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摘要：随着我国合成氨需求的快速增加，以及国家对资源、能源的高度重视，天然气加压直接转化法制造合成氨的生产影响因素和工艺优化方法也受到了较多的关注，合成氨生产工艺优化的主要目的是提高生产效率，实现节能降耗。本文针对天然气加压直接转化法制造合成氨的生产影响因素进行了分析，探讨了生产工艺的优化方法。
关键词：合成氨生产影响工艺优化
中图分类号：TE1文献标识码： A
随着我国经济的不断发展，社会各个生产环节对于资源、能源的需求量不断增加，由于资源、能源的相对有限，因而社会对于提高资源、能源利用效率也越来越关注，所以，天然气加压直接转化法制造合成氨的生产影响因素分析和生产优化工作受到了较多的关注。
一、转化工段
天然气加压直接转化法制造合成氨，转化工段是重中之重，对合成氨装置节能降耗起到关键作用，它是在转化催化剂作用下的强吸热反应，其反应式为CH4+H2O=CO+3H2-206.29KJ/mol，在一段炉反应中，需要天然气与空气混合燃烧为转化管提供热量。因而在其生产环节应进行如下改进和优化：第一.控制适当的炉膛负压，既满足天然气燃烧有充足的氧含量，又让对流段热量能得到充分回收。第二.由于运行过程中辐射段热能回收部分的换热器内管壁结垢，保温材料附着在外管壁，对流段盘管换热效果逐渐变差，吸收热量减少，出对流段烟道气温度升高，导致热能损失，因此利用大修停车机会应进行内管壁化学清洗、外管壁空气清扫以提高热能回收效果。第三.如果发现对流段出口烟道气温度偏高，热能损失偏大，可通过调节炉膛负压、有条件可增加一组预热燃烧空气、预热工艺天然气盘管等方法来回收热量。我厂于2007年利用系统大修机会，对一套合成氨装置的对流段尾端增加了一组预热工艺天然气盘管，改造后出对流段烟道气温度由223.5℃，下降到161.9℃；一段炉热效率提高约3.2%，全年可節约天然气54.8万m3，价值93万元。而改造投资费用38.6万元，投资回收期仅需5个月。第四.操作中，一、二段炉应整体考虑，一般来说，一段炉水碳比每下降0.1，吨氨少耗蒸汽51.6Kg；在保证催化剂安全和脱碳热负荷需要的前提下，尽量降低一段炉水碳比提高二段出口温度以保证二段转化气残余CH4合格。第五. 控制二段炉催化剂装填量。生产中往往认为催化剂装填得越多越好，但是当燃烧空间不够，空气与工艺气混合不均，二段炉总体转化效果将下降。如果适度减少催化剂装填量，增大燃烧空间，使空气与工艺气混合均匀，二段转化效果将有明显提高。
二、变换工段
变换反应是放热反应，降低温度有利变换反应的进行。选择起始活性温度低的中温变换催化剂（如B113-2低温催化剂，使用B113-2低温催化剂在中变炉进口及床层温度比使用B110-2催化剂降低18℃的条件下，在生产负荷相同的情况下，中变气出口一氧化碳由2.3-2.7%下降到1.9-2.4%，一氧化碳的变换率明显提高，同时也大大减轻了低变炉负担，有利于后工序生产）。因此，在中变工段的改进和优化方面建议使用低温催化剂。
三、脱碳工段
脱碳系统是合成氨生产装置的关键系统之一。近几年在两段吸收、两段再生的节能改良苯菲尔溶液法的装置中，不少厂家的吸收塔、再生塔仍使用三层散装鲍耳环的板式塔填料，这样的装置常常出现两塔阻力增加，产生泛液现象；溶液再生度较低，二氧化碳吸收能力下降，净化气二氧化碳含量上升，生产中常常出现减负荷的情况，导致系统消耗上升。目前，波纹填料的分离、吸收二氧化碳效率与散装鲍耳环的板式塔填料相比，增加了液体的均匀分布和填料润湿性能，具有持液量较小、阻力较低、吸收分解效果好以及操作性能稳定等优点，能提高传质效率。因而在其生产环节应进行如下改进和优化：第一、将散装鲍耳环更换为Y250型规整波纹多孔填料，由于规整波纹多孔填料比散装鲍耳环填料空隙率的自由截面大，利于气、液流通，也增加了气液接触面，有利溶液吸收或解吸再生。第二、严格管理脱碳溶液组分，及时调整脱碳溶液成分，提高脱碳溶液吸收二氧化碳效果。第三、加强脱碳溶液中杂质的过滤，避免因溶液杂质多而使塔阻力增加，产生泛液现象。
四、压缩机工段
合成氨生产能耗和产量的稳定性会直接受到压缩机工段的影响。较为常见的压缩机工段影响因素包括：第一、若压缩机倒机和开停机控制不理想，则系统气量会发生大幅度的波动，进而导致系统压力发生变化，当系统压力升高严重时，会导致一段炉蒸汽量瞬间大幅减少，而工艺天然气由于压缩机的加压做功系统压力升高影响较小，这样，一段炉水碳比就会立即下降，如果低于催化剂的保护值，保护连锁动作系统就会跳车停运；当压力降低严重时，会导致CO2吸收塔带液，威胁到甲烷化炉的生产。操作上，在压缩机倒机和开停机控制过程中，利用压缩机的回路控制好氢氮段进气压力，力求压力平稳，避免系统出现较大波动。第二、加强压缩机各段的积油、积炭清洗，油水的按时排放，避免压缩机打气量差，电耗增加，甚至损坏压缩机。第三、当生产负荷不足时，压缩机空气段的放空应在压力低级段放空，避免在加压做功后才放掉，导致电耗增加。
五、氨合成工段
通常可从下述几个方面着手对氨合成工况进行优化改进：第一，加强进塔气体成分的控制，为装置提供理想气源。第二，在低空速、高氨净值运行的基础上，使用高效分离、冷却设备。第三，加强触媒升温还原和装填工作，避免气体偏流，减小径向及轴向温差，从而充分发挥出触媒的活性。第四，联合使用高性能触媒和高效内件，以低空速、高氨净值的方式运行，减少压缩电耗和循环电耗，缓解合成系统压力。
六、系统尾气的处理
合成氨系统尾气的处理各厂根据自身实际情况各不相同。目前，我厂使用的合成驰放气和氨罐闪蒸气联合回收方法是利用驰放气膜分离法分离后的回收尾气减压至2.0 MPa作为氨罐闪蒸气回收补充动力气，这样能增加合成驰放气和氨罐闪蒸气回收效率，提高企业经济效益和竞争能力；同时还减少了稀氨水产生，减轻了氮肥企业处理稀氨水的压力，是一项非常理想的环保节能项目。其回收处理方法为：来自合成一氨分经过气液分离后的合成驰放气经调节阀减压、脱盐水洗涤后，其氨含量降到100ppm以下，再经过分离塔分离掉夹带的水后，用低压蒸汽将其加热到35℃-50℃，再进入膜分离管，易渗透的氢从膜管束外部渗透到中心，并汇集后经调节阀降压到与甲烷化气压力相等 ，与甲烷化气一并被压缩机加压后进入合成系统；而不易渗透的氩气、甲烷气 和氮气等尾气则从膜管束外另一端引出，压力仍为11MPa，再被调节阀减压到2.0 Mpa左右，去微动力氨回收装置作透平膨胀机的动力气源——解吸气。2006年我厂采用中科院物化所开发的深冷微动力氨回收技术，利用中高压气体节流膨胀制冷、气体中氨与其他组分冷凝液化温度不同的原理，进行回收氨罐闪蒸气中的气氨，回收气氨纯度99.6%以上，经冰机加压冷凝变为液氨；回收后，氨含量小于0.4%的尾气全部返回一段炉作燃料气，氨罐闪蒸气中的氨回收率达97.8%以上，其回收气氨的效果十分理想。
七、合成氨技术的发展趋势
1.低能耗与生产环境将是未来合成氨装置技术未来发展的主流方向。其生产设备向大型化、集成化、自动化方向发展。
2.以“油改气”和“油改煤”为主的原料结构调整和以产品再加工为核心的结构的调整，是企业增强竞争力的最有效途径之一。
3.清洁生产是未来合成氯装置发展的必然的，也是惟一的途径。在生产过程中不生成或减少副产物，废物。实现或接近“零排放”。清洁生产已经成为未来工业产业重视的问题。国内外企业都将清洁生产作为企业发展的一个重要目标。
总结
综上所述，在综合分析合成氨生产环节系统影响因素的基础上，探讨生产工艺的优化措施，有助于生产过程可操作性和针对性的提高，能够明显提高合成氨生产企业的经济效益，达成节能降耗的目标。
参考文献
[1]蒋德军．[J]．大氮肥，1997，(5)：297-300．
[2]亢万忠，蒋德军．[J]．大氮肥，1997，(6)：372-376.
[3]蒋德军．[J]．现代化工，2002，22(6)：39-48．
[4]王庭富．[J]．化工进展，2001，20(8)，6-8．
关键词：合成氨生产影响工艺优化
中图分类号：TE1文献标识码： A
随着我国经济的不断发展，社会各个生产环节对于资源、能源的需求量不断增加，由于资源、能源的相对有限，因而社会对于提高资源、能源利用效率也越来越关注，所以，天然气加压直接转化法制造合成氨的生产影响因素分析和生产优化工作受到了较多的关注。
一、转化工段
天然气加压直接转化法制造合成氨，转化工段是重中之重，对合成氨装置节能降耗起到关键作用，它是在转化催化剂作用下的强吸热反应，其反应式为CH4+H2O=CO+3H2-206.29KJ/mol，在一段炉反应中，需要天然气与空气混合燃烧为转化管提供热量。因而在其生产环节应进行如下改进和优化：第一.控制适当的炉膛负压，既满足天然气燃烧有充足的氧含量，又让对流段热量能得到充分回收。第二.由于运行过程中辐射段热能回收部分的换热器内管壁结垢，保温材料附着在外管壁，对流段盘管换热效果逐渐变差，吸收热量减少，出对流段烟道气温度升高，导致热能损失，因此利用大修停车机会应进行内管壁化学清洗、外管壁空气清扫以提高热能回收效果。第三.如果发现对流段出口烟道气温度偏高，热能损失偏大，可通过调节炉膛负压、有条件可增加一组预热燃烧空气、预热工艺天然气盘管等方法来回收热量。我厂于2007年利用系统大修机会，对一套合成氨装置的对流段尾端增加了一组预热工艺天然气盘管，改造后出对流段烟道气温度由223.5℃，下降到161.9℃；一段炉热效率提高约3.2%，全年可節约天然气54.8万m3，价值93万元。而改造投资费用38.6万元，投资回收期仅需5个月。第四.操作中，一、二段炉应整体考虑，一般来说，一段炉水碳比每下降0.1，吨氨少耗蒸汽51.6Kg；在保证催化剂安全和脱碳热负荷需要的前提下，尽量降低一段炉水碳比提高二段出口温度以保证二段转化气残余CH4合格。第五. 控制二段炉催化剂装填量。生产中往往认为催化剂装填得越多越好，但是当燃烧空间不够，空气与工艺气混合不均，二段炉总体转化效果将下降。如果适度减少催化剂装填量，增大燃烧空间，使空气与工艺气混合均匀，二段转化效果将有明显提高。
二、变换工段
变换反应是放热反应，降低温度有利变换反应的进行。选择起始活性温度低的中温变换催化剂（如B113-2低温催化剂，使用B113-2低温催化剂在中变炉进口及床层温度比使用B110-2催化剂降低18℃的条件下，在生产负荷相同的情况下，中变气出口一氧化碳由2.3-2.7%下降到1.9-2.4%，一氧化碳的变换率明显提高，同时也大大减轻了低变炉负担，有利于后工序生产）。因此，在中变工段的改进和优化方面建议使用低温催化剂。
三、脱碳工段
脱碳系统是合成氨生产装置的关键系统之一。近几年在两段吸收、两段再生的节能改良苯菲尔溶液法的装置中，不少厂家的吸收塔、再生塔仍使用三层散装鲍耳环的板式塔填料，这样的装置常常出现两塔阻力增加，产生泛液现象；溶液再生度较低，二氧化碳吸收能力下降，净化气二氧化碳含量上升，生产中常常出现减负荷的情况，导致系统消耗上升。目前，波纹填料的分离、吸收二氧化碳效率与散装鲍耳环的板式塔填料相比，增加了液体的均匀分布和填料润湿性能，具有持液量较小、阻力较低、吸收分解效果好以及操作性能稳定等优点，能提高传质效率。因而在其生产环节应进行如下改进和优化：第一、将散装鲍耳环更换为Y250型规整波纹多孔填料，由于规整波纹多孔填料比散装鲍耳环填料空隙率的自由截面大，利于气、液流通，也增加了气液接触面，有利溶液吸收或解吸再生。第二、严格管理脱碳溶液组分，及时调整脱碳溶液成分，提高脱碳溶液吸收二氧化碳效果。第三、加强脱碳溶液中杂质的过滤，避免因溶液杂质多而使塔阻力增加，产生泛液现象。
四、压缩机工段
合成氨生产能耗和产量的稳定性会直接受到压缩机工段的影响。较为常见的压缩机工段影响因素包括：第一、若压缩机倒机和开停机控制不理想，则系统气量会发生大幅度的波动，进而导致系统压力发生变化，当系统压力升高严重时，会导致一段炉蒸汽量瞬间大幅减少，而工艺天然气由于压缩机的加压做功系统压力升高影响较小，这样，一段炉水碳比就会立即下降，如果低于催化剂的保护值，保护连锁动作系统就会跳车停运；当压力降低严重时，会导致CO2吸收塔带液，威胁到甲烷化炉的生产。操作上，在压缩机倒机和开停机控制过程中，利用压缩机的回路控制好氢氮段进气压力，力求压力平稳，避免系统出现较大波动。第二、加强压缩机各段的积油、积炭清洗，油水的按时排放，避免压缩机打气量差，电耗增加，甚至损坏压缩机。第三、当生产负荷不足时，压缩机空气段的放空应在压力低级段放空，避免在加压做功后才放掉，导致电耗增加。
五、氨合成工段
通常可从下述几个方面着手对氨合成工况进行优化改进：第一，加强进塔气体成分的控制，为装置提供理想气源。第二，在低空速、高氨净值运行的基础上，使用高效分离、冷却设备。第三，加强触媒升温还原和装填工作，避免气体偏流，减小径向及轴向温差，从而充分发挥出触媒的活性。第四，联合使用高性能触媒和高效内件，以低空速、高氨净值的方式运行，减少压缩电耗和循环电耗，缓解合成系统压力。
六、系统尾气的处理
合成氨系统尾气的处理各厂根据自身实际情况各不相同。目前，我厂使用的合成驰放气和氨罐闪蒸气联合回收方法是利用驰放气膜分离法分离后的回收尾气减压至2.0 MPa作为氨罐闪蒸气回收补充动力气，这样能增加合成驰放气和氨罐闪蒸气回收效率，提高企业经济效益和竞争能力；同时还减少了稀氨水产生，减轻了氮肥企业处理稀氨水的压力，是一项非常理想的环保节能项目。其回收处理方法为：来自合成一氨分经过气液分离后的合成驰放气经调节阀减压、脱盐水洗涤后，其氨含量降到100ppm以下，再经过分离塔分离掉夹带的水后，用低压蒸汽将其加热到35℃-50℃，再进入膜分离管，易渗透的氢从膜管束外部渗透到中心，并汇集后经调节阀降压到与甲烷化气压力相等 ，与甲烷化气一并被压缩机加压后进入合成系统；而不易渗透的氩气、甲烷气 和氮气等尾气则从膜管束外另一端引出，压力仍为11MPa，再被调节阀减压到2.0 Mpa左右，去微动力氨回收装置作透平膨胀机的动力气源——解吸气。2006年我厂采用中科院物化所开发的深冷微动力氨回收技术，利用中高压气体节流膨胀制冷、气体中氨与其他组分冷凝液化温度不同的原理，进行回收氨罐闪蒸气中的气氨，回收气氨纯度99.6%以上，经冰机加压冷凝变为液氨；回收后，氨含量小于0.4%的尾气全部返回一段炉作燃料气，氨罐闪蒸气中的氨回收率达97.8%以上，其回收气氨的效果十分理想。
七、合成氨技术的发展趋势
1.低能耗与生产环境将是未来合成氨装置技术未来发展的主流方向。其生产设备向大型化、集成化、自动化方向发展。
2.以“油改气”和“油改煤”为主的原料结构调整和以产品再加工为核心的结构的调整，是企业增强竞争力的最有效途径之一。
3.清洁生产是未来合成氯装置发展的必然的，也是惟一的途径。在生产过程中不生成或减少副产物，废物。实现或接近“零排放”。清洁生产已经成为未来工业产业重视的问题。国内外企业都将清洁生产作为企业发展的一个重要目标。
总结
综上所述，在综合分析合成氨生产环节系统影响因素的基础上，探讨生产工艺的优化措施，有助于生产过程可操作性和针对性的提高，能够明显提高合成氨生产企业的经济效益，达成节能降耗的目标。
参考文献
[1]蒋德军．[J]．大氮肥，1997，(5)：297-300．
[2]亢万忠，蒋德军．[J]．大氮肥，1997，(6)：372-376.
[3]蒋德军．[J]．现代化工，2002，22(6)：39-48．
[4]王庭富．[J]．化工进展，2001，20(8)，6-8．