合成氨尿素装置减排CO2节能创新工艺发展前景

刘韶东 黄文 张强(北京蓝图工程设计有限公司，湖北 宜昌 430000)

0 引言

节能减排、绿色环保成为我国工业发展的一个新方向。与此同时，资源税与排碳税征收也意味着节能减排在合成氨尿素生产领域的重要性。减排CO2税和资源税征收是社会环境发展的一项必然趋势，而征收排碳税对于节能减排这一目标而言，不仅能够提高环境质量，还可以保护生态环境。关于减排CO2节能工艺的创新，要在合成氨尿素装置的基础上进行改造，通过CO2减排创新节能与合成氨尿素工艺的结合，达到节能减排、环境保护的目的。

1 合成氨尿素装置应用现状

目前我国氮肥年产量呈现逐渐增加的趋势，尤其是在环境保护目标的影响下，城市乡镇人口逐渐增多，今后对于氮肥的需求量也必将会显著提升。在节能减排降耗这一方面，工业领域在转型升级的进程中面临新的要求，合成气工业炉这一装置的研发与推广在节能减排方面获得了显著的成效，将纯氧、富氧空气经过自热转化，便可以合成氨、甲醇与氨醇联产合成气[1]。与此同时，传统装置经过改造与创新，研发出先进工艺技术，在节气增产、CO2减排方面可以获得更为明显的效果。关于减排创新节能技术的应用，在合成氨尿素装置中有非常直接的体现，针对原本技术展开干燥处理，通过轻烃能源生产合成氨尿素，可以提高能源利用率，并且朝着零排放CO2这一目标努力，尽可能的达到氨碳平衡，为我国氮肥工业发展提供动力。

2 合成氨尿素装置减排CO2节能工艺创新建议

合成氨尿素装置运行需要将天然气转化为生产氨用合成气，该工艺原理运用二段换热纯氧自热转化技术，对比常规二段蒸汽转化技术，每吨氨消耗氧约为200m3，将其放置于二段炉中燃烧，需要用到CH455m3左右，节约得到的CH4可以作为外加热蒸汽转化炉运转所需燃料。这种换热转化工艺通过换热转化制氨的方式，从原本蒸汽转化加热，期间可以节约大量天然气作为原料气。独立制氨换热转化热平衡要在二段炉内掺加富氧空气，可以加强蒸汽转化热平衡性。在制氨过程中，还需要外加纯氧将燃料天然气换出[2]。当二段炉温度达到980℃时，二段炉出口转化器作为一段蒸汽经过转化成为加热热源，代替转化所用到的外加热天然气。合成氨生产使用蒸汽通过艺废热副产蒸汽供给的方式，能够有效节约燃料用天然气。

3 合成氨尿素装置减排CO2节能创新工艺发展方向

3.1 工艺设计

减排CO2节能创新工艺的生产能力，要结合合成氨尿素装置进行分析。该装置每年合成氨安量高达10万吨，尿素产品一年合成将近20万吨。为了满足减排CO2节能要求，在工艺创新方面需要优化设置压力参数，其中包括氨合成压力、尿素合成压力、转化变换压力。

3.2 创新节能设备与技术

合成氨尿素装置底部位置的烧嘴为蒸汽转化圆筒炉，与上烟道衔接，该圆筒炉热效率大于90%，需要用到天然气原料，通过冷凝液和热水之间形成的饱和作用，可以生成蒸汽，对比传统工艺可以获得理想的节能效果。CO一次等温变换可以将原本低变、中变集合，转变成为一次变换，利用冷凝液将反应热转移，使得天然气有充足的蒸汽热源，有效提高热能低位利用率[3]。对于联尿脱除这一环节，可以使用变换器CO2作为合成尿素气体，既将尿液中的甲铵分解，尿素生产期间压缩尿素生产原料内部CO2，经过脱除合成处理后，可以节省化学再生溶剂。与此同时，利用分子筛这一装置，可以将合成器展开脱水处理，氧化性微量毒物彻底清除，不需要用到冷冻分氨系统，对比原本回路20%的气体可以直接展开氨合成，降低入塔气氨量，分氨也由此增加，冷冻功和压缩功使用量减少。通过氨合成塔与微型颗粒催化剂可以提高反应热和氨净值，对比传统工艺吨氨节能效果更为显著。创新节能设备与技术方面还可以用到对称、平衡压缩机，作业现场压缩机数量减少，相关设备运行效率也得到提升。要想提高换热设备的传热效率，建议采用翅片管型转化换热炉，不仅在造价方面有一定优势，还可以获得理想的热能利用率。

3.3 工艺单元结构

三段换热转化在工艺单元结构中是非常重要的环节，其中涉及到富氧自热转化、圆筒炉内蒸汽转化、换热转化的三个部分[4]。采用原料天然气饱和塔首先将采集到的天然气蒸汽转化处理，并且和冷凝液混合，便可以获得蒸汽，这一工艺的作用是减少蒸汽消耗量。CO一次等温变化分为合并低变与中变这两个阶段，今后在一次等温变化中可以取消中变、热回收、换热设备，简化变换程序，提高热能利用率回收率，将铁铬催化剂还原升温的时间缩短，也可以规避因放硫操作失误引发的铜基催化剂中毒现象。变换气联尿可以将高温变换器作为合成尿素气体，将尿液中的甲铵全部分解出来，尿液浓度得到提升，浓缩设备和处理流程更加精简。

3.4 工艺运行过程

3.4.1 生产合成气

在圆筒炉内掺加天然气，经过转化之后依次进入到脱硫槽、汽提饱和塔，原本干燥原料气被热水喷淋之后会形成饱和，产生的蒸汽也会补入到其中，此时水碳比为3:1。随之转入至对流段，该阶段主要负责加热，划分为三路之后转入到二段炉、圆筒炉管和换热转化器当中，在镍催化剂的作用下分别产生换热转化。富氧空气在这一阶段进行预热，并且进入至炉顶部位，在混合器内均匀混合，炉上空间在燃烧作用下提升温度，通过催化剂床完成转化。二段炉转化气体出炉温度在960～980℃之间.经过换热转化之后进入置换热转化器内，借助废锅副产蒸汽温度可以冷温度冷却到220～230℃左右，再放置一次等温变换炉内。

触媒管发生变换反应热，此时工作人员可以利用热水进行荆楚处理，CO产生的放热反应受到低温环境影响变换器CO含量，控制在0.4%左右，温度则在200～220℃左右[5]。调整周围压力条件设置为5MPa，此时变换气传输至变换气联尿汽提塔净化二氧化碳，净化之后会产生H2+N2气，再返回至甲烷这一流程，发挥甲烷工序作用产生H2+N2气，经过压缩之后再将H2+N2气传输至氨合成系统内部，随后便可展开联尿作业。

3.4.2 联尿

生产尿素可以产生变换气，针对变换气进行汽提处理，合成氨内部CO2将尿素与合成氨装备连接，实现尿素生产一体化。对比传统水溶液尿素装置，这种一体化的合成氨尿素装置可以降低CO2压缩机运行期间的消耗量，CO2再生热能需求以及CO2去除装置等，由于变换气内参加了H2+N2气，所以尾气处理系统更加安全。

进行到联尿生产环节，气体合成塔内部尿素熔融物将甲铵液中的NH3、CO2分解，经过苗业减压闪蒸和蒸发造粒两个工序之后便可以得到尿素产品。利用汽提塔将变换气吸收与冷却，此时NH3和CO2转换成甲铵液，输送到尿素合成塔中，吸收塔利用H2+N2气代替压缩尿素CO2，并且将合成氨CO2去除，达到简化操作流程的效果。设定周围压力环境为5MPa，汽提变换器可以提高甲铵分解率、总氨蒸出率，与传统的水溶液法对比这一操作更加简便。在联尿这一工序中需要运用到等压加热器，前期设定该装置压力条件设置为14MPa，加热反应物温度设定在200～205℃之间。其中甲烷和氨分解工序完成后便转回至合成塔产生反应热，合成塔中始终维持热平衡状态。汽提塔负荷、甲氨泵、二氧化碳吸收塔负荷有效减少，应用蒸汽冷凝液需要搭配鼓泡列管卧式组合甲烷以及CO2吸收器，起到提升热回收率和吸收效率的作用，联尿工序运用到的相关设备以及处理流程也更加简洁[6]。

3.4.3 合成氨尿素生产

现如今，合成氨尿素天然气在减排CO2节能创新这一方面，相关技术在应用期间流程逐渐缩短，需要用到的设备数量减少。尤其是催化剂，其中包含氨合成铁触媒、变换铜基触媒和甲烷化镍触媒等。原本尿素生产技术通常划分为两个流程，首先合成氨作为中间产品由技术人员设置依然储罐之后保存，随后作为尿素生产原材料，进入到生产阶段务必要先将CO2消除再进行加热、生成、压缩作业，转换成为尿素原料区。天然气投料到尿素生产结束，期间大约为10～20天左右。天然气创新技术在合成氨尿素中应用，蒸汽切换之后空气温度提高，将升温之后的空气作为载体可以省略氮开工装置，变换阶段通过烘烤处理催化剂，氨合成环节则需要运用预还原催化剂，无论是变换还是转化期间均为蒸汽切换与空气升温，将原料天然气倒入还原随之形成转化气，可以在H2还原器配置中运用。变换和转化升温还原处理一般会耗时3天左右，甲烷化合联尿脱碳时间需要花费24小时，氨合成催化剂的还原升温处理需要2天左右，对比原本的合成氨尿素处理时间大大缩短。

4 结语

综上所述，目前合成氨尿素装置在运行、生产中应用，受到市场环境的影响，要践行节能减排的策略。基于传统合成氨尿素装置创新减排CO2节能工艺，不仅要减少装置运行期间的能源耗损，还可以规避对周围环境的污染，加快合成氨尿素装置生产效率，满足绿色环保与节能减排的要求，为今后氨尿素合成作业提供先进技术支持。