0 引言

合成氨是一种重要的无机化工原料，也是生产化肥的核心原料之一。目前合成氨主要是以天然气、煤炭、焦炭为原料进行生产，可以分为造气、空分、脱硫、脱碳、气体精制、合成等工序，在生产过程中需要经过多工序循环并排放出大量的二氧化碳，整体的生产工艺流程较为复杂、生产成本较高。随着全球化环境保护问题的日益突出，现有的合成氨工艺技术已经难以满足绿色环保、底本高效的生产需求，迫切需要进行技术升级。

本文以某200kt/a合成氨装置为研究对象，针对其变压吸附装置提氢能力差、氢气损耗大，合成氨生产能耗高、成本高的不足，对合成工艺及变压吸附提氢装置进行了升级优化。减少了在反应过程总的无效循环，提升了对二氧化碳的循环使用，显著的降低了合成氨的单位能耗，初步实现了高效、底本合成氨的批量生产。

1 工艺原理分析

目前常用的合成氨生产包括了3个核心工序，工序1是含氮含氢原料气的制备，工序2是原料气的净化，工序3是氨的合成。合成氨的整体工艺流程如图1所示。

图1 合成氨工艺流程图

在工作时首先把煤打碎，然后按设定的比例加入水和添加剂后一起放入棒磨机中进行研磨，用于制备含氮和含氢的原料气。在次过程中煤浆和氧通过部分氧化反应来获取粗合成气。煤浆爱刚在加压以后和空分送来的高压氧一起通过烧咀进入到气化炉中，在气化炉内煤浆和氧混合发生如下反应^[1]：

该反应的进行需要特定的温度和压力，在完成反应后会生成一氧化碳、氢气、二氧化碳、水以及甲烷、硫化氢等气体。这些混合气体从气化炉出来后进入到激冷室进行水浴，在经过冷水降温并形成水蒸气饱和后再出气化炉。这些气体在经过缓冲罐、分离器、洗气塔的洗涤后传输到变换工段。

在气化工段中的氢气含量不足，因此在该工段需要增加氢气的量，然后把原料气进行过滤处理，除去其中所含的各类杂质和有毒成分，获取纯净的氮氢混合气体，这些气体经过脱硫、变压吸附等进行提氢，最后再经过氨的合成，得到所需的液氨。

2 技术优化分析

2.1 提氢工艺技术改造

目前的PSA提氢装置的最大处理能力在80000m³/h，无法满足满负荷生产的需求。因此引入了新的氮气再生加微动力回收工艺技术，在系统中增加了4个净化段吸附塔，1台氢气回收压缩机并增加了启动程控阀等控制设备，使提氢装置的最大处理能力达到了满负荷生产时最大需求的1.2倍，保证了各种工况下的生产稳定性。改造后的提氢装置工艺流程如图2所示。

图2 改造后提氢装置工艺流程图

在改造后，PSA1段采用了22-4-13-2P的流程，包括了22个吸附塔，其中4个塔用于吸附，13个塔用于均压，通过双塔氮气吹扫再生流程确保了再生效果的有效性。在PSA2段采用了17-3-10-2P的流程，包括了17个吸附塔，其中3个塔用于吸附，10个塔用于均压。

2.2 合成工艺优化

为了最大限度的利用反应过程中溴化锂^[2]的冷量，降低合成冰机的负荷，因此把合成软水加软水冷器装置更改为溴化锂冷却装作，同时把冷却温度更低的溴化锂冷却放到了蒸发冷后侧，实现了对溴化锂冷量的合理利用，减少了在生产过程中的制冷能耗。

2.3 空分吸风口改造

空分装置吸风口处于变压吸附装置提氢放空气道的南面，当有风的时候烟道所排放的二氧化碳会进入到空分装置中，在空分装置内形成二氧化碳固态结晶，导致空分装置的工况异常。极易导致氮气中的氧含量超标，因此将空分装置吸风口的管道升高25m，使其高于提氢放空烟道约20m，避免了二氧化碳的集聚。

2.4 气化激冷水技术改造

为了解决气化激冷水处理池絮凝效果差、机泵易堵塞等问题，引入了目前行业最先进的地上沉降槽加离心机工艺技术^[3]，同时增加了2个渣水中转罐、1个地上沉降槽和1个离心机，满足激冷水的处理要求。

3 优化前后效果分析

3.1 提氢装置改造前后对比

在完成提氢装置的改造后，单炉生产过程中的吸附循环时间显著增加，而且各个阀门的运行稳定性高，氢气的回收率高，满足了在满负荷生产情况下的氢气回收要求。改造后系统出口处的二氧化碳含量由最初的0.6%降低到了0.3%左右。

优化后一段吸附循环的时间由最初的484s提升到了938s；二段吸附循环^[4]时间由最初的1512s提升到了3611s。整体的吸附时间增加了一倍以上，可以显著的减少反应过程中的再生次数，从而降低了再生时候的有效气损耗。气化炉在生产时的满负荷产量由最初的78t/班增加到了96t/班，整体的产率增加了23.1%；生产过程中的吨氨煤耗量由最初的1540kg降低到了1410kg，能耗降低了8.4%；生产过程中的吨氨耗电量由最初的1360kW.h降低到了1210kW.h，能耗降低了11.03%，生产过程中的综合能耗比优化前降低了29.1%，能耗水平显著的降低。

根据统计，在优化后整套PSA提氢装置在入塔原料气温度下操，其产出的氢气压力大于1.7MPaG，整个装置的阻力降小于0.04MPa，产出氢气中二氧化碳的含量小于0.15%。

3.2 合成工艺改造效果分析

在对合成工艺进行改造后，冷交钱进口处的温度由最初的40℃降低到了目前的27℃，有效的降低了制冰机的负荷，减少了生产过程中的电能消耗。而且在系统中增加合成循环机^[5]后，能够更加精确的对触媒温度进行控制，不仅能够增加冷却循环量，而且每小时还能节约200kW的电能。

3.3 气化激冷水改造效果分析

在完成气化激冷水改造以后，激冷水的水质有了显著的改善，水中的悬浮物由最初的200mg/L降低到了目前的50mg/L以内。机泵设备的运行效率比优化前有了显著提升，机泵的维修周期从最初的5天延长到了目前的15天，有效减少了设备维护成本。

3.4 优化后经济效益分析

在完成系统优化后，液氨生产时的单位综合能耗降低了433kg标准煤，比优化前降低了27.4%，每年可节约标准煤约66kt。同时可以利用余热发电约4800万kW.h，化工厂的综合生产成本可以降低500万元/a。在进行改造后的综合效益评估如表1所示。

表1 综合改造效益分析

通过分析可知，在优化后，每年可带来的经济效益高达7110万元，合成氨的生产成本比优化前降低了390元/t，显著的提升了合成氨的生产经济性。

4 结论

针对传统合成氨工艺生产过程中单位能耗高、经济性差的不足，在对合成氨工艺流程进行分析的基础上提出了提氢工艺技术改造、合成工艺优化、空分吸风口改造、气化激冷水技术改造等，通过实际应用表明：

(1) 合成氨生产包括了含氮含氢原料气的制备、原料气的净化、氨合成3个核心工序；

(2) 通过提氢工艺技术改造、合成工艺优化、空分吸风口改造优化、气化激冷水技术改造优化等能够实现对合成氨工艺流程的优化，减少了反应过程中的能耗。

(3) 优化后能够将合成氨的生产综合能耗降低29.1%，将合成氨的生产成本降低390元/t，每年可产生经济效益约7110万元。

参考文献

[1] 宋栋东.合成氨工艺技术的现状及发展趋势［J］.山西化工，2022，42（5）：31-33.

[2] 梁奇雄,钟利丹.合成氨工业发展现状及重要性探讨［J］.内蒙古石油化工，2018，44（2）：51-52.

[3] 薛智英.煤化工合成氨工艺分析及节能优化措施研究［J］.装备维修技术，2020，（1）：106-109.

[4] 张英俊.合成氨生产工艺节能增效综合改造的探索［J］.化工管理，2019，（8）：52-53.

[5] 尤永平，韩冬敏，董艳伟.等.合成氨装置氨冷冻系统带水的原因及应对措施［J］.石化技术与应用，2015，33（4）：332-335.