节能型合成氨工艺与节能技术探讨

节能型合成氨工艺与节能技术探讨

肖瑞祥

阳煤平原化工有限公司山东德州253100

摘要：在基础化学工业中合成氨工业占据着重要位置，其对我国国民经济发展有着较大的影响力。在化学工业中，氨这一原料非常重要，用途之广泛超过了绝大多数的化工原料。近几年我国在合成氨技术的节能降耗和工业技术等方面都取得了不小的进步，但是由于合成氨在我国各行各业中都有着非常广泛的应用，有着较大的需求量，其在生产过程中造成的能源损耗和原材料浪费情况依然非常严重。

关键词：节能型；合成氨工艺；节能技术

节能减排工作在我国近几年大力开展，在未来我国大型企业改造合成氨的工艺，发展节能型合成氨工艺将会为必然趋势。在新的环境和政策作用下，将会有越来越多的企业对合成氨的工艺流程全面改造，将工业生产成本降低、能源节约的同时，还能够大力保护环境。企业在改进节能型合成氨工艺与技术时，首先需要对工艺流程严格控制，然后改进氨分离技术、废水循环使用技术以及造气工段技术等，只有如此才能实现节能改造的目的。

1合成氨工艺流程及存在的问题

1.1合成氨工艺流程分析

在500℃，200MPa以及催化剂的作用下，氢气和氮气经过化学反应生成氨气，然后压缩冷凝反应生成的氨气之后，向反应器中送回余料继续进行反应，这就是合成氨的整个过程。在催化剂、高温高压的作用下氢和氮直接合成的氨就是合成氨，世界上的氨大部分都是合成的，只有很少一部分属于回收副产品。目前化工原料、冷冻剂和化肥等产品的生产都需要使用合成氨，而焦炭、煤、重质油、石脑油、天然气等则属于合成氨的主要生产原料。在利用天然气合成氨的时候，经过脱硫、二次转化，天然气还需要经过脱除二氧化碳、一氧化碳变换等工序，氮氢混合气就由此产生，利用甲烷化作用将其中仅存的二氧化碳和一氧化碳去除，在合成氨的时候利用压缩机压缩。目前世界上在制取氨的时候使用的原料大多数都是天然气，煤作为原料的合成过程已经非常少。

1.2合成氨工艺技术中存在的问题

在生产合成氨的过程中还有以下几点问题存在：第一，能源供给的充足在合成氨生产工艺技术中无法得到保障；第二，合成氨的管理合成生产制度目前还不完善；第三，会有大量的能源在生产合成氨的过程中被浪费掉；第四，现代化化工生产需求不是现阶段的合成氨工艺技术所能够满足的，其生产效率的提升非常困难，落后、传统的合成氨工艺与技术直接影响了合成氨的生产效率。

2节能型合成氨工艺

2.1余热利用工艺

在合成氨的工艺中，将合成设备中的二段转化炉设计成绝热式，使二段炉产生的热转化气通过一段炉的换热式，使热转化气的热量全部用于一段转化炉所需的热量，从而避免合成氨过程中余热的损失和浪费，以达到节能的目的。以天然气为原料的合成氨工艺中，采用三塔三废热锅炉回路工艺流程来利用余热产生高压蒸汽，实现能耗的降低。此外，可以将合成氨的余热通过换热器来加热进入反应器中的空气或锅炉的软水，以实现节能的目的。

2.2减少天然气用量

在以天然气为原料的合成氨工艺中，可以通过减少一段转化炉的天然气用量，同时加大二段转化炉中天然气的用量，并在二段转化炉加入过量的空气来与天然气反应，利用反应产生的大量反应热来实现减少能耗的目的。

2.3节能型催化剂及净化工艺

在合成氨的工艺中，催化剂是合成氨的关键一环，采用低温低压下高活性的氨合成Fe系催化剂（如Fe-Co催化剂）或辽系催化剂，并利用深冷净化脱除工艺，从而达到了节能的目的。

3合成氨的节能技术探讨

3.1转化工序的节能技术

在以天然气味原料的合成氨工艺中，通过减少一段转化炉的天然气用量来达到炉温的降低，并采用热管式或蓄热式的换热器来加热助燃的空气，降低水碳比（H2O/C的摩尔比），并且提高转化压力等技术的实施，可以实现能耗的降低，进而达到节能的目的。

3.2压缩工序的节能技术

首先，将压缩机与循环机分开，以避免因气体泄漏而造成的动力损失；其次，采用分子筛干燥进入反应塔的原料气来节约压缩机的能耗；最后，在合成氨的工艺过程中维持蒸汽各参数的最佳化，采用燃气透平驱动的压缩机来达到节能的目的。

3.3变换工序

（1）采用低温高活性、适应低汽气比反应的新型催化剂替代传统催化剂，变换炉温降低，从而降低蒸汽用量。

（2）采用水冷列管式变换炉，并通过饱和热水器回收变换反应热。

（3）中小型合成氨厂，可采用饱和热水塔流程回收部分水蒸汽。

3.4脱碳工序

（1）采用先进的物理吸收法，如我国开发的NHD法（类似于Allied公司的聚乙二醇二甲醚法），脱碳能耗降低。

（2）采用改良的化学吸收法，如低能耗本-菲尔法，再生能耗可降低60%。

（3）采用活化MDEA法，能耗比低能耗本-菲尔法还低，仅为（3.2-4.25）×104kJ/kmolCO2。

3.5精炼工序

（1）采用深冷分离法，在低于-100℃条件下除去惰气并调整氢氮比，使合成回路不需放空。此法与前述二段转化炉加入过量空气的节能措施相配套，亦可脱除过量的氮。

（2）采用分子筛变压吸附代替甲烷化，脱除微量CO、CO2、CH4、Ar，简化了净化流程。甲烷排放气可用作一段转化炉燃料，提高热利用率。

3.6合成工序的节能技术

首先，采用低温低压下高活性的Fe-Co催化剂可以减少压缩机的能耗；其次，选用新型的节能合成塔，可以充分利用热能，同时所需的合成压力小，来使得合成过程中的能耗降低；最后，利用以天然气为原料合成氨的反应热来产生高压的蒸汽，从而实现蒸汽转化，进而达到节能的目的。

3.7联合节能技术

联合节能技术是指在合成氨的同时可以合成其他物质如尿素、甲醇等有用的化学物质。例如，由于氨是合成尿素的原料，可以将合成氨的装置与合成尿素的装置进行联合，从而实现能量的高效率利用。此外，用天然气可以制备甲醇，可以将制备甲醇过程中产生的氢用于氨的合成，同时合成氨产生的CO2可以对制备甲醇的体系进行组分的调节，从而实现原料和能量的有效利用，进而达到节能的目的。

4我国合成氨工业展望

跨入21世纪，我国合成氨年产量已超过3000万t，从生产能力到总产量都位居世界第一。其中，以天然气为原料的30多家大型合成氨装置，因其产量高、能耗低成为我国合成氨生产的主力军。通过对引进技术的消化吸收和知识创新，我国已掌握了具有世界先进水平的合成氨工艺与技术，同时也促进了中小型合成氨厂的技术进步。

根据我国国情，目前还不能用大型厂取代所有的小型厂，在相当一段时期，仍然是大、中、小厂并存的状况。所以，对中、小型厂还需很好地加以利用和进行技术改造，尤其对以煤为原料的中、小型厂，节煤节电是节能关键。在过去的近10年间，已有400多家中、小型厂采用蒸汽自给节能技术，吨氨能耗有降至44.25GJ的，平均下降了约12%，节能效果显著。

近年来，合成氨净化双甲工艺升级为醇烃化新工艺，已在国内近30家化肥企业推广应用。将双甲工艺中的甲烷化部分革新为烃化反应，即为醇烃化工艺，除联产甲醇外，还生产车用燃油。该新工艺可减少原料气中24%的H2耗量及80%的放空气量，还可省去甲醇化后的净醇工艺，为合成氨工业开创了节能降耗的新途径。

展望21世纪，合成氨节能技术将会得到更广泛、科学地开发和应用，我国合成氨工业将可持续、更快速地向前发展。

结论

合成氨工艺与技术在适应社会“环保、节能”的发展理念下，其节能工艺和技术的开发与探究将是合成氨工业可持续发展的重中之重。节能型合成氨的工艺与技术将会受到越来越多人的关注与研究，其具有非常大的应用前景和潜力。

参考文献：

[1]王瑾.节能型合成氨工艺与技术[J].贵州化工，2008，33（1）：5-7.

[2]董国亮.合成氨工艺与技术节能探讨[J].中国化工贸易，2017，9（17）.