聯(lián)堿廠合成氨工藝的發(fā)展趨勢(shì)

楚士和

（實(shí)聯(lián)化工江蘇有限公司，江蘇 淮安 2 2 3 1 1 2）

聯(lián)堿廠合成氨工藝的發(fā)展趨勢(shì)

楚士和

（實(shí)聯(lián)化工江蘇有限公司，江蘇 淮安 2 2 3 1 1 2）

聯(lián)堿生產(chǎn)成本主要影響因素是液氨、二氧化碳的成本即合成氨的成本。分析了我國(guó)聯(lián)堿合成氨裝置現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)大型合成氨廠的發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)；比較了水煤漿制氣的大型合成氨裝置和固定床制氣的小合成氨裝置的優(yōu)勢(shì)。

聯(lián)堿；合成氨；成本；水煤漿氣化；發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)聯(lián)合制堿的產(chǎn)量增加較快，產(chǎn)品質(zhì)量也有了很大提高，但行業(yè)內(nèi)盲目擴(kuò)產(chǎn)，行業(yè)外強(qiáng)勢(shì)介入使聯(lián)堿的產(chǎn)能出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)剩，純堿行業(yè)面臨新一輪洗牌。本文就以水煤漿制氣的大型合成氨裝置和以固定床制氣工藝的小合成氨裝置進(jìn)行全面的比較來(lái)論述聯(lián)堿廠合成氨工藝的發(fā)展趨勢(shì)。

1 聯(lián)堿生產(chǎn)成本分析

純堿生產(chǎn)主要原料有液氨、二氧化碳和氯化鈉，如氯化鈉以市場(chǎng)價(jià)為基準(zhǔn)設(shè)為定值，則純堿主要原料成本為液氨和二氧化碳，主要能源消耗是電和蒸汽，聯(lián)堿產(chǎn)品以重質(zhì)純堿計(jì)雖然各家工藝有所不同，但蒸汽和電耗差別不大，所以影響純堿成本的主要因素是氨和二氧化碳的成本。而二氧化碳是合成氨生產(chǎn)的副產(chǎn)品，不同的凈化工藝其脫碳的成本不一樣，最終影響合成氨的成本，這樣聯(lián)堿廠制造成本競(jìng)爭(zhēng)就是合成氨成本的競(jìng)爭(zhēng)。

2 聯(lián)堿廠合成氨裝置現(xiàn)狀

小聯(lián)堿是伴隨著中國(guó)小合成氨工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展的，以無(wú)煙塊煤為原料固定床制氣的合成氨工藝在中國(guó)化肥發(fā)展史中有著濃重的一筆，為中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出了很大貢獻(xiàn)，直到今天其綜合產(chǎn)能占化肥工業(yè)的6 0%以上，在聯(lián)堿工業(yè)中除大化和天津堿廠外全都是采用固定床制氣的小合成氨工藝。小合成氨工藝是在特定歷史條件下發(fā)展起來(lái)的產(chǎn)物，它符合了2 0世紀(jì)7 0年代中國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，機(jī)械工業(yè)落后，鋼鐵材料質(zhì)量差而農(nóng)業(yè)又急需化學(xué)肥料的基本國(guó)情，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展在工藝技術(shù)上也取得了很大的進(jìn)步，單套裝置的生產(chǎn)能力從5 0 0 0 t／a發(fā)展到現(xiàn)在2 0萬(wàn)t／a以上的規(guī)模，可以說(shuō)現(xiàn)在的合成氨不再是以前的小合成氨了。但由于先天的不足小合成氨原料只能選擇無(wú)煙塊煤，資源少價(jià)格高，固定床工藝碳轉(zhuǎn)化率低，合成氨系統(tǒng)各級(jí)能量分布不合理，低品位熱能過(guò)多，從而導(dǎo)致合成氨綜合能耗居高不下，行業(yè)內(nèi)雖然做了多年的不懈努力但還是不能從本質(zhì)上取得突破，同大型合成氨工藝相比存在較大差距。

表1 小合成氨廠主要原料消耗

3 國(guó)內(nèi)大型合成氨廠的發(fā)展趨勢(shì)及特點(diǎn)

2 0世紀(jì)8 0年代中國(guó)從日本等國(guó)引進(jìn)了十幾套以重油為原料的大型合成氨裝置，使我們第一次接觸了國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)工藝，但隨著國(guó)際能源市場(chǎng)的變化原油價(jià)格從十幾美元1噸漲到一百多美元，引進(jìn)的以油為原料的大型化肥裝置嚴(yán)重虧損紛紛停產(chǎn)。9 0年代末，魯南化肥廠從德國(guó)引進(jìn)了先進(jìn)的水煤漿生產(chǎn)工藝，通過(guò)消化吸收推廣逐步被認(rèn)識(shí)，而成為大化肥行業(yè)使用最多的氣化工藝。近年來(lái)粉煤氣化的工藝發(fā)展較快，引進(jìn)的有S h e l l、G S P等工藝，國(guó)內(nèi)有中國(guó)航天科工集團(tuán)開(kāi)發(fā)的航天爐干粉煤制氣，各廠可根據(jù)不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和原料來(lái)源選擇合適的氣化工藝。本文以水煤漿氣化工藝的大型氮肥裝置為比較主體來(lái)闡述大型氮肥廠的工藝特點(diǎn)及其先進(jìn)性。

圖1 水煤漿氣化工藝的合成氨裝置流程圖

其工藝特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)部分：

3.1 水煤漿氣化

原料：水煤漿氣化用煤為灰熔點(diǎn)較低的成漿性能好的年輕態(tài)的煙煤，其市場(chǎng)價(jià)格比無(wú)煙塊煤低5 0 0元／t左右；

反應(yīng)壓力高、溫度高、碳轉(zhuǎn)化率高：以9 9.6%的氧氣為氣化劑，在1 3 5 0℃度高溫6.5MP a壓力下反應(yīng)生成半水煤氣，碳轉(zhuǎn)化率9 8%以上，而固定床制氣碳轉(zhuǎn)化率只有8 5%左右；

高汽氣比：出碳洗塔的煤氣汽氣比1.4，保證了變換過(guò)程的用汽。

固定床制氣噸氨需外供1.5t蒸汽用于氣化反應(yīng)，大量未反應(yīng)蒸汽通過(guò)廢熱鍋爐回收部分顯熱后用水冷凝，白白浪費(fèi)了大量熱量。進(jìn)變換的煤氣必需補(bǔ)充大量蒸汽才能滿(mǎn)足一氧化碳變換反應(yīng)的需要，一般噸氨需補(bǔ)0.6t左右的蒸汽。

3.2 一氧化碳變換

變換轉(zhuǎn)化率高：由于氣化工段來(lái)的煤氣汽氣比高達(dá)1.4，使一氧化碳轉(zhuǎn)化效率高，一般變換氣中一氧化碳只0.5%；

附產(chǎn)蒸汽多：由于煤氣中含有大量的蒸汽，經(jīng)過(guò)變換部分參加了反應(yīng)，一變爐出口溫度5 0 0℃左右，通過(guò)廢熱鍋爐附產(chǎn)3.8MP a的中壓蒸汽0.5t／t氨；二變爐出口溫度3 5 0℃通過(guò)廢熱鍋爐生產(chǎn)0.6MP a的低壓蒸汽2t／t氨。熱水余熱折0.6 MP a的低壓蒸汽為1t／t氨。

噸氨能附產(chǎn)蒸汽3.5t，而小合成氨變換工段不但不能附產(chǎn)蒸汽，而且需要外供蒸汽一般噸氨需外供0.3～0.6t蒸汽。

3.3 凈化

凈化率高：大氮肥裝置凈化一般都采用低溫甲醇洗和液氮洗。通過(guò)－6 0℃的甲醇來(lái)吸收變換氣中的酸性氣體，再通過(guò)－1 9 0℃的液氮清洗除去一氧化碳、甲烷等雜質(zhì)，通過(guò)低溫甲醇洗和液氮洗以后的凈化氣中C O＋A r＋CH4＜1 0p p m，幾乎是純凈的氫氮?dú)?。小氮肥廠凈化工藝一般采用MD E A或NHD，但凈化氣中C O＋C O2一般在0.5%左右，需進(jìn)一步凈化才能達(dá)到合成原料氣的要求，由于工藝的原因凈化氣中含有2%左右的A r和CH4。

運(yùn)行成本低：甲醇在低溫高壓的工況下吸收二氧化碳的能力是NHD的5～1 0倍，所以其循環(huán)量小，噸氨循環(huán)量6m3，電耗3 5kWh／t氨，蒸汽耗3 0 0 k g／t氨，冷凍量6 8kW／t氨。

3.4 氫氮?dú)鈮嚎s

設(shè)備單純運(yùn)行穩(wěn)定：大氮肥裝置一般采用1臺(tái)蒸汽透平離心壓縮機(jī)，單純穩(wěn)定便于管理；小氮肥廠一般采用多級(jí)壓縮的活塞壓縮機(jī)，由于單機(jī)能力小、臺(tái)數(shù)較多，活塞壓縮機(jī)一般有6級(jí)，由于工藝復(fù)雜運(yùn)行不穩(wěn)，檢修管理工作量大。

動(dòng)力消耗低：4 0萬(wàn)t／a合成氨的蒸汽透平離心壓縮機(jī)（包括合成循環(huán)機(jī)）每小時(shí)需3.8 MP a蒸汽3 0t，噸氨需0.6t蒸汽，如噸蒸汽按2 0 0元計(jì)則需1 2 0元，如果公司低壓蒸汽有出路，汽輪機(jī)采用背壓機(jī)組則運(yùn)行費(fèi)用還要降低一半。小氮肥流程中壓縮機(jī)都是用電拖動(dòng)，噸氨壓縮機(jī)耗電8 0 0kW左右，電價(jià)按0.6元／kWh計(jì)則需4 8 0元，可見(jiàn)大裝置在壓縮功方面有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

3.5 氨合成

技術(shù)先進(jìn)凈氨值高：國(guó)內(nèi)現(xiàn)有大型合成氨裝置都采用引進(jìn)卡薩利或托普索的氨合成技術(shù)，由于原料純度高無(wú)惰性氣體提高了合成效率，氨凈值達(dá)到2 0%，觸媒使用壽命長(zhǎng)一般有1 0～1 5年。

高品位回收熱能：引進(jìn)的氨合成設(shè)計(jì)都采用了高合成塔出口溫度的方法來(lái)生產(chǎn)3.8 MP a的過(guò)熱蒸汽，用于發(fā)電，大幅提高了熱能的利用率。合成塔出口溫度4 2 5℃。而現(xiàn)有小合成氨裝置合成廢鍋只能生產(chǎn)1.6MP a以下的低壓蒸汽。

3.6 氨氣壓縮機(jī)

大氮肥裝置一般采用蒸汽透平離心壓縮機(jī)，噸氨需3.8MP a的蒸汽0.5t，而小型裝置一般都是采用電拖動(dòng)的螺桿壓縮機(jī)，不但運(yùn)行效率差而且運(yùn)行過(guò)程中需噴進(jìn)大量的油進(jìn)行潤(rùn)滑降溫，雖經(jīng)降溫分離氨氣，但部分油氣仍不可避免地隨氨氣冷凝，從而降低了液氨的質(zhì)量。

綜合以上所述大型水煤漿氣化制氣的合成氨裝置的主要消耗如表2。

表2 水煤漿氣化制氣的合成氨裝置主要消耗

4 水煤漿制氣的大型合成氨裝置和固定床制氣的小合成氨裝置的比較

新建一套大型氮肥裝置投資需2 0億元，噸氨財(cái)務(wù)費(fèi)用2 5 0元左右，而現(xiàn)有小聯(lián)堿廠大多是老廠或在原裝置逐步擴(kuò)建而成的，財(cái)務(wù)費(fèi)用一般都很少，新建大型裝置主要原料價(jià)加財(cái)務(wù)費(fèi)用在1 7 0 0元左右，而小廠主要原料加財(cái)務(wù)費(fèi)用則在2 7 0 0元左右，所以新大型合成氨裝置成本和小合成氨裝置相比有絕對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)是純堿生產(chǎn)大國(guó)產(chǎn)量占全球的一半，但我們不是生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)，無(wú)論是產(chǎn)品質(zhì)量還是能源消耗和國(guó)際先進(jìn)水平都存在著很大的差距，要改變現(xiàn)狀我們不但要在純堿生產(chǎn)工藝上下工夫努力提高聯(lián)堿生產(chǎn)的純堿質(zhì)量，更應(yīng)針對(duì)我們的薄弱環(huán)節(jié)合成氨生產(chǎn)的落后工藝下功夫，只有這樣聯(lián)堿生產(chǎn)的綜合消耗（包括氨成本）才能大幅下降，企業(yè)才能有競(jìng)爭(zhēng)力。

T Q 1 1 3.2

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1 0 0 5－8 3 7 0（2 0 1 2）0 5－4 4－0 3

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楚士和（1 9 6 4—），大專(zhuān)學(xué)歷，高級(jí)工程師。1 9 8 7年進(jìn)清江化肥總廠長(zhǎng)期從事合成氨裝置的改擴(kuò)建和生產(chǎn)管理工作，2 0 0 3主導(dǎo)淮安華爾潤(rùn)3 0萬(wàn)t／a聯(lián)堿項(xiàng)目的建設(shè)任項(xiàng)目技術(shù)副總，2 0 0 8年調(diào)江蘇井神鹽業(yè)任6 0萬(wàn)t／a聯(lián)堿項(xiàng)目副總指揮，2 0 1 0年進(jìn)入臺(tái)灣玻璃集團(tuán)在淮安鹽化工園區(qū)投資建設(shè)的1 0 0萬(wàn)t／a純堿項(xiàng)目任技術(shù)經(jīng)理。