煤制合成氨生產工藝優化與節能減排措施

摘要：氨（NH3）是制造化肥、硝酸、炸藥的重要原料，液氨是一種制冷劑，氨對地球上的生物相當重要，它是許多食物和肥料（多于八成的氨用于制作化肥）的重要成分，氨具有廣泛的用途，是世界上產量最多的無機化合物之一，氨也是所有藥物直接或間接的組成。煤制合成氨是目前較為常用的一種合成氨工業生產工藝，具有生產量大、效率高等優點。但是目前眾多的化工企業由于設備和工藝技術的原因，進行煤制合成氨的生產時，經常會伴隨著能耗高和“三廢”高等問題，嚴重阻礙了我國煤制合成氨工業的快速發展。

關鍵詞：煤制合成氨生產;工藝優化;節能減排;措施

1 工藝流程

NH3是常用化工原料，可制備尿素、碳銨等氮肥，硝酸、銨鹽、純堿。廣泛應用于合成纖維、塑料染料等。而且，氨可以作制冷劑，應用于空調領域中，氨有毒性、可燃性、腐蝕性等不足，但價格低廉、能效比和傳熱效率高，對大氣臭氧層無破壞作用和無溫室效應等突出優勢，做好相應安全措施，廣泛用于大型冷庫、超市食品制冷。某化學有限公司40 萬噸/年合成氨、30萬噸/甲醇項目是某集團有限責任公司優化產業結構、改革脫困、實現可持續發展的重大項目。該制備系統包含水系統、空分、鍋爐、氣化、凈化、硫回收、 氨合成、冷凍系統等八個部分，原料煤采用多元料漿氣化技術、粗煤氣經凈化工段后進入合成氣壓縮機，高壓合成氣進入開工加熱爐，再進入氨合成塔，反應后進入合成冷凍工序。合成氨系統引進的是美國凱洛格工藝流程，將氨合成塔更改為丹麥托普索S-200系列合成塔，是較為先進的合成塔，反應溫度400℃～500℃，壓力約14MPa，具有節約原料、能耗小、操作方便，且合成率高的優點。

2 技術特點

煤制合成氨有一個明顯的特點是多碳少氫（CO2有排放），對 H2O 的消耗量較大，且制備過程中“三廢”排放較多，其中，包括固廢（廢渣等），N2、CO、H2S等 有害氣體，及含 As、Si、S、Mg、Te、 CI等元素的廢液，對環境十分不利。針對以上不足，公司所用美國的凱洛格合成工藝具備以下特點：1）合成汽包蒸汽4.0MPa ，提高壓力更節能，盡量減少高等級蒸汽減為低等級蒸汽使用;2）能循環滲透氣，通過普里森從弛放氣、非滲透氣中回收 H，增加了H 的循環利用，節約原料，降低了 CO2 排放;3）回收合成氨的反應熱預熱鍋爐給水，采用三級氨冷、三級閃蒸將3鐘不同壓力的氨蒸汽分別返回離心式氨壓縮機相應的壓縮級中，功耗少;4）放空管位于壓縮機循環段之前，此處惰性氣體含量最高，但氨含量也最高，由于放空氣回收氨，故對氨損失影響不大;5）副產的閃蒸蒸汽、不凝氣、普里森廢氣返回系統加熱爐，重新作為燃料，節約原料氣;6）循環使用各等級蒸氣冷凝水、透平冷凝水，節約脫鹽水;7）通過火炬設備治理排除的異常工況或開停車氣體，防止廢氣直接排放而污染環境。

3 節能減排生產工藝優化措施

3.1 優化原則 1）合成生產 4.0MPa 蒸汽，提高蒸汽壓力利于中壓透平做功，提高系統節能效率;2）將系統合成氣進行循環利用，通過普里森膜分離從弛放氣、非滲透氣來提高氣體中 H2 的回收和循環利用效率，減少 CO 等氣體的排放;3）將煤制合成氨生產的部分合成反應后氣體、副產品氣進行循環利用，如閃蒸蒸汽、不凝氣、普里森廢氣等重新加熱作為燃料利用，既能減少有害物質的排放又能實現節能減排的目標;4）優化生產工藝加強對廢氣的處置措施，如通過火炬設備處理防止廢氣的排放。

3.2 具體節能減排測量

3.2.1 節能優化 1）對項目合成氨循環氣增加一臺水冷器（天熱時要淋水），降低循環氣的溫度，減少壓縮機的能耗;2）增加一臺氨閃蒸汽冷卻器（天熱時要淋水），降低氨閃蒸汽溫度，提高液氨分離率，增加產量，減少尾氣中氨含量。3）對氨合成塔內部換熱器下段管箱更換，增加換熱效率，促進合成反應。4）優化氫氮比（2.9～3.0），減少CO、CO2的含量（小于10ppm），增加氨凈值。5）對冰機的干氣密封進行技改，防止氨氣的泄漏，既節能又環保。

3.2.2 節水優化 對目前煤制合成氨生產工藝水資源消耗過大的問題進行優化，從以下方面開展。1）通過對生產工藝的分析，循環各等級蒸汽冷凝水、透平冷凝水來減少脫鹽水的使用量進而減少水的消耗量;2）優化生產設備，采用節水型生產裝置。

3.2.3回收液氨 防止氨水灑漏 由于工藝設計原因，項目85米高的火炬出現氨水灑漏現象，對系統安全閥起跳順序進行了優化，在氨事故排放管線的末端、在火炬區域內增設氨介質的氣液分離罐，以防排放氣帶液氨，可以把其中的液氨分離下來，使液體不至于進入火炬系統，發生氨水灑漏，既回收了液氨，又減少排放，同時防止人員傷害，保護了環境。

3.2.4 廢氣優化 煤制合成氨生產過程中會產生多種氣體，包括大量的 N2、H2S、CO 等有害氣體。此時，在生產系統中設計火炬系統，對有害氣體進行焚燒，實現無害化處理。如在氨生產過程中，采用克勞斯脫硫工藝對有害氣體H2S進行回收利用，采用普里森（prism）氫回收裝置中空纖維薄膜分離法對煤制合成氨過程中馳放氣的氫氣進行分離和回收。

3.2.5 廢液優化 煤制合成氨廢液分為生活污水和工業生產污水兩部分，其中主要是工業生產廢水。工業廢水對環境的影響最大，含有硫、砷、鐵、鎂、硅、氯等元素，必須經過污水處理裝置后才能排放。結合煤制合成氨生產工藝特點，生活污水、生產廢液經調節池混合、均質，再排入厭氧池、好氧池進行細菌深度處理，溢流進入二沉池，上清液進入清水井，合格水進行回收利用，實現零排放。

3.2.6 廢渣優化 煤制合成氨過程中會產生大量的廢渣，包括氣化裝置的煤渣、凈化氧化鋅、合成反應塔的鐵系催化劑等，對于吸收塔中產生的固體廢渣為洗后劑的廢渣，無使用價值，采用無害化處理。

3.2.7 噪聲優化 在煤制合成氨生產過程中，有空壓機、合成氣壓縮機、氨冰機等大型壓縮機同時工作，不可避免地產生噪聲。對于噪聲治理及優化措施，采取生產工藝、設備進行優化，對煤制合成氨生產場地的平面布置進行優化。 首先噪聲設備遠離操作、維修等人員聚集區，增加隔聲設備，減少噪聲傳播。 其次，采用更多無聲的生產設備是必要的和合理的。

3.2.8防滲優化 1）依據環保法規要求，對煤制合成氨系統區域的地面進行了多層防滲及硬化處理，提高了防滲能力;2）基于《石化防滲標準要求》，對系統中廢液坑坑底、坑壁及廢液排污管道進行了防滲加固改造;3）對生產區域排污管線的溝槽進行了防滲加固。

4 結論

煤制合成氨工藝復雜，其高耗高排放一直是公司的難題，通過對40 萬噸/年合成氨、30萬噸/甲醇項目工藝的優化，有效解決了煤制合成氨高耗水、高三廢的缺點，為以后同類項目提供了良好的借鑒。節水和減排帶來的不僅是環保效益;通過廢物利用、節約原料，同樣帶給企業可見的經濟效益;資源利用的優化，更是帶來巨大的社會效益。做好生產技術的綠色優化是以后工業可持續發展的趨勢，更是公司能否做大做優做強的關鍵，綠色優化必須融入到公司的整體管理運營中，相信通過工藝改進、綠色優化，可實現化工制造的可持續發展。

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作者簡介：蔣弟華，男，工程系列工程師，1992年畢業于四川輕化工學院化工工藝專業，1998年畢業于四川聯合大學化學工程專業，現在在四川中藍國塑新材料科技有限公司從事技術管理工作。