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

       建國以后我國化工技術快速發展，其中合成氨工藝在發展中取得的進步是顯而易見的，其在社會 多個行業發展中得到了廣泛應用，為經濟持續發展做出了突出貢獻，故而其需求量也是龐大的。合成氨的工藝在持續改進中占據著主導地位，但主要的合成技術依然是用煤氣直接合成氨。這種工藝自身存在著生產效率偏低、能源消耗量較高等不足，故而應結合 實際情況有針對性地改進設備裝置與技術應用，持續完善催化劑，力爭將能耗量降到最低，確保煤化工經濟穩步提升。

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

       這是煤化工合成氨工藝執行的首個環節，即制取合成氨工藝執行過程中所需的原材料。當前，多采用煤化氣法制備煤化工藝的合成氨原材料，其通過促進蒸汽、氧氣和其他催化劑反應實現對煤的高溫加熱，借此方式使煤炭分解成氫氣與一氧化碳等可燃性氣體。隨后應用二段蒸汽的工法完成轉化，進而實現合成氣體的目的。

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

       合成氨原料經一氧化碳轉換與二氧化碳脫除工藝以后，其內依然殘留著少量的一氧化碳、二氧化碳、氧與水等雜質。為了將以上物質對合成氨催化劑產生的毒害作用降到最低，在把原料氣送到合成工序之前，工作人員一定要對其進行精煉處理。當下，精煉原料氣普遍采用的方法有如下三種：一是銅氨液吸收法；二是甲烷化法；三是深冷液氮洗滌法。

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

       合成塔內合成氨工藝的執行情況受反應平衡條件的制約，事實上只有部分氫氣、氮氣會成功合成為氨，未參與反應的氫氣和氮氣占比較高。為提升合成塔出口混合氣內未反應的氫氣與氮氣資源的利用效率，且獲得純度更高的氨產品，將氨由混合氣內分離出是一項十分關鍵的工序。當前分離氨多采用如下兩種方法，其一是水吸收法，其二則是冷凝分離法，當下國內很多大型氨廠優先采用第二種方法分離氨，其原理主要是利用氨冷卻的方法促使混合氣內氣態氨在較短時間內冷凝成為液態氨，而后利用分離器促進氣、液的有效分離。

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

       即對換熱器設備進行升級改造，配置應用高效型換熱器完成設備與管線的傳熱過程，比如波紋管、異型管及板式換熱器等。現行生產中，企業大多選擇蒸發式冷凝器，采用優化整改這種內部換熱元件的辦法，能夠顯著提升其換熱成效與冷卻能力，進而確保換熱效率處于較高水平，減少能源消耗量。

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

       伴隨出塔氣源源不斷地進到水冷器，冷卻到一定溫度以后，氣體就被分成兩股，一股依次被一級、二級氨冷器冷卻處理，另一股于并聯換熱器被一 23 ℃的 循環氣冷卻，而后兩股氣液混合物聚集，再整體進到三級氨冷器冷凝到一 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

       合成氨的生產情況直接影響煤能源的消耗情況，故而相關部門應重視合成氨工藝流程分析，結合實際情況對合成氨工藝進行技術改造，使我國可持續發展戰略實施及節能環保目標達成有更可靠的支撐。

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