煤化工合成氨工藝與節(jié)能優(yōu)化措施分析

朱月

（湖北宜化集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000）

1 煤化工合成氨工藝原理

某化工集團(tuán)公司于2018 年成立氨醇生產(chǎn)部門，年產(chǎn)30 萬t 合成氨、50 萬t 尿素裝置正式投入運(yùn)行。煤化工合成氨工藝步驟為：第一步，煤破碎處理后進(jìn)入棒磨機(jī)，向棒磨機(jī)內(nèi)加入適量水和添加劑，混合均勻后磨出料漿，從而得到原料氣；第二步，煤漿和高壓氧進(jìn)入氣化爐，在一定壓力、溫度下發(fā)生氣化反應(yīng)，生成CO、CO2、H2O、H2，以及少量的CH4、H2S；第三步，熱氣體和熔渣在激冷室內(nèi)水浴降溫，溫度降低后出氣化爐，進(jìn)一步除塵冷卻后進(jìn)入變換工段；第四步，原料氣中含有一些雜質(zhì)和毒害成分，要想得到純度較高的氣體，就要進(jìn)行凈化處理，最大程度上清除雜質(zhì)和毒害成分；第五步，凈化后，進(jìn)行脫碳、脫硫，得到高純度的H2、CH4O；第六步，經(jīng)合成裝置得到合成氨。煤化工合成氨過程中，主要化學(xué)反應(yīng)如下：

2 煤化工合成氨生產(chǎn)項(xiàng)目現(xiàn)狀

該企業(yè)煤化工合成氨的工藝流程是：原料氣制備→原料氣凈化→原料氣精煉→氨合成→氨分離，具體流程如圖1 所示。

2.1 原料氣制備

在合成氨生產(chǎn)中，制備原料氣是第一步。使用的原料是煤炭，在高溫條件下反應(yīng)，最終生成CO 和H2。

2.2 原料氣凈化

制備的原料氣中含有硫化物、CO、CO2、O2等成分，為提高原料氣的純度，就要進(jìn)行凈化處理，保留H2、N2，其他雜質(zhì)全部去除。另外，通過脫硫、脫碳等技術(shù)，可進(jìn)一步提高原料氣的純度。

（1）除碳。CO 的去除難度較大，實(shí)際處理時先將CO 轉(zhuǎn)化為CO2和H2，不僅能提高雜質(zhì)去除率，還能得到更多的H2原料，為合成氨提供充足準(zhǔn)備。CO 變換會產(chǎn)生大量熱，分段處理有助于回收反應(yīng)熱、精確控制出口殘余的CO 含量。一般情況下，第一步是高溫變換，將大多數(shù)CO 轉(zhuǎn)化為CO2和H2；第二步是低溫變換，將CO 含量降低至0.3%以下?？梢姡コ鼵O既是凈化過程，也是制備原料氣的延續(xù)，為后續(xù)除碳工藝創(chuàng)造條件。

（2）脫硫。脫硫工藝方法較多，常見有噴霧干燥法、低溫甲醇洗法。其中，噴霧干燥法以石灰作為脫硫吸收劑，石灰經(jīng)消化、加水制成消石灰乳，在吸收塔內(nèi)霧化成細(xì)小液滴，與煙氣中的SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaSO3，煙氣中的SO2被脫除。該方法技術(shù)成熟、工藝簡單，脫硫率達(dá)到85% 以上[1]。低溫甲醇洗法使用的溶劑是甲醇，在低溫條件下，甲醇可以溶解大量的酸性氣體，從而達(dá)到脫硫效果。該方法溶劑價廉易得，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，得到的凈化氣質(zhì)量好。

2.3 原料氣精煉

原料氣凈化處理后，內(nèi)部存在微量的雜質(zhì)如CO、CO2、O2、H2O，對原料氣進(jìn)行精煉，使CO 和CO2的總含量≤10 cm3/m3，才能將氨合成催化劑的毒害作用降至最低[2]。常用的精煉方法有深冷液氮洗法、甲烷化法。其中，深冷液氮洗法是在-100℃以下，用液氮吸收分離CO，同時脫除CH4；甲烷化法主要使用甲烷化催化劑，該催化劑和H2反應(yīng)后，能生成水蒸氣、CH4，進(jìn)一步冷卻處理，蒸氣發(fā)生冷凝分離，即可得到合格的H2。實(shí)際運(yùn)用中，甲烷化處理時的體積縮小，是一個強(qiáng)放熱過程，具有較高的處理效率，其化學(xué)反應(yīng)過程如下：

2.4 氨合成

氨的合成是整個生產(chǎn)工藝的核心，是將純凈的N、H 混合后壓縮至高壓，加入催化劑合成氨，由于反應(yīng)后氣體中氨的含量不高，只有10%～20%，故采用氫氣、氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)配置合成氨，以提高氨的合成速度和效率。氨合成反應(yīng)式如下：

2.5 氨分離

在合成塔內(nèi)合成氨會受到平衡反應(yīng)條件的制約，導(dǎo)致僅有一部分H2、N2能合成氨氣。為了利用好這部分H2和N2，避免造成浪費(fèi)，要在合成塔的出口處將混合氣體分離開，同時提高氨氣的純度。就目前來看，氨分離常用方法是水吸收法和冷凝分離法，其中后者的優(yōu)勢明顯：（1）氨分離效率更高，因?yàn)榘痹谒魵庵械娜芙舛刃?，利用冷卻劑能迅速降低氨的溫度，使氨從水蒸氣中析出；（2）需要的設(shè)備、材料成本低，工藝操作簡單，且整個過程容易控制；（3）氨在水中的溶解度高，吸收過程會產(chǎn)生大量熱和氨氣，具有一定的中毒、爆炸風(fēng)險，冷凝分離法因操作溫度低，能提高安全性[3]。

3 煤化工合成氨工藝的節(jié)能優(yōu)化措施

隨著 “雙碳” 目標(biāo)提出，國家對高能耗、高污染企業(yè)提出更高要求。該企業(yè)在煤化工合成氨生產(chǎn)中，采用多種節(jié)能優(yōu)化措施，以降低運(yùn)行成本，滿足節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)要求。

3.1 選擇先進(jìn)的氣化工藝

公司采用華東理工大學(xué)多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝，6.5 MPa、DN3200 氣化爐，兩開一備。與國外水煤漿氣化技術(shù)相比，技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢如下：

（1）多噴嘴對置式氣化爐和單噴嘴頂噴的氣化效率高，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)。與采用國外水煤漿氣化技術(shù)的運(yùn)行結(jié)果相比，有效氣成分提高2～3 個百分點(diǎn)，CO2含量降低2～3 個百分點(diǎn)，碳轉(zhuǎn)化率提高2～3 個百分點(diǎn)，比氧耗降低7.9%，比煤耗降低2.2%。

（2）多噴嘴對置式氣化爐噴嘴之間的協(xié)同作用好，氣化爐負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍大，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快，適應(yīng)能力強(qiáng)，有利于裝置大型化。

（3）該裝置開車方便、操作靈活、負(fù)荷增減自如，操作的方便程度優(yōu)于引進(jìn)的水煤漿氣化裝置。

（4）自動化程度高，全部采用集散控制系統(tǒng)（DCS）控制。

（5）復(fù)合床洗滌冷卻技術(shù)的熱質(zhì)傳遞效果好，洗滌冷卻室液位可控，無帶水帶灰現(xiàn)象發(fā)生，解決了引進(jìn)技術(shù)的帶水帶灰問題。

（6）分級式合成氣初步凈化工藝節(jié)能、高效，表現(xiàn)為系統(tǒng)壓降低，分離效果好，合成氣中細(xì)灰含量低（＜1 mg/m3）。

（7）渣水處理系統(tǒng)采用直接換熱技術(shù)，熱回收效率高，克服了設(shè)備易結(jié)垢和堵塞的缺陷。

3.2 充分提高熱量效率

為提高熱量利用效率，該裝置在設(shè)計(jì)階段就對蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。項(xiàng)目蒸汽分為11 MPa、4 MPa、1.3 MPa 和0.5 MPa 四個壓力等級?？辗?、合成、氨冰機(jī)三大機(jī)組采用11 MPa 過熱蒸汽全凝驅(qū)動，在鍋爐設(shè)計(jì)階段考慮在材質(zhì)不提檔的前提下盡量提升鍋爐出口蒸汽參數(shù)，將蒸汽參數(shù)由9.8 MPa、535 ℃提升到10.8 MPa、535 ℃，主蒸汽焓值下降的同時做功能力提升，節(jié)約了鍋爐煤耗，也節(jié)約了機(jī)組蒸汽消耗。

變換工藝采用絕熱+ 等溫兩段變換，一段絕熱段充分回收高溫高品位熱量，副產(chǎn)4.0 MPa 過熱蒸汽，二段等溫段降低系統(tǒng)出口尾氣CO 含量，副產(chǎn)2.0 MPa 飽和蒸汽。氨合成工藝副產(chǎn)4.0 MPa 過熱蒸汽，氨合成回路多余熱量預(yù)熱變換、合成鍋爐熱水，實(shí)現(xiàn)熱量充分回收。此外，變換、合成副產(chǎn)的4.0 MPa 過熱蒸汽經(jīng)預(yù)熱發(fā)電機(jī)組背壓到1.3 MPa，230 ℃外供園區(qū)其他蒸汽用戶，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，梯級利用。

在余熱利用方面，充分回收氣化灰水處理過程中的熱量，在低閃、真閃水冷器前設(shè)置脫鹽水預(yù)熱器預(yù)熱鍋爐給水，冷脫鹽水經(jīng)真閃1#、2#預(yù)熱器，再到低閃預(yù)熱器預(yù)熱到100 ℃后送至鍋爐除氧器，既節(jié)約了氣化循環(huán)水消耗，又節(jié)約了鍋爐除氧蒸汽用量[4]。

3.3 優(yōu)化技術(shù)方案降低系統(tǒng)電耗

新型煤化工合成氨工藝中，循環(huán)水的用電量占比高達(dá)50% 以上，降低合成氨電耗核心在于降低循環(huán)水的電耗，合成氨工藝生產(chǎn)中的電耗如表1 所示。

表1 合成氨工藝生產(chǎn)電耗統(tǒng)計(jì)表

在項(xiàng)目上主要從三個方面進(jìn)行了優(yōu)化：首先，進(jìn)行工藝研究，充分利用余熱代替蒸汽，減少循環(huán)水用量（氣化、變換）；其次，盡可能用蒸發(fā)冷替代循環(huán)水冷卻，蒸發(fā)冷水泵揚(yáng)程僅6 m，變換、低溫甲醇洗、氨合成冷排、氨冰機(jī)、甲醇水冷器都用蒸發(fā)冷替代了循環(huán)水；最后，確實(shí)需要循環(huán)水的用戶，根據(jù)用戶標(biāo)高，分級供水，整個循環(huán)水按照低壓設(shè)置，水泵出口揚(yáng)程控制在30 m 以內(nèi)，高壓用戶增加管道泵。

考慮分級設(shè)置，降低循環(huán)水泵出口揚(yáng)程，超過20 m的820 m3空冷系統(tǒng)冷凍水系統(tǒng)單獨(dú)采用高揚(yáng)程水泵，18 000 m3循環(huán)水采用低揚(yáng)程水泵；氣化超過20 m 的2 058 m3循環(huán)水采用高揚(yáng)程水泵，10 000 m3循環(huán)水采用低揚(yáng)程水泵。空分循環(huán)水按照25 000 m3/h、合成循環(huán)水按照15 000 m3/h 設(shè)計(jì)，略有余量。

3.4 采用高效設(shè)備提升工作效率

項(xiàng)目上積極采用永磁電機(jī)、變頻技術(shù)等節(jié)能裝備，同時對22 kW以上常用電機(jī)采用一級能效，75 kW 以上運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備采用在線測溫測振，實(shí)時監(jiān)測運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備效率，保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，2#結(jié)構(gòu)組成中，兩端采用加強(qiáng)型薄板，厚度為30 mm，低溫側(cè)換熱管和管板的連接處，多次發(fā)生高壓鍋爐爐水滲漏問題，降低了熱量回收效率，自產(chǎn)高壓蒸汽降低。管板、管束等部件的使用時長接近設(shè)計(jì)使用年限時，因材質(zhì)本身老化，堵管、爆管、管壁穿孔等問題經(jīng)常發(fā)生，這是造成結(jié)垢、熱效率降低的主要原因[5]。對此，將2#、3#低效設(shè)備進(jìn)行更換，對部分材質(zhì)進(jìn)行升級，如表2 所示。改造完成后，高壓蒸汽產(chǎn)量明顯提高，運(yùn)行至今未再出現(xiàn)堵管、爆管等問題。

表2 低效設(shè)備更換前后的工況比較

3.5 脫硝裝置技術(shù)升級改造

燃機(jī)運(yùn)行過程中，為了提高熱效率，對高溫廢氣進(jìn)行回收，然后傳送至輔助鍋爐，完成工藝循環(huán)后排放。燃機(jī)出口廢氣中的NOx、輔爐排放煙氣中的NOx含量分別是155 mg/m3和175 mg/m3。但是，當(dāng)?shù)亍痘痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中，要求煙氣中NOx含量不超過100 mg/m3，故必須對脫硝設(shè)備進(jìn)行改造。燃機(jī)采用擴(kuò)散型燃燒室，燃燒溫度高、高溫停留時間長，采用干式貧預(yù)混低氮燃燒技術(shù)，燃料進(jìn)入燃燒區(qū)之前與空氣均勻混合，從而降低燃燒溫度，縮短高溫區(qū)停留時間，減少NOx的產(chǎn)生量。另外，對高壓透平模塊進(jìn)行更新，主要是噴嘴、軸流壓縮機(jī)等，提高做功效率。改造完成后，燃機(jī)出口廢氣中的NOx含量降低至40 mg/m3，輔爐排放煙氣中的NOx含量降低至70 mg/m3，NOx年度排放總量減少86.8 t，如表3 所示。

表3 燃機(jī)脫硝改造前后的NOx含量比較

4 結(jié)語

綜上所述，煤化工合成氨是化工行業(yè)常見的工藝，近年來隨著 “雙碳” 目標(biāo)的提出，對合成氨裝置的運(yùn)行提出新的要求，如何節(jié)能減排成為企業(yè)及從業(yè)人員關(guān)注的要點(diǎn)。本文介紹了煤化工合成氨的工藝方法，在裝置運(yùn)行的各個階段采取節(jié)能優(yōu)化措施，提高了裝置的運(yùn)行效率和可靠性，減少了原料煤的消耗，降低了系統(tǒng)電耗，提升了熱量利用效率，具有一定推廣價值。