合成氨生产过程的节能降耗分析

熊启海 (山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东 德州 253000)

0 引言

针对合成氨生产过程的节能降耗，除了产业结构调整外，还应当注重技术的更新。目前来看，我国各行业已经逐步进入生态文明建设总目标中，并强调深入推进节能降耗、减排环保工作的落实，利用技术创新、设备改造以及产业转型升级的方式降低生产过程中的高能耗、高污染问题。合成氨生产行业作为新时期重要的能源来源渠道，务必做好领头效应，紧跟时代需求进一步优化合成氨过程。为实现可持续性的效益增值，还应当制定长远性目标，除了合成氨外还需改善其相关增效，完善技术实现节能降耗。

1 传统合成氨生产过程中存在的问题

合成氨生产行业对于能源的消耗相对较大，且会产生大量废气，不仅违背我国资源利用最大化战略，还会产生额外的废气影响，针对废气的处理又会消耗一定的能源。其中比较常见且量大的废气为CO和H2，传统合成氨生产工程对于废气的处理并不科学，为对其进行价值分析和回收，进一步加剧环境破坏，还会导致资源浪费，不利于可持续经济的发展。合成氨生产会造成大量能源消耗，如：工艺水、油、冷却水、加热蒸汽、设备电耗以及仪表空气等，占据总成本的70%。以某一传统合成氨工厂为例，在生产的过程以水煤气为主，对于氨氮比例控制时主要采用氨水吸收，从而实现CO2换气，再进行脱碳处理。该工厂在技术方面进行过一次创新，加入变压吸附脱碳技术，并在生产效率方面起到显著效果。能耗问题有所缓解，但仍旧无法实现吸附氮和二氧化碳的目标，变压吸附装置成本较高。

2 节能降耗必要性分析

2.1 合成氨工艺改进需求

合成氨工艺生产具有两大特征，这两大特征也是落实节能降耗的主要方向。第一是连续性、系统性特征。在进行原料处理时需要进行多道持续性操作，完成脱硫、净化后进入合成系统实现氨合成反应，再对一些气体和剩余原料进行反复利用，最终获得合成氨。在此过程中一旦出现纰漏或某一道工序出现故障，必然会影响其系统运行的整体性，不仅无法满足合成氨生产的持续性特征需求，还会降低生产质量和效率，造成一定量的资源浪费。第二是复杂性、规范性特征。合成氨生产过程相对复杂，内容要求十分严谨，需要相关人员明确其特征与实际需求，并做好材料数量、催化剂、温度等多方面的控制，这就需要对相关工艺进行科学改进，在此基础上实现节能降耗。例如在氢氮混合气制作时，所涉及的原料数量相对较多，有天然气、水蒸气以及煤等，此过程也是出现资源浪费占比较大的环节，可以通过提升设备效能的方式降低60%以上的损耗。

2.2 社会需求变化和行业发展需求

党的十九大报告详细指明当前社会的发展现状以及未来需要重点关注的问题，将人与自然和谐共生作为生态文明建设的主要宗旨，强调节能消耗和资源利用率最大化。根据行业能源消耗情况分析调查能够了解合成氨生产工作的能耗情况和污染情况相对严重，其原材料以能源物质为主，且需求较大，成本高达70%以上。合成氨的生产过程对氧气的需求量较大，但排放的废气气体种类多且复杂，处理起来相对繁琐，也是额外的能源支出。现如今环境污染严重、资源匮乏的背景下，更应当加强环保、节能方面的建设，助力合成氨生产的现代化转型。

3 合成氨生产过程中的工艺增效改善

合成氨生产过程中会产生大量气体，而这些气体并非完全没有价值，为有效降低合成氨生产中的能耗成本，可以从其工艺增效的角度入手，降低废气处理的成本，间接提升合成氨生产过程的节能降耗效果。

3.1 甲醛提取工艺

甲醇是工业生产中不可或缺的原材料之一，主要应用于联醇生产，在进行合成氨生产时会产生一定量的CO，能够经过科学处理获得甲醇，不仅能够降低对CO处理的成本，还能将其卖出带来更多收益，实现可持续化发展。在实际运用时主要通过多合成氨尾气的收集与处理，实施联醇工艺获得甲醇。其工艺主要由CO与氢气发生反应，当转换达到50%即可获得甲醇，具体流程为：1 mol氢气与0.5 mol氮气反应，获得1 mol氨气，转化率达到90%时能够获得21 kg合成氨，经过换算后发现，每年能产生10万吨合成氨，同时应用联醇方式能够合成1.28万吨甲醇，市场价格3千元/吨，且每1吨甲醇的生产需要投入成本量仅为150元，如此一来既能为企业带来更高收益，还能降低资源浪费和能耗，实现可持续性发展。在甲醇提取过程中应用液体泵电机实现常压提纯，相对于以往的电能耗成本来说，能够有效降低功率。在实际应用时还需准备规定量的蒸汽和标准煤气，相比于以往的材料消耗量降低大约3.4倍。

3.2 氢提取工艺

在进行合成氨生产过程中，针对气体的排放处理主要通过高压液氨节流和合成系统原料气对惰性气体循环排放这两种方式，其合成氢占比5%，氨气排放量约240 m3/t，而氢气在尾气中占比在50%以上。而氢气是当前市场中比较常见的商品，因此可对其进行回收处理，相关数据显示，100 m3的氢气是15 m3的半水煤气，可重复应用到氨合成系统中，有效减少能耗。在实施时可以应用变压吸附回收法，主要原理为：常温条件下根据环境压力应用吸附剂，配合氢气中其他成分的特性，对多种杂质实现一次性清除，提升氢气回收率和纯度。此外，还可应用水电解的方式制氢，成本和能源消耗更少，一般为6 kW·h/m3。针对合成氨尾气中氢气的提取能够节省92%的电能消耗，氢气提取量大约在140 m3/h。目前我国在氢气市场十分广泛，价格约为2元/m3，相较于以往的电解工艺，水电解对电能的消耗明显降低，且应用氢气的发热值也低于汽油等物质，适用于电气、化工、冶金等行业，还能用于还原气保护，但生产流程相对复杂，且成本较高，而合成氨生产尾气中提炼氢气能够进一步弥补这一空缺，同时为合成氨企业带来一定收益，符合当前能源发展需要。

3.3 其他气体处理

合成氨尾气中含有很多气体，部分气体具有一定应用价值，而部分气体的处理则需要应用更多能耗，需要结合情况选择利用和处理排放。以氮气为例，在进行处理时可应用三进加氮工艺，降低水煤气加工中的产热损失，利用额外增加氢气的方式实现资源的优化，提升效率。此外，部分物质中含有氪物质颗粒，会直接排列分布氰基，颗粒直径普遍为200～300 mm，且水溶性较强。相关研究发现，这类物质存在一定堆密度，对产品造成一定不良影响。目前来看，合成氨尾气并非一无是处，可以代替煤气提升节煤率，增强综合效益的同时实现能源节约。

4 合成氨生产中节能降耗策略

4.1 掌握合成氨生产过程中的能耗问题来源

合成氨生产过程的能源消耗问题十分严重，想要真正缓解其能耗居高不下的现状，需要立足于其能耗问题来源展开详细分析，注重解决方案的综合性、全面性以及针对性，从管理和技术两个角度进行问题剖析，从而有效解决高能耗问题。从合成氨生产管理的流程来看，存在工艺复杂、系统化特点，且连续性较高。因此，在管理过程中需要进一步优化管理内容，完善相关机制，根据以往存在的问题给予针对性的管理方案，保证实现低能耗生产。在实际落实过程中还需对每个步骤进行监控，在设备上安装对应的传感器系统，实时连接计算机设备，监控其能耗数据，避免造成资源成本及能耗浪费，一旦超出限值立即查询原因。此外，根据合成氨企业的调研发现，部分中小型企业并未积极进行转型，其设备和相关工艺流程亟待更新。设备方面存在老旧情况，对于废气的回收利用及处理工作不佳，不仅造成资源浪费还会影响工作效率，质量也是待思考的主要问题之一。技术方面，并未实施自动化管控，一旦出现问题不能及时组织，容易造成不可挽回的后果。由此可见，技术设备以及管理的创新是降低合成氨生产能耗的主要导向，需要优先进行企业自身情况调查，再予以针对性措施。

4.2 研制新型合成塔

合成氨生产过程的规范性和系统性较强，整个加工流程工序之间相互依靠，无论哪个单元发生故障或变化都会影响整体的制作质量和效率。因此，在合成氨生产过程中实施节能降耗举措，务必注重各个环节的可选择性，再做好局部与整体调整[1]。可以研制新型的合成塔，目前来看，大部分合成氨工程逐渐倾向规模化生产。在大型生产过程中需要多段工序进行化学反应，且对传热、工序流动性的要求较高，进行新型合成塔的研究能够有效降低压力，应用冷管完善操作，确保温度适中适宜，从而获得更高氨净值。以往大型合成氨生产主要依靠机械压缩，相比之下，吸氨制冷的效率更高，并采用物理循环吸收的方式进行脱氧处理，能够有效降低能耗问题。在运用时可以选择应用二氧化碳或分子脱筛水分，确保合成塔内气体的纯洁性，从而提升分离率。应用节能型球形触媒，借助其抗毒性和低温活性高的优势进一步提升节能效果。为降低气体跑出现象的发生率，还应设置加热器实现热气循环。

4.3 加强生产管理实现节能降耗

从生产角度来看，需要注意以下三点：第一，合成氨企业需要明确产品以及其所排放废气的实际价值，并科学计算抵扣成本，为企业增加额外的收益，并利用所得收益对原有老旧设备进行优化，避免造成额外的资源浪费，实现精细化管理和质量控制。第二，在制定管理制度时务必保证生产过程的完善性，重点分析各道工序中设备存在的问题，并做好台账记录，科学控制运行风险。第三，需要建立自动化监管制度，将信息技术渗透在管理过程中，实现对合成氨生产过程的实时科学控制，保证能源消耗稳定。

4.4 注重生产工艺上的节能降耗

技术的创新是合成氨生产过程节能降耗的关键方式之一，企业需要严格遵循节能、环保理念，从设备、工序的角度出发，对技术进行创新。例如加大对高效催化剂的研发，降低能源消耗提升合成氨质量，应用高效催化剂能够降低合成氨生产过程中对热能物质的依赖，具有经济性、高效性和环保性优势。此外，还可以科学借用催化剂的反应效果，例如水蒸气与一氧化碳之间的放热反应，但有时放热反应并不能达到预期效果，此时应用催化剂能够提升热度，实现充分反应。针对设备的改进主要在于相关物质的二次利用，例如提升造气装置性能和功能，提升对CO的燃烧效率。亦可加强对水煤气和炉煤气的工艺制备，打造自给自足的工作格局，降低原料消耗和废弃物处理成本[2]。引入绿色技术和节能型设备，提升各个工序之间的配合度，将副产品和有害物质进行重新整合与利用，减少对环境的破坏。进一步降低能源消耗成本，同时提升气化强度，合成系统提升物质回收率和转换率，保证多余原料气和资源的可持续性利用。

4.5 重视资源合理利用实现降本增效

合成氨过程中除了基础性的原材料应用和产出的常规性气体外，还会应用和产生大量的化学热和蒸汽余热、废水等，这也可以作为合成氨生产过程中节能降耗的出发点。例如副产蒸汽能够用于热电联产，在产生后及时回收，从而缓解热损失成本，降低能耗；甲烷和氢气是合成氨的原料，而其废气产出也有这两种气体，可以进行提炼后再次重复作为原料，亦可直接作为清洁能源，从而降低温室效应；低热值的炉渣也是生产后的物质，可将其用于三废炉燃烧，实现循环使用，从而提升煤炭利用率。部分物质还可卖给相应的厂家，经过处理后制成水泥、粉砖等，实现资源利用最大化。

5 结语

综上所述，我国针对合成氨的生产具有规模化、长期性的特点，传统合成氨生产过程中存在周期长、产生废气量大、工艺增效模式单一的情况，无论是生产过程还是后期废气处理均会造成一定资源浪费，成本能耗相对较大，直接影响其收益。因此，针对合成氨生产过程节能降耗的研究十分有必要，需要进一步细化其工艺增效情况，并进行科学改善，明确传统生产过程中造成高能耗的主要原因，研发新型技术，注重生产管理与工艺是哪个的节能降耗，助力实现可持续性发展。