^[8]。

3.6 配置合成冷卻系統

       伴隨出塔氣(qi)源源不斷地進到水冷(leng)(leng)(leng)器(qi)，冷(leng)(leng)(leng)卻到一(yi)定溫度以后(hou)，氣(qi)體就(jiu)被(bei)分成(cheng)兩股(gu)(gu)，一(yi)股(gu)(gu)依次被(bei)一(yi)級(ji)、二(er)級(ji)氨(an)(an)冷(leng)(leng)(leng)器(qi)冷(leng)(leng)(leng)卻處(chu)理，另(ling)一(yi)股(gu)(gu)于并(bing)聯換熱器(qi)被(bei)一(yi) 23 ℃的 循環(huan)氣(qi)冷(leng)(leng)(leng)卻，而后(hou)兩股(gu)(gu)氣(qi)液混合(he)物聚集，再(zai)整(zheng)體進到三級(ji)氨(an)(an)冷(leng)(leng)(leng)器(qi)冷(leng)(leng)(leng)凝到一(yi) 23 ℃。

       以上氣液混合物運輸到高壓氨分離器以后，液相進到低壓氨分離器，不凝組分被成功分離以后便順利獲得產品液氨；氣相進到并聯換熱器管程用在冷卻局部出塔氣，由并聯換熱器出來，隨后會有較小股氣體被作為合成回路弛放氣。因為弛放氣內的氨經高壓氨分離，其內多數液氨，故而弛放氣無需再經過初有的弛放氣氨冷器與分離器，故而本次技術改造后可以撤離以上這兩種設備^[9]。且建議在并聯換熱器的冷側增設旁路，利用其調控入洗氨塔弛放氣的溫度值。另外，多數氣體會被作為循環氣，返回至壓縮機循環段入口達到循環使用。

4 結語

       合(he)成氨的生產情(qing)況直(zhi)接(jie)影響煤能(neng)源的消耗情(qing)況，故而(er)相關(guan)部(bu)門應(ying)重視合(he)成氨工藝流程分析，結合(he)實際情(qing)況對合(he)成氨工藝進行(xing)技術改造，使我(wo)國可持續(xu)發展戰略(lve)實施及節能(neng)環保目標(biao)達(da)成有更可靠的支撐。

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