煤制合成氨生产工艺优化与节能减排措施

摘要：氨（NH3）是制造化肥、硝酸、炸药的重要原料，液氨是一种制冷剂，氨对地球上的生物相当重要，它是许多食物和肥料（多于八成的氨用于制作化肥）的重要成分，氨具有广泛的用途，是世界上产量最多的无机化合物之一，氨也是所有药物直接或间接的组成。煤制合成氨是目前较为常用的一种合成氨工业生产工艺，具有生产量大、效率高等优点。但是目前众多的化工企业由于设备和工艺技术的原因，进行煤制合成氨的生产时，经常会伴随着能耗高和“三废”高等问题，严重阻碍了我国煤制合成氨工业的快速发展。

关键词：煤制合成氨生产;工艺优化;节能减排;措施

1 工艺流程

NH3是常用化工原料，可制备尿素、碳铵等氮肥，硝酸、铵盐、纯碱。广泛应用于合成纤维、塑料染料等。而且，氨可以作制冷剂，应用于空调领域中，氨有毒性、可燃性、腐蚀性等不足，但价格低廉、能效比和传热效率高，对大气臭氧层无破坏作用和无温室效应等突出优势，做好相应安全措施，广泛用于大型冷库、超市食品制冷。某化学有限公司40 万吨/年合成氨、30万吨/甲醇项目是某集团有限责任公司优化产业结构、改革脱困、实现可持续发展的重大项目。该制备系统包含水系统、空分、锅炉、气化、净化、硫回收、 氨合成、冷冻系统等八个部分，原料煤采用多元料浆气化技术、粗煤气经净化工段后进入合成气压缩机，高压合成气进入开工加热炉，再进入氨合成塔，反应后进入合成冷冻工序。合成氨系统引进的是美国凯洛格工艺流程，将氨合成塔更改为丹麦托普索S-200系列合成塔，是较为先进的合成塔，反应温度400℃～500℃，压力约14MPa，具有节约原料、能耗小、操作方便，且合成率高的优点。

2 技术特点

煤制合成氨有一个明显的特点是多碳少氢（CO2有排放），对 H2O 的消耗量较大，且制备过程中“三废”排放较多，其中，包括固废（废渣等），N2、CO、H2S等 有害气体，及含 As、Si、S、Mg、Te、 CI等元素的废液，对环境十分不利。针对以上不足，公司所用美国的凯洛格合成工艺具备以下特点：1）合成汽包蒸汽4.0MPa ，提高压力更节能，尽量减少高等级蒸汽减为低等级蒸汽使用;2）能循环渗透气，通过普里森从弛放气、非渗透气中回收 H，增加了H 的循环利用，节约原料，降低了 CO2 排放;3）回收合成氨的反应热预热锅炉给水，采用三级氨冷、三级闪蒸将3钟不同压力的氨蒸汽分别返回离心式氨压缩机相应的压缩级中，功耗少;4）放空管位于压缩机循环段之前，此处惰性气体含量最高，但氨含量也最高，由于放空气回收氨，故对氨损失影响不大;5）副产的闪蒸蒸汽、不凝气、普里森废气返回系统加热炉，重新作为燃料，节约原料气;6）循环使用各等级蒸气冷凝水、透平冷凝水，节约脱盐水;7）通过火炬设备治理排除的异常工况或开停车气体，防止废气直接排放而污染环境。

3 节能减排生产工艺优化措施

3.1 优化原则 1）合成生产 4.0MPa 蒸汽，提高蒸汽压力利于中压透平做功，提高系统节能效率;2）将系统合成气进行循环利用，通過普里森膜分离从弛放气、非渗透气来提高气体中 H2 的回收和循环利用效率，减少 CO 等气体的排放;3）将煤制合成氨生产的部分合成反应后气体、副产品气进行循环利用，如闪蒸蒸汽、不凝气、普里森废气等重新加热作为燃料利用，既能减少有害物质的排放又能实现节能减排的目标;4）优化生产工艺加强对废气的处置措施，如通过火炬设备处理防止废气的排放。

3.2 具体节能减排测量

3.2.1 节能优化 1）对项目合成氨循环气增加一台水冷器（天热时要淋水），降低循环气的温度，减少压缩机的能耗;2）增加一台氨闪蒸汽冷却器（天热时要淋水），降低氨闪蒸汽温度，提高液氨分离率，增加产量，减少尾气中氨含量。3）对氨合成塔内部换热器下段管箱更换，增加换热效率，促进合成反应。4）优化氢氮比（2.9～3.0），减少CO、CO2的含量（小于10ppm），增加氨净值。5）对冰机的干气密封进行技改，防止氨气的泄漏，既节能又环保。

3.2.2 节水优化 对目前煤制合成氨生产工艺水资源消耗过大的问题进行优化，从以下方面开展。1）通过对生产工艺的分析，循环各等级蒸汽冷凝水、透平冷凝水来减少脱盐水的使用量进而减少水的消耗量;2）优化生产设备，采用节水型生产装置。

3.2.3回收液氨 防止氨水洒漏 由于工艺设计原因，项目85米高的火炬出现氨水洒漏现象，对系统安全阀起跳顺序进行了优化，在氨事故排放管线的末端、在火炬区域内增设氨介质的气液分离罐，以防排放气带液氨，可以把其中的液氨分离下来，使液体不至于进入火炬系统，发生氨水洒漏，既回收了液氨，又减少排放，同时防止人员伤害，保护了环境。

3.2.4 废气优化 煤制合成氨生产过程中会产生多种气体，包括大量的 N2、H2S、CO 等有害气体。此时，在生产系统中设计火炬系统，对有害气体进行焚烧，实现无害化处理。如在氨生产过程中，采用克劳斯脱硫工艺对有害气体H2S进行回收利用，采用普里森（prism）氢回收装置中空纤维薄膜分离法对煤制合成氨过程中驰放气的氢气进行分离和回收。

3.2.5 废液优化 煤制合成氨废液分为生活污水和工业生产污水两部分，其中主要是工业生产废水。工业废水对环境的影响最大，含有硫、砷、铁、镁、硅、氯等元素，必须经过污水处理装置后才能排放。结合煤制合成氨生产工艺特点，生活污水、生产废液经调节池混合、均质，再排入厌氧池、好氧池进行细菌深度处理，溢流进入二沉池，上清液进入清水井，合格水进行回收利用，实现零排放。

3.2.6 废渣优化 煤制合成氨过程中会产生大量的废渣，包括气化装置的煤渣、净化氧化锌、合成反应塔的铁系催化剂等，对于吸收塔中产生的固体废渣为洗后剂的废渣，无使用价值，采用无害化处理。

3.2.7 噪声优化 在煤制合成氨生产过程中，有空压机、合成气压缩机、氨冰机等大型压缩机同时工作，不可避免地产生噪声。对于噪声治理及优化措施，采取生产工艺、设备进行优化，对煤制合成氨生产场地的平面布置进行优化。 首先噪声设备远离操作、维修等人员聚集区，增加隔声设备，减少噪声传播。 其次，采用更多无声的生产设备是必要的和合理的。

3.2.8防渗优化 1）依据环保法规要求，对煤制合成氨系统区域的地面进行了多层防渗及硬化处理，提高了防渗能力;2）基于《石化防渗标准要求》，对系统中废液坑坑底、坑壁及废液排污管道进行了防渗加固改造;3）对生产区域排污管线的沟槽进行了防渗加固。

4 结论

煤制合成氨工艺复杂，其高耗高排放一直是公司的难题，通过对40 万吨/年合成氨、30万吨/甲醇项目工艺的优化，有效解决了煤制合成氨高耗水、高三废的缺点，为以后同类项目提供了良好的借鉴。节水和减排带来的不仅是环保效益;通过废物利用、节约原料，同样带给企业可见的经济效益;资源利用的优化，更是带来巨大的社会效益。做好生产技术的绿色优化是以后工业可持续发展的趋势，更是公司能否做大做优做强的关键，绿色优化必须融入到公司的整体管理运营中，相信通过工艺改进、绿色优化，可实现化工制造的可持续发展。

参考文献

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作者简介：蒋弟华，男，工程系列工程师，1992年毕业于四川轻化工学院化工工艺专业，1998年毕业于四川联合大学化学工程专业，现在在四川中蓝国塑新材料科技有限公司从事技术管理工作。