天然气制合成氨环保性能解析

天然气制合成氨环保性能解析

章锐

泸天化股份有限公司  646300

【摘要】目前我国经济的不断发展，广发民众的环保意识也日益增强，一系列环保的化工产品应运而生，天然气制合成氨就是其中之一。天然气制合成氨工艺能够实现低耗能、排放污染物少、节省投资的环保目标。因此，为了探索天然气制合成氨的环保性能，深入了解天然气制合成氨的各个环节，笔者通过查询文献资料、百度相关资料等方法，首先介绍了天然气制合成氨的工艺流程，然后再介绍.天然气制合成氨排放源，旨在为相关人员提供参考。

【关键词】天然气；合成氨；环保

前言

目前，合成氨是化学工业的一个不可或缺的组成部分。其中最重要的一个产品就是基础的化工产品氨，氨的产量排在各种化工产品的最前面，全球的大约百分之十的能源都用于制合成氨，其能源消耗大户的名称也因此而得。合成氨的产量由百分之七十的“化肥氨”和百分之三十的“工业氨”组成，其中农业用到最多的是“化肥氨”，作为氮肥直接使用是合成氨常见的形式，合成氨还可以被加工成尿素或者其他的铵盐肥料来运用到农业上。用于生产铵、胺、炸药等合成纤维和合成树脂以及其他产品的主要运用的是“工业氨”。合成氨工业作为能耗大户，其节能减排效益应引起人们的高度重视。

1. 天然气制合成氨的工艺流程

根据近几年的数据表明，合成氨不仅仅在我国的产量高，在全球也达到了前所未有的产量。迄今为止，天然气、煤及石油三大能源是制合成氨的主要原料。基于生产力水平的发展和技术原因，制合成氨用得最多的原料是天然气，因此该原料的装置运行相对稳定能耗物耗也比较低，加之对其操作经验也比其他原料丰富，所以，天然气成为了制合成氨使用最多的原料[1]。

目前，由于经验和技术不够成熟，制合成氨主要以传统的两段天然气蒸汽转化的形式为基础，其流程繁琐且复杂，主要流程是;制备合成气——净化合成气——合成气精制——合成氨（见图1）

图1 天然气制合成氨的基本流程

如图1的天然气制合成氨流程所示及以往传统型的两段天然气蒸汽转化经验可以发现该工艺实现了节能减排的目的，这与它的工艺特点有密切的关系。首先，该工艺采用的是离心式的压缩机去运作，运用蒸汽轮机作为驱动动力，有效的促进了动力系统和工艺过程之间的相互作用，第一次实现了两者的有机结合；其次，副产高压蒸汽，回收氨合成反应热预热锅炉给水；再次，一段转化产生的炉烟道气用来预热二段转化所需的工艺空气，大大提高了一段炉的效率；最后，把一部分一段转化的负荷转移到二段去转化，进而去提高一段的转化压力。ＴＯＰＳＥ（图2）、ＫＢＲ（图3）、ＣＡＳＡＬＥ（图4）是我国目前大型合成氨项目的三大氨合成技术，图中展示了它们各自的特点与优势。

图2 TOPSØE 工艺方块流程

图3 KBR 工艺方块流程

图4  CASALE 工艺方块流程

2. 天然气制合成氨主要排放源

据实验研究发现，天然气是气、煤、油三种原料中含氢最高的原料，而H/C的含碳资源利用原则也相近，因此，与天然气用作民用或天然气发电相比，用于制合成氨能体现出资源合理利用原则。与此同时，用天然气制合成氨还有废气、废固、废水排放少及处理简单等独特的优势。综上，将结合以下几个不同的项目对天然气制合成氨工艺的主要排放源进行对比与分析，主要对其环保的性能一探究竟。

2.1废气排放

废气排放可以分为连续排放和间断排放两种排放方式，虽然排放方式不同，但两者排放方式排放出来的成分都对环境无影响。（1）连续排放。一般情况下，合成净化部分的二氧化碳回收废气、制备部分产生的炉烟气、合成圈的氢气回收和氨的尾气回收这四种气体是天然气制合成氨工艺中连续排放主要包括的废气。但一般情况下，这些气体会被再次利用，如在一段炉运作时可以使用净化部分的二氧化碳回收废气、合成圈的氢气回收及氨气的尾气回收三种排除的其他作为燃料，只有这些气体作为一段炉的燃料不足时，才会用天然气来作为补充燃料。 二段炉的夹套和除氧器所排出的尾气主要成分是水气，对环境友好，没有污染[2]。

表1 不同工艺一段炉烟气排放对比

注：以上统计基于详细设计数据，根据不同的规模折算所得

如表1所示，三个项目一段炉污染物排放量的统计，各个项目的规模大小不同，原料天然气中的SO2和NOｘ及颗粒物含量也不同，但由表可知，气排放的污染物总量也是相对较少的。（2）间断排放。间断性排放是由安全阀排放和设备间断运行的尾气排放造成的。安全阀由各个设备和管线设置最初，安全阀得排放也是因为各个设备和管线运作，所以发生排放， 合成氨工厂的安全阀排放气体都会有专门得手法去处理，一般是接到合成氨工厂专门设置的冷和热两个火炬，两个火炬各司其职，冷火炬负责处理含氨介质，而热火炬则负责处理其他介质。合成圈及开工加热炉的设备间断运行会产生废气。开车阶段氨合成塔的催化剂还原是由开工加热炉完成的，用天然气作为燃料，它产生的尾气和一段炉排放的烟气相似。含有氨的废水汽提塔进行间断操作，其尾气的主要成分是水气，含有微量的ＮＨ３，对环境影响小

[3]。

2.2废水排放

由于天气制合成氨工艺的特性决定了其废水排放也有连续排放及间断排放两种形式。首先，连续排放。工艺冷凝液和二段炉夹套排污及汽包排污三类废水排放是天然气制合成氨流程中主要的废水排放。 通常情况下，这三部分的废水都不对外排放，而是回收利用，所以不会造成污染。工艺的冷凝液由两部分组成，一方面来源于脱碳的工序，另一方面来源甲烷化的工序。在天然气转化的时候会加入大量的水蒸气，该部分的水会被带到下游的变化工序、二氧化碳脱出等工序前，等到工艺气冷却时，水就会冷凝下来。甲烷化能生产少量的水，进入合成气压缩机前会被冷凝下来。这两种不同的冷凝液被送到专门的地方加工处理后回用。 二段炉夹套排污产生于二段转化的工序中[4],，通常二段炉反应温度都比较高，热量散失又快，且易损坏设备，因此，在二段炉的外部会设置夹套，该操作会产生少了的含微量铁离子的废水，但该水通过收集精制后能回用。其次，间断排放。开车阶段的工艺冷凝液和各装置火炬分液罐分离液以及地面冲洗水等产生的废水是间断排放废液的主要组成部分。这些排废液经过一系列的加工处理，去除其有害环境的物质后排放，对环境污染极小。

2.3废固体排放

废催化剂、瓷球、废弃的分子筛以及活性炭等吸附剂是天然气制合成氨工艺产生主要废气固体，以上废气固体物都由专业厂家回收利用，不会对环境造成污染。

3. 结语

虽然，制合成氨的原料有很多种，但其中以天然气做原料为最佳的选择，在天然气制合成氨工艺过程中无论是液体和气体的排放，还是固体物质的排放，与其他原料相比，都是对环境影响最小的。不仅如此，天然气制合成氨工艺还做到了节省投资和降低能耗。我国是农业大国，历来以农耕文明闻名，汽油和天然气一直是我国的稀缺能源，但在这经济和资源的共享化的时代发展潮流下，天然气还是我国制取合成氨的第一选择原料。本文主要阐述了传统天然气制合成氨两段化工艺流程及其主要排放源，随着生产力和社会的不断发展，科技日益进步，我国将与邻国加强合作与交流，进一步完善天然气制合成氨的装置设备，充分展现体环保性能，为合成氨的进一步发展做出努力。

【参考文献】

[1]李丹. 气态烃类自热重整转化制合成氨工艺[J]. 氮肥与合成气,2020,48(07):12-14.

[2]何发明,曾庆,吴剑,胡强. 天然气裂解制氢与水电解制氢合成氨工艺特性比较[J]. 化肥设计,2020,58(02):5-9.

[3]张科,徐建民,张占一. 天然气制合成氨环保性能分析[J]. 化肥设计,2018,56(06):28-31.

[4]徐俊辉,赵涛,李要合. 天然气制合成氨工厂中燃气透平与蒸汽透平的比选[J]. 化肥设计,2015,53(05):20-23.