煤化工合成氨工艺分析及节能优化措施研究

煤化工合成氨工艺分析及节能优化措施研究

陈旭强

安阳中盈化肥有限公司  河南安阳  456400

摘要:利用煤化工方式进行氨的合成具有成本优势，且最终氨的纯度和浓度均处于较高的水平。但因煤炭是一种不可再生能源，因此要求煤化工合成氨需要确保更好的转化效率，以降低对煤炭的消耗。另外，节能降耗是化工企业永恒的课题。

关键词:煤化工；合成氨；节能

引言

近年来，我国的化工行业发展速度较快，其中合成氨工艺技术较为迅速。由于氨相关产品在化工行业中应用较多，合成氨工艺不断进行优化和改进升级，目前煤化工方式合成氨还是最为重要的来源。利用煤化工方式进行氨的合成具有成本优势，且最终氨的纯度和浓度均处于较高的水平。但因煤炭是一种不可再生能源，因此要求煤化工合成氨需要确保更好的转化效率，以降低对煤炭的消耗。另外，节能降耗是化工企业永恒的课题。本文主要对煤化工合成氨的制备方式进行分析介绍，并对工艺中的相关节能优化的措施进行分析。

一、煤气化工作原理

煤化工领域推进工业活动过程中，可以在高温高压情况下保证煤炭可以充分燃烧，和氧气、水蒸气会出现化学反应，使得固体煤炭材料能够顺利转化为具有可燃性的气体，气化处理的煤气可以被称之为合成气，参与此次气化反应的设备即是汽化炉。从宏观角度分析，煤炭进行气化处理的过程中，主要可以划分为干燥阶段、燃烧阶段、热解阶段、气化阶段，在对煤炭进行干燥处理的过程中是物理制备阶段，其余环节基本都属于化学反应范畴。气化炉内部的煤炭材料在高温影响下会出现热解反应，能够释放出很多挥发性比较强的物质，这些物质经过升温加热能够与添加剂出现化学反应，产生CO、CO2、H2S、H2O2等物质，这些物质再次接受加热处理、冷却处理以后，可以成功制备出合成氨。

二、煤化工合成氨工艺的流程分析

煤化工合成氨工艺主要可以分为五个环节，分别是原料气的制备、原料气净化处理、原料气的精炼、合成氨反应、氨的分离净化。

（一）原料气的制备

煤化工合成氨的原料气制备过程是在高温蒸汽、氧气和其他气化剂的作用下对煤进行处理，最终生成氢气和一氧化碳。气态烃类物质，多选用二段蒸汽转化法制备合成气。氧气多来源于空分装置。空分即空气分离，通过将空气进行降温使其液化，再利用氮气和氧气的沸点不同，将其进行分离。氮气是合成氨的原料，氧气作为氧化气体用于合成水煤气。

（二）原料气的净化工序

无论何种方式得到合成氨所用原料气，粗原料气内除含有氢气和氮气外，还存在大量的杂质气体，主要是一氧化碳、二氧化碳、有机硫和无机硫等气体成分。由于合成氨工艺只需要氢气和氮气，因此需要对杂质气体进行去除，实现原料气的净化。例如：一氧化碳的变换反应，一般情况下，粗原料气中含有的CO气体的占比约为10%左右，通常利用变换反应使得一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，二氧化碳可以更加容易去除，而氢气可以作为合成氨的原料气。变换反应不仅可以实现一氧化碳的脱除，也可以实现原料气的再生产。此过程在实际进行时，需要消耗大量的蒸汽，是合成氨工艺中的主要耗能之一，因此可以作为节能降耗的关注点。还有脱硫脱碳反应，粗合成气在完成变换反应后，内部杂质气体的主要成分是硫杂质气体、二氧化碳，二氧化碳是合成尿素、碳酸氢铵的主要原料，二氧化碳的脱除后可以进行再利用。工业脱硫的方式一般采取化学和物理吸收法，如低温甲醇洗、聚乙二醇二甲醚法。

（三）原料气的精制

原料气进行净化工序后，杂质气体大部分被消除，但还存在少量的一氧化碳、二氧化碳及部分硫杂质气体，为防止杂质气体对合成氨催化剂造成影响，需要对微量的杂质气体进行再次脱除，即原料气的精制过程。此阶段采取的脱除方式主要有铜氨溶液吸收法、甲烷化法及深冷液氮洗涤法。

（四）氨的合成工序

氨的合成工序是整个工艺中的关键，也是氨的主要产生工序。在高温、高压和催化剂存在条件下，由精制工序得到的纯净原料气进行反应，最终生成液氨产品。一般情况下，该反应的转化率较低，仅10%–20%，因此为了提升反应的收率，在合成塔的出口位置设置分离系统，将反应得到的液氨产品与未反应的氮气、氢气进行分离，未反应的合成气进一步进入反应器内进行反应。氨合成工段是真整个合成氨工艺的核心，其效率和生产情况直接关系着整个工艺的经济性。

（五）氨的分离

合成氨工序也提到，由于受到热力学平衡的影响，合成氨一次转化率不高，为了提升整体反应的收率情况，需要对液氨进行分离提纯，将未反应的原料气进行再次反应。此时，需要利用氨的分离系统，工业常用的分离方法是水吸收法、冷凝分离法。目前，常用冷凝分离法，即将合成氨工序产物进行冷凝降温处理，氨液化得到液氨，通过分离器进行分离提纯。

三、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：

（一）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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

（五）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。

结语：

综上所述，我国现阶段的煤化工合成氨工艺主要包括了对于原料气的提取以及净化原料气的操作，其中对于原料气的精炼提纯是氨合成以及分离环节的重要基础。因此，技术人员要加强对于氨合成塔以及废水循环利用技术的改造优化，从而促进煤化工合成氨工艺的节能改造发展，进一步降低对于煤炭能源的消耗，真正落实节能减排的目的。

参考文献：

[1]王亚军，刘韶东，何勇.合成氨工艺分析及节能改造研究[J].化工管理，2020(30):171-172.

[2]相世财.合成氨工艺分析及节能改造措施[J].化工设计通讯,2019(07):8-9.

[3]赵桂芳.合成氨尿素装置减排CO2节能创新工艺发展前景探索[J].化工管理，2019（23）.