煤化工合成氨工艺分析及节能优化措施研究

时间：2024-04-25

徐菁澹

阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司临猗分公司山西运城 044100

1 合成氨的生产工艺流程

1.1 气体压缩与除油

气体压缩是指在合成氨过程中，通过压缩机将经过净化的精制气或氢氮混合气压缩到氨合成所需要的操作压力。在此过程中假如所用的压缩机是使用润滑油润滑的，润滑油在气缸内的高温条件下会部分气化并被气体带出。这部分油气必须清除干净，以防止它们使氨合成催化剂中毒以及黏附在热交换器上降低传热效率。一般通过设置油分离器或滤油器的方式进行除油，假如采用离心压缩机或者无润滑油往复式压缩机，就不存在气体带油的问题了，从而也可以省去除油的工序。

1.2 气体预热与合成

由于合成氨的催化剂具有一定的活性温度，所以氢氮混合气体压缩后需要预热到催化剂的活性温度，然后再送到催化剂层进行合成氨的反应。对氢氮混合气体进行预热的热源主要来自氨合成的反应热，即换热器中反应后的高温气体的热量；当反应热不足以维持合成塔自热平衡时，还可以利用电加热器、加热炉提供热量[1]。

1.3 氨的分离

混合气体从合成塔出来后其含氨量很低，通常只有10%-20%，需要经过分离后才能获得液氨。目前工业上主要采用冷凝法从混合气体中分离出氨，采用水和液氨作冷却剂，然后利用水冷器和氨冷器把液氨分离出来，减压后输送到液氨贮槽。

1.4 未反应氢氮气的循环

混合气体从合成塔出来后经过氨的分离步骤，剩余的气体中还含有大量没有发生反应的氢气和氨气，工业上通常采用循环法合成氨来回收这些气体，即还没反应的氢氮混合气在分离氨后重新与原料气一起，利用循环压缩机将其输送到氨合成塔中进行反应。

1.5 惰性气体的排放

合成氨原料气由于采用的原料和净化方法不同，一般会含有部分甲烷和氩等惰性气体。在循环法合成氨过程中，随着氢氮气不断地合成氨，少量惰性气体会溶于液氨中被带出，但大多数还留存在循环气体中，对氨的合成造成不利影响。为了降低生产过程中惰性气体含量，通常会将循环气中惰性气体含量较高的部分进行间歇放空或连续放空。在工艺流程中放空位置的选择一般是在氨分离器之后及滤油器之前，这样可以减少氢氮气的损失。然后对放空气体中的氢气和氨等进行回收利用[2]。

1.6 反应热的回收

合成氨的过程反应热比较大，必须进行回收利用。目前通过以下几种方法回收反应热：

①用反应后的高温气体预热反应前的氢氮混合气，使混合气达到催化剂的活性温度。

②加热进入铜液再生塔的热水使铜液再生使用，或者加热进入饱和塔的热水可以提供变换使用。

③预热锅炉给水，为汽轮机提供高压蒸汽。

④副产蒸汽。目前，大型氨厂的回收热能主要采用加热锅炉给水；中型氨厂主要用于副产蒸汽；小型氨厂主要用于加热热水和副产蒸汽。而它们都会使用反应热预热反应前的氢氮混合气。

2 合成氨生产节能途径分析

值得注意的是合成氨生产是一个生产整体，甚至于是氨加工以及动力相结合的一个整体，并且在各个单元过程之间存在着互相作用以及互相依靠生存的特点，那么这也就说明了在诸多的单元过程中，任何一个单元过程发生变化都会个其他单元过程带来一定的影响。所以在探索合成氨生产节能途径的过程中必须要进行综合考虑，只是针对局部进行节能优化并不能够实现整体的节能优化，需要建立在整体节能优化的视角上看待局部节能优化，因此，在针对合成氨生产节能进行研究的过程中，首先应注重各个环节中华可选择性的节能措施，然后在进行节能流程的详细探讨。具体的节能途径如下：

（1）进行新型合成塔的研制。在合成氨生产过程中，合成工段的化学反应、整体流动以及传热都非常高，而进行新型合成塔的研制能够有效促使压力降实现降低，运用冷管型能够实现反应在最合适的温度下进行操作，进而取得更高的氨净值。

（2）在氨合成生产过程中通常情况下都会运用机械压缩制冷，为了能够实现节能目标，应运用吸氨制冷将机械压缩制冷替换，虽然机械压缩制冷的有效能效率要高过于吸氨制冷，但是吸氨制冷是运用物理吸收的方式实现脱氧，低变气的余热可以运用，相对于机械压缩制冷的总体能量合理性来说，要更高一些。

（3）在运用新鲜气展开合成氨生产之前，应该运用二氧化碳或者是分子筛脱水分，促使新鲜气能够直接地进入到合成塔之内，以此能够促使氨的分离率有效提高，进而使得冷冻量有效减少，使得合成的氨浓度有效降低，具有更加显著的节能效果[3]。

（4）运用节能型球形触媒，其具有阻力小以及抗毒性能良好、低温活性能高的特点，在一定程度上能够实现节能。

（5）在合成系统的过程中减少跑出气体的现象、运用活性高以及低温度的催化剂、增添塔前的预热器，促使进塔的速度提高，与此同时还能有效减少出塔的温度，在此过程中还应增添塔后加热器，这种情况下就能够使得循环的热水成为铜洗再生热源，进而使得铜洗用气能够得到节约。

（6）稳定碳化工艺，使其在碳化过程中氨的消耗能够有效减少、平衡用水，能够实现在水洗的过程中避免氨气跑出，进而达到减少氨的消耗、合理控制进行碳化时的温度，能够促使氨的消耗减少、要充分的利用回收的氨水，这样能够有效促使脱硫氨降低。