等压合成氨工艺节能计算

(1.杭州龙山化工有限公司，浙江 杭州 311228；2.北京清创晋华科技有限公司，北京 100084；3.安阳化学工业集团有限责任公司，河南 安阳 455000)

合成氨工业是不可替代的传统工业，它的转型升级节能减排只能且必须通过技术进步不断降低能耗；我国合成氨工业现有工艺，压力高、能耗高，不符合合成氨工业的发展方向。本文提出设计等压合成氨是合成氨工业发展方向，目前条件已成熟。

1 工艺部分介绍

1)对原料路线进行改造，由原无烟块煤改为烟煤。

动力结构由电力变为煤气化副产16.5 MPa、535～570 ℃蒸汽动力为主。

2)水煤浆气化清洁环保、易于大规模化、投资少、占地少、安全性好等特点。且可以处理其他系统产生的难以处理的有机污水。

3)取消氨合成工序的原料气压缩机，实现煤气化与氨合成等压。

工艺流程主要分为5个工序：空分配煤气化；变换；低温甲醇洗；液氮洗；氨合成。该流程与传统的工艺比较，具有节能、清洁环保、安全、技术先进、安全上采用集中优化控制等特点。

由空分(制氧)→水煤浆8.7 MPa气流床气化→耐硫变换→低温甲醇洗→液氮洗→低压7.7 MPa氨合成、硫磺制酸、氨回收等工序组成。

1.1 气化流程特点

水煤浆加压气化技术是当前世界上已工业化较先进的气化技术，气化压力可高达8.7 MPa。

本工艺以水煤浆和纯氧为原料，在高温、高压、非催化条件下进行部分氧化反应，生成以CO和H2为主要组分的粗合成气。该煤气化装置不产生焦油、萘、酚等污染物，并且可以燃烧有机废水。

1.2 变换流程特点

变换工序的作用是将煤气化来的水煤气中的一氧化碳转化成生产合成氨的原料气之一——氢气。自气化送来的水煤气中一氧化碳与水蒸汽在变换催化剂的作用下发生变换反应转化成氢和二氧化碳，变换气最终一氧化碳含量为≤0.5%，同时将大部分的有机硫转化成无机硫后变换气被送至低温甲醇洗工段。

利用变换反应热，分别产生3.9 MPaG饱和蒸汽(或过热)、1.4 MPaG饱和蒸汽、0.4 MPaG饱和蒸汽，供联碱、硝酸、尿素等各系统使用。

1.3 低温甲醇洗部分

低温甲醇洗的主要任务是脱除变换气中的H2S、COS、CO2等杂质气体。一般要求净化气中CO2含量低于10 ppm，总硫含量低于0.1 ppm。离开低温甲醇洗的净化气继续送往液氮洗工段，最终得到满足合成氨要求的合成气。

1.4 液氮洗部分

液氮洗的主要任务是对工艺气体进行最终净化，除去对氨合成催化剂有害的CO和CO2组分，同时也除去CH4和Ar等其它杂质；并进行配氮，使合成气中的氢氮比达到合成氨要求的3∶1。液氮洗与低温甲醇洗综合考虑冷量利用，保证了系统冷量的有效回收。

采用液氮洗工艺净化度高，在低温状态下可以完全除去来自低温甲醇洗装置的净化气中的CO、CO2、CH4等，并配入氮气，使合成气的组成满足H2∶N2=3∶1，因而在合成回路中无弛放气，减少了气体损失，氨合成回路压缩功耗也较低。

1.5 氨合成部分

氨合成采用浙江工业大学博士研究生导师，刘化章教授的超低压氨合成技术，如对年产25万t合成氨，选用φ3000氨合成塔，工作压力7.7 MPa，氨合成反应热产生3.9 MPa饱和蒸汽，供联碱和硝酸使用。

氨合成装置的主要任务是将净化后的氨合成气转化为产品氨，将氨从合成气中分离并将液氨产品送往氨库贮存，以满足后续生产的原料供应，同时，将分离出液氨的合成气送往合成压缩工段增压后返回合成装置。来自液氮洗工段的合成新鲜气(30 ℃，7.8 MPa)进入合成系统。合成塔φ3200，装催化剂150 m3。

2 煤气化部分节能计算

根据新型低压合成氨催化剂成功运用，并结合水煤浆加压气化的压力高、能量集中容易回收等优势，将两者完美结合起来，设置的8.7 MPa水煤浆加压气化炉、气化副产10.0 MPa 540 ℃或17.0 MPa 535～570 ℃高压过热蒸汽。

2.1 按亚临界参数定热电设计及发电计算

计算条件：气化炉副产蒸汽压力进汽轮机16.5 MPa，蒸汽温度570 ℃，乏汽压力为5 kPa。

2.1.1 求汽轮机排出3.5 MPa蒸汽的温度T4

P3=16.5 MPa，P4=3.5 MPa，

T3=570+273=843 K

T3/T4=(P3/P4)K-1/K

843/T4=(16.5/3.5)0.33/1.33

得T4=573.9 K=300.8 ℃。

2.1.2 计算其热效率

汽轮机排出3.5 MPa、300.8 ℃蒸汽重新回气化炉再热，再热后温度仍为570 ℃。

16.5 MPa 570 ℃H3=3 490 kJ/lg S3=6.5 kJ/kg·K

3.5 MPa 300.8 ℃H4=2 962 kJ/kgS4=6.4 kJ/kg·K

3.5 MPa 570 ℃H5=3 635 kJ/kgS5=7.35 kJ/kg·K

P=5 kPa时，饱和液体H3′L=H6=136 kJ/kg，蒸汽H3′V=2 559 kJ/kg，饱和液体熵S3′L=0.472 kJ/kg·K，S3′V=8.4 kJ/kg·K。

由S5′=S5=7.35 kJ/kg·K

可得再热后膨胀终点的干度X5′为：

X5′=(S5′-S3′L)/(S3′V-S3′L)

=(7.35-0.472)/(8.4-0.472)=0.86756

H5′=H3′VX5′+H3′L(1-X5′)

=2 559×0.86756+136(1-0.86756)

=2 238.1 kJ/kg

则再热循环的理论热效率为：

η=[(H3-H4)+(H5-H5′)]/[(H3-H6)+(H5-H4)]

=[(3490-2962)+(3635-2238.1)]/[(3490-136)+(3635-2962)]=0.478

2.1.3 同条件下,无再热的循环热效率

η′=W1/Q1=(H3-H3′)/(H3-H6)

式中，H3′=H3′VX3′+H3′L(1-X3′)，故需先求出无再热时膨胀终点的干度X3′：

X3′=(S3-S3′L)/(S3′V-S3′L)

=(6.5-0.472)/(8.4-0.472)=0.7603

则H3′=2 559×0.7603+136(1-0.7603)

=1 978.2 kJ/kg

η′=(3 490-1 978.2)/(3 490-136)=0.4507

循环热效率提高值为：

(η-η′)/η′=(0.478-0.4507)/0.4507=6.1%

2.1.4 采用再热循环的蒸汽发电量计算

每产一度电所消耗蒸汽量：

d=3 600/W=3 600/[(H3-H4)+(H5-H5′)]

=3600/[(3490-2962)+(3635-2238.1)]

=1.87 kg/(kW·h)

或每产一吨16.5 MPa 570 ℃蒸汽,理论发电量为1 000 kg/1.87 kg/(kW·h)=535 kW·h

2.1.5 节能合计

目前实际亚临界蒸汽按16.5 MPa 540 ℃发电量汽耗率2.9056 kg/(kW·h)，也就是吨汽输出功344 kW·h，高压水煤浆辐射式废锅吨氨副产蒸汽1.5 t，相当于吨氨发电516 kW·h，电价按0.65元/千瓦时计，吨氨副产蒸汽效益为335元。按年产25万t合成氨能力，节电部分年效益0.84亿元。

2.2 低压氨合成部分

7.0～7.5 MPa下，ZA-5催化剂的出口氨浓度15.4%～15.8%，氨净值为11.7%～13.2%，可以满足合成氨工业经济性对氨净值(大于8.4%)的要求。按25万t/a合成氨装置，取消原料气压缩机，节电与固定床煤气炉装置比较为吨氨850 kW·h，电价按0.65元/千瓦时计，吨氨节电552元，年节电效益1.38亿元。

2.3 节约压缩机的循环冷却水

目前固定床煤气炉配氨合成系统的压力一段在20 MPa。循环气甲烷和氩气18%～20%，扣除循环气甲烷和氩气，系统压力折算在15 MPa左右。为了计算方便，按纯氮气计，氮的等压热容表示为：

Cp=4.184(6.66+1.02×10-3T)kJ/(kmol·K)

压缩到15 MPa最终温度设为T2:

即：

-8.314 ln150=0

迭代法求解，得T2=1 163 K=890 ℃(六级压缩机每节平均温升144 ℃)。

按25万t/a合成氨，节约冷却热13 800万kJ/h(3 300万kCal/h)。相当于配套7 000 m3/h循环水装置省掉，年节约400万元。

2.4 小 结

以上三项合计年节电为2.26亿元。

低压合成氨是合成氨工业发展方向，浙江工业大学刘化章老师从上世纪70代开始一直致力于合成氨催化基础理论研究和催化剂的创新开发，已开发成功7.0 MPa低温低压氨合成催化剂。7.0～7.5 MPa下，ZA-5催化剂的出口氨浓度15.4%～15.8%，氨净值为11.7%～13.2%，可以满足合成氨工业经济性对氨净值(大于8.4%)的要求。(在 8.5 MPa 或10 MPa 合成工艺条件下，ZA-5 催化剂的出口氨浓度17.6%～18.2%，氨净值可达13.8%～14.2%。)

3 问题讨论

提高蒸汽的初参数(压力、温度)后,因循环的热效率增加而使电厂的运行费用下降,因而现代蒸汽动力循环都朝着高参数,大容量的方向发展。但是蒸汽初压的提高将引起乏汽干度的下降,为了解决应用高参数蒸汽后乏汽湿度太大的矛盾,故采用蒸汽再热循环,走再热循环使每千克蒸汽的做功量增加,因而其汽耗率降低,这使得通过设备的工质的质量流量减少,从而减轻了水泵和冷凝器的负担。故高压水煤浆副产蒸汽建议往13.5 MPa 540 ℃或17.0 MPa 535～570 ℃方向开发。

浙江工业大学开发低压合成氨工艺的必要条件之一——低压催化剂，已经成功。作为世界上先进的ZA-5 催化剂，以前缺少的仅仅是与其相配套的新工艺。而现在清华大学已成功实现8.7 MPa水煤浆加压气化并副产蒸汽驱动空分装置压缩机，这次对合成氨的等压改造是具有革命性的理论和现实意义，推广势在必行。