合成氨生產中的廢氣利用與節能效益研究

趙倩

河南化工技師學院

合成氨在實際生產過程中，其氣體含量較大，而考慮到相關科技手段應用不足，很多企業很難從中提取大部分氣體，導致企業只能將相關氣體作為工業廢氣排放到大氣中，這種行為會導致大氣污染加重，也是對資源的一種浪費。對此，需要探索如何回收利用這些廢氣，這是目前合成氨生產中必須要思考和解決的問題。

一、合成氨生成中廢氣利用的必要性

在產業發展中，廢氣利用以及節能環保問題處理一直是重點工作內容，也是二十大中對企業發展比較關注的問題。合成氨生產過程中，要想實現節能效果，需要對相關生產加工工藝進行優化處理，不斷加大對廢氣利用的效力。不管是基于企業視角還是社會發展視角來看，都是十分必要的[1]。合成氨生產中，需要強化廢氣利用，做好節能減排工作，這對于提升生產人員的節能環保意識，促進節能環保行動具有積極作用，此外，也有利于進一步優化加工生產工藝，促進企業合成氨的生產水平和綜合效益不斷提升。

二、合成氨生產工藝分析

目前，我國是合成氨生產量最大的國家之一，國內目前有三十多套大型氮肥裝置，接近20套的裝置都是以燃氣為原料的，還有部分以輕油、重油或者是煤為原料的。有了這些大型氮肥裝置的支持，我國的年氮肥生產量巨大[2]。此外，我國還有50 多套中型合成氨裝置，這些都保證了我國的氮肥生產產量穩定提升，為農業生產提供大量的尿素、氮肥和硝酸銨等。

就合成氨的生產來看，使用不同的原料，對應的生產工藝也是不一樣的。如，以煤炭和天然氣為原料來進行合成氨生產，一般使用原料氣進行制備，通過煤和焦炭等固體原料進行合成氨的生產中，一般使用氣化方法，但是不管選擇何種生產方法，凈化處理的步驟都是必要的，這一步驟主要是將氫氣和氮氣外的雜質清除干凈，特別是在變換中，脫硫脫碳和氣體精制中雜質的清除至關重要。通常而言，在進行凈化處理中，有很多環節都會產生一氧化碳，因此，需要對一氧化碳做好變換處理。在具體處理中會導致大量熱的釋放，因此，變換工作需要分段開展，即通過高溫作用將一氧化碳轉變成二氧化碳和氫氣，此后借助降溫效應來使得一氧化碳的含量不斷減少。實際的作用是通過低溫甲醇洗法或是聚乙二醇二甲醚法來處理。在氣體精制處理中要將雜志清除干凈。此外，在原料氣進入到合成工序前，需要將殘留的二氧化碳以及一氧化碳氣體清除干凈，達到對原料氣的凈化效果，一般可以選擇使用甲烷化和液氮洗的方法來處理。

在眾多的行業生產發展中，合成氨屬于高能耗產業，其污染嚴重，這是因為合成氨生產中使用的原材料以能源材料為主，在合成處理中對于能源資源需求量較大。通常來看，合成氨生產成本投入較大。數據統計顯示，我國的能源3%是在合成氨生產中使用的，此外，氧氣在合成氨生產中也需要大量供應，生產中還會產生大量的二氧化氮、二氧化硫等有害氣體物質，這對于環境會產生一定危害。當前，國家的能源資源緊張，環境污染嚴重，合成氨生產中的廢棄利用對于其可持續發展具有積極作用，對此，需要做好合成氨生產企業的節能環保工作[3]。

三、合成氨生產中的廢氣利用和節能效益分析

（一）利用合成氣體中的一氧化碳進行甲醇生產

甲醇在基礎化工原料的生產中占有重要地位，利用小型化肥制造設備即可同時生產酒精、甲醇和合成氨，這種生產工藝更加經濟高效。聯合醇工藝可以有效利用合成氨生產中的尾氣生產甲醇，最終不會對合成氨的生產產生較大的影響，可以為企業的生產提供理想的效果。酒精相關工藝主要有兩個方面需要研究。第一個是利用其中的二氧化碳來促進甲醇生產過程。由于CO與氫氣反應可生成甲醇，根據其化學方程式，當CO 轉化率達到50%時，可生成2.93 千克甲醇[4]。另一種是利用其他廢氣來促進合成氨的生產。 1 摩爾氮氣和3摩爾氫氣可生成2 摩爾氨，若氫氣轉化率能達到88%，則相應的合成氨質量為20.66 千克。如果生產中氫氣的轉化率相應提高。合成氨的質量相應提高。通過對比采用單一酒精生產工藝生產合成氨或甲醇，發現采用該方法同時生產這兩種原料每年可帶來顯著的經濟效益?？磥?，氨生產中產生的一氧化碳可以充分利用來完成酒精相關工藝生產甲醇。

采用聯合醇工藝生產甲醇時，需要增加液泵電機的使用量，增加常壓精醇工藝的電耗，增加高壓壓縮氣體的用量。這實際上節省了一些壓縮所需的能源，大致抵消了甲醇生產的電力消耗，在精制乙醇生產中，預熱器和旋轉蒸發器消耗一定的蒸汽，但單獨生產甲醇所需的煤耗較低，所以通過聯醇工藝生產甲醇的節能效果是顯著的。這一生產工藝充分利用了合成氨生產中的一氧化碳，達到了節能效果，還具有良好的社會經濟效益[5]。

（二）從合成氨尾氣中提取氫

在合成氨生產中，廢氣通常經過兩次脫除。一種是合成系統原料氣的循環廢氣和積聚的惰性氣體，另一種是高壓液氨接入氨罐時從氨罐釋放的吹掃氣。這兩類氣體約占合成器體積的2%-5%，每噸氨排放150-250 Nm3?？梢?，合成氨尾氣也是優質能源，可以通過提取利用發揮其價值。在相關生產實踐中進行測算發現，每噸氨的尾氣熱值接近3.87×106kJ，占據氨生產過程中耗熱值的7.56%左右[6]。目前，很多企業無法回收煤氣中所含的有價氣體，只能將煙氣經過氨處理后降壓，然后送入鍋爐進行低熱值燃燒，這樣會增加能源消耗和資源浪費。

通過對于合成氨尾氣含量的檢測發現，其中的氫氣含量超過了59%，是排放尾氣中占比最大的部分，一些中小型化肥廠可以從氫氣回收入手，回收氫氣來提高節能技術，回收的氫氣可以直接換取商品或用作合成氨的原料。返回氨合成系統使用。據統計，每回收1000 Nm3氫氣相當于節省1500 Nm3半氫氣，可提高合成氨產量5%左右，每噸氨可降低能耗2.5×106kJ。

在氫氣回收中，可以使用變壓吸附法，這種工藝技術如今已經發展成熟了，結合常溫吸附劑在兩種不同壓力下對于氫氣中相關成分的吸附容量差異來實現對于氫氣的回收，能夠有效將尾氣中氫氣意外的雜質清除干凈，實現尾氣中氫氣回收率達到85%左右，回收利用率比較高。

總體來看，氫氣的發熱值要比汽油高出三倍，是一種無污染、清潔型的高效能源。同時也是冶金、化工、電子等部門很多產品工藝中必須使用的還原氣或保護氣，其應用范圍較廣。相關水電解工藝中的制氫耗電量較大，需要的成本很高，和我國的電力緊張情況是不相適應的，通過生產合成氨中的尾氣進行氫提取，其經濟效益和環境效益都比較好，具有廣闊的發展前景。具體的氨和氫提取中，可以嘗試低溫分離。這種提取方法基本上是一種根據沸點和溶解度的差異來分離成分的方法。該方法可用于空氣中氫氣的回收[7]。除氧空氣主要含有H2、N2、Ar、CH4、NH3 等氣體，除氧氣體通過冷凝器將大部分氨轉化為液氨，然后在水洗塔中與無氧空氣結合。剩余的氨被厭氧軟水使用。然后。然后利用低溫精餾將氫氣、甲烷、氬氣和氮氣一一分離，分離后得到90%的氫氣。該方法可同時回收氫氣和氮氣，且氫氣純度高。該方法采用兩級深冷部分冷凝分離技術，解決了設備內甲烷凍結的問題，并且它與合成氨系統相互獨立互不影響操作。

（三）合成氨尾氣的其他利用

一些化肥企業已經開始嘗試將合成排放氣作為煤氣供應給居民進行燃燒，為小城鎮的居民提供生活服務的能源支持，這種方案能夠實現的節煤效率將近40%，一年生產3 萬噸的合成氨的化肥企業排放出的合成排放氣能夠為4000 多戶家庭提供煤氣燃燒原料，其節能效果顯著，能夠為小化肥廠增加經濟收益，還能促進城鎮居民生活用能水平的改善和優化，不斷減少環境污染問題。

一些經濟基礎強大，技術力量突出的大型化肥生產企業而言，能夠對于合成氨尾氣中的稀有氣體做好回收處理，將尾氣中的其他稀有氣體回收起來，這種回收處理的成本相對較高，不過其所能帶來的經濟價值較高，在科學技術不斷發展的進程中，尾氣中的相關成分都能得到合理的回收利用，真正變廢為寶，實現合成氨生產中廢氣的經濟效益和環保效益。

四、合成氨生產中的氨回收技術發展現狀

目前，在我國的很多化肥企業合成氨生產工藝流程中，為了增強合成氨的附加值，碳銨逐漸被淘汰尿素或是附加值更高的產品在生產中應用更為普遍。在尿素生產中，針對合成氨馳放氣氨回收工藝一般都以水洗法為主，一些甚至是直接出售氨水，這類處理方案會導致氨的附加值降低，也會導致很多氨水不能有效處理，導致生產和生活環境受到嚴重威脅。對此，相關科研工作人員需要積極探索低溫氨處理方法和技術，確保氨回收純度達到100%。通過氨灌馳放氣和為其壓力來實現氨回收，并不需要額外進行新的動力補充，不過這種方案使用有一定缺陷，即尾氣中氨的剩余量在接近2%的情況下，達不到我國環保排放標準要求[8]。而就無動力氨回收工藝的基本原理而言，其是借助深冷技術實現化肥生產裝置回收，基于相應氣體沸點存在的差異，將馳放氣溫度快速降低到零下60 攝氏度上下，實現對于氣態氨從馳放氣中的提取目標。

此外，低壓閃蒸回收工藝應用也比較多，一些化肥廠家在尾氣吸收完成后，氨的含量比較高，他們會將氨尾氣作為燃燒氣體或是直接排放，這種處理方式不僅會導致嚴重的空氣污染，也是一種資源浪費。且這種方法利用回收氨的效率也不高。合成氨生產中尾氣中的氨含量實際上是比較高的，需要消耗一定的水資源，氨水濃度不高，且冷卻效果也不好，很難實現連續正常運轉。連續正常運行時間很難實現。如果生產廠需要維修設備，但系統內存在大量殘留氨，只能在設備完全停止后直接排放到大氣中，造成污染加劇。

近年來，一些廠家開始采用耐壓閃蒸技術回收壓力小于2MPa 的合成氨廢氣和含氨廢氣，并結合特殊生產需要使用。這種回收方式可以不斷降低企業的生產成本，具有一定的環保效果。低壓火焰蒸發技術的應用可以利用低壓閃蒸塔實現尾氣回收，并利用雙層泡罩延長氣液接觸時間，提升整體反應效率。兩層中都使用鼓泡式吸收方案，能夠確保系統氨水的濃度不斷提升，提高其反應效率，降低系統用水量。將這一方法獨立應用到合成氨尾氣出口的氨含量控制中，具有很好的應用效果。

合成氨可達到工藝用水量，減少效果可節約水資源。同時還可以提高吸收塔內氨水的濃度，有效降低后續修復凈化的能耗。

總結

合成氨生產加工過程中釋放的廢氣主要成分造成大氣污染和資源浪費。本文提出通過廢氣回收，實現廢氣的經濟效益，廢氣中的氫、氨都可以提取使用，還可以借助廢氣中的一氧化碳生產甲醇，這些都有利于提升廢氣利用價值，還能有效避免廢氣污染大氣，效益顯著。