摘要：合成氨工业在国民生产生活中占据重要地位。由于合成氨反应条件较为苛刻，当前合成氨设备能耗较高，且部分设备较易出现故障，从而导致合成氨生产成本增加。为了探寻合成氨生产节能增效的有效措施，文章以某化工厂合成氨车间为例，详细梳理了该厂合成氨的最新工艺流程，归纳了近年来该厂在合成氨设备方面所做的改进，并初步提出了后续可能的改进设想。
关键词：合成氨,工艺流程,设备改进,节能增效
0引言
氨在国民生产生活中具有举足轻重的地位，其重要性体现在多个方面。氨是氮肥、氮磷复合肥的主要原料，铵根离子是自然界中氮元素的一种重要形态，流通于植物、土壤以及大气中，能被植物快速吸收，为植物提供营养。氨还可以作为工业制冷剂运用于大型制冷系统中。此外，氨也是多种工业原料的合成基础物质，如硝酸、塑料、清洁剂与漂白剂、氨基酸等。上述产品将广泛运用于医药、纺织、军工以及化妆品等行业。因此，合成氨工业在国民经济中占有非常重要的地位，对全球农业、工业、生命健康产业等都能产生重要影响。
合成氨工艺始于原料气的制备。原料气中的主要成分为氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、硫化氢、煤焦油及少量杂质[1]。经过水洗降温等初步净化后，在静电除焦环节除去煤焦油及少量杂质；经脱硫工段除去大部分(约80%)硫化氢；在变换工段通过触媒将一氧化碳转变为容易脱除的二氧化碳，同时产生氢气，再通过除氧器脱除氧气[2]。随后，经变换后的脱硫装置进一步脱除变换气中的硫化氢，由脱碳工序脱除剩余的二氧化碳。原料气经过精炼，通过醋酸铜氨液吸收微量一氧化碳、二氧化碳及硫化氢后，实现合成氨原料气的最终净化，进入合成工序进行氨的合成[3-4]。上述过程是合成氨的经典工艺，近年来使用的新工艺均在此基础上进行了较大改进。
由于氨的合成是利用氮气与氢气在高温、高压以及催化剂存在的条件下进行的，且该反应是一个可逆反应，因此合成过程对反应物与产物的浓度以及反应条件提出了较高的要求。合成氨设备在这一过程中处于重要地位。合成氨工艺较为复杂，反应条件较为严苛，合成氨设备的能耗通常较高。2020年9月22日，习*平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上郑重宣示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”该战略倡导绿色低碳及环保的生产生活方式，致力于建立一个资源节约型、环境友好型社会。因此，在当今时代背景下，如何在保证合成氨质量和效率的前提下降低合成氨设备的能耗，成为生产过程中的一个热点问题。
本文以某化工厂合成氨车间为例，详细归纳了该工厂当前采用的合成氨工艺的主要流程，并深入介绍了该工厂为降低合成氨设备能耗以及生产成本所采取的措施，旨在为合成氨装置的节能降耗、增效、减排、提产提供有益的思路。
1合成氨工艺流程
该工厂当前采用的合成氨工艺流程主要步骤如下：原料气的制备、原料气的净化、原料气的精炼、氨的合成与分离。
1.1原料气的制备
合成氨工艺的第一步是原料气的制备。该步骤以煤炭为原料，经过气化反应，得到的主要产物为CO与H2。
1.2原料气的净化
由化学方程式(1)可知，制备得到的原料气中含有CO2、CO以及含硫等杂质，这些含碳杂质对氨的合成具有较大的副作用。因此，需要对原料气进行彻底的净化处理。
1.2.1除碳
由于CO的性质，直接脱除原料气中的CO难度较大。因此，在合成氨工艺中，通常通过变换工序，先将原料气中的CO转化成相对容易脱除的CO2，反应方程式如式(2)所示：
CO+H2O→CO2+H2(2)
该反应不仅能将CO转化成CO2，反应过程中生成的H2也可作为合成氨的原料，为后续的合成工序提供原料。随后，将产生的CO2利用经典工艺(如氨水、碳酸丙烯酯、碳酸钾等溶液湿法吸收)或新装置常用的低温甲醇洗涤工艺进行脱除。
1.2.2脱硫
常见的脱硫方法主要为物理化学吸收法以及低温甲醇洗法。物理化学吸收法利用石灰消化后加水制成石灰乳，并在吸收塔内被雾化成液滴。液滴与SO2发生反应生成CaSO3，也可利用纯碱溶液与H2 S、SO2发生化学反应，生成Na2 S2O3脱除原料气中的H2 S、SO2，副产硫磺，达到脱硫的目的。低温甲醇洗法是利用甲醇在低温环境下可很好地溶解酸性气体的特性来除去SO2与H2 S[5]。该公司现采用的方法为低温甲醇洗工艺。
1.3原料气的精炼
原料气经过净化后，还存在一些微量的杂质，如CO、CO2、H2O等。这些物质会对合成氨的催化剂产生毒害作用。为了降低上述毒害作用，有必要对原料气进行精炼处理。常用方法有深冷液氮洗法、铜氨液吸收法以及甲烷化法[6]。该公司现采用的方法为深冷液氮洗法。
1.4氨的合成
经过净化、精炼后，原料气中剩下高纯度的H2和由空分装置制得的高纯N2。在高温高压且有催化剂存在的条件下，进行氨的合成。该反应为可逆反应，平衡状态下，混合气体中的氨含量仅有10%～20%[7]。为提升氨的合成速率与效率，生产中常使用氮气和氢气循环系统配置合成氨。
1.5氨的分离
由于利用N2与H2合成氨的反应是可逆反应，受条件影响，合成过程中，只有一部分H2与N2可生成氨。为避免浪费，需要将生成的氨及时分离，尽量降低混合气中氨含量，促使化学平衡向正反应方向移动，从而提升氨的合成效率。氨的常用分离方法有水吸收法以及冷凝分离法。目前，该合成氨厂采用的方法为冷凝分离法，即利用冷却剂降低氨的温度，使得该压强状态下混合气中的气态氨转变为液态氨。经过氨分离器后，即可实现混合气中NH3与H2、N2的分离。同时，该方法利用产品气的高热能给进系统的原料气升温，实现热能利用，成本较低，操作工艺简便可控，同时也具有较高的安全性[8]。
2合成氨设备节能增效措施实例
2.1氨水提浓泵密封形式改进
该公司合成氨某生产线氨水提浓泵机械密封出现频繁泄漏的问题。经过现场查验和研究，发现泄漏的原因如下：(1)操作手法不统一、技能水平参差不齐，导致泵进口液位波动大，使得泵间断抽空；(2)提浓泵密封方式选用错误，机械密封不适用于当前环境。这导致每周需更换机械密封3次以上。
基于上述原因，该公司对提浓泵密封形式进行了改造，将机械密封改造为动力密封。动力密封结构简单、运行时密封效果好、检修方便、配件价格低廉，且设备运行时可实现无泄漏。此外，还优化了操作方法，加强了技能培训，保持提浓泵进口液位稳定，确保生产过程中不出现抽空现象。改造前后设备运行维护成本对比如表1所示。
2.2热水泵选型优化
该公司某合成氨产线热水泵频繁出现泄漏故障，故障率极高，每周需更换一次机械密封。经现场分析发现，出现上述故障的原因主要有两点：(1)设备密封选型错误，现场选用非平衡式机械密封；(2)相同设备配置功率过大，达到75 kW。
基于上述分析，该公司对该泵进行了型号更换，将原来的IH型离心泵更换为ZA型离心泵。同时，将电机功率由75 kW调整至45 kW。在保证生产安全以及生产效率的前提下，利用部件组装泵头，自制泵座后与现场闲置的电机组装，配管后投入使用。改造前后设备运行维护成本对比，如表2所示。
2.3主热交换器与中变三通等设备选材优化
该公司原料气净化工序中，主热交和中变三通设备相继出现泄漏问题，导致产线频繁停车处理。经现场对换下的三通进行解剖分析，发现三通穿孔的原因是冷气中的水在主管壁形成壁流。进一步进入主热交内部检查，发现主热交下箱体蒸汽进口缺乏分布器，导致蒸汽直接进入时冲刷下箱体。同时，由于箱体材料(16MnR)的耐酸性腐蚀性能有限，这两方面因素共同作用，导致了下箱体的泄漏。
基于上述分析，公司提出了以下改进方案：(1)对箱体内壁进行堆焊修复，并覆盖一层高分子纳米膜(纳米防腐卷材)，以隔绝介质，解决箱体腐蚀问题；(2)设计并安装管式分布器于设备蒸汽进口处，以消除蒸汽直接冲刷箱体的弊端；(3)及时修改三通制作方案，采取在副线管口下增加环形板、加长管道伸入长度等措施，以延长三通的使用周期。经过改造，设备的使用周期由3个月延长至一年以上。
2.4压力能的回收利用
在压力能的回收利用方面，该公司老线的湿法脱碳和精炼工序均有成熟的实践。特别是精炼工序，该工序在约13.5 MPa的压强下运行，通过一台160 kW的往复泵和一台差压泵，将一定量的醋酸铜氨液(简称铜液)输送到铜塔中，与经过初步净化的原料气中的微量CO、CO2发生化学反应。反应达到一定程度后，铜液被排出铜塔进入再生系统再生。经过铜液净化后的合格原料气被输送到合成工序。
铜液再生是在0.1～0.2 MPa的压强下，通过蒸汽加热完成的。在这一过程中，铜液从铜塔内约13.5 MPa的压强吸收CO、CO2，下降到0.1～0.2 MPa的压强下再生，存在约13.0 MPa的压力能可以回收利用。该公司两套精炼装置均设置了压力能回收利用的设备—差压泵，即利用高压强的铜液转变为低压强铜液时释放的约13.0 MPa的压力能，将再生后的铜液输送回铜塔进行原料气的净化。如果不利用这部分压力能，系统将需要增加一台160 kW的往复泵来完成铜液的输送，以保证精炼工序的正常运行。通过利用好上述压力能，系统每年可节省约1.27×105 kW·h的电能。
此外，该公司湿法脱碳工艺的CO2吸收和溶液再生的原理与精炼工艺基本相似，但工作压强有所不同。在CO2吸收时，工作压强仅为2.7 MPa左右。溶液再生同样在0.1～0.2 MPa的压强下需蒸汽加热，从脱碳塔出液到再生存在约2.5 MPa的压力能，同样具备回收的可能性。在湿法脱碳的能量回收中，与精炼的方式有所不同，一般采用以下两种方式：(1)在脱碳贫液泵进口增设一台增压泵，增压泵用液力透平装置拖动，利用脱碳塔出液到再生存在的2.5 MPa的溶液压力能，对贫液泵进口进行增压，实际上提高了贫液泵的扬程和流量，降低了贫液泵电机的功耗，达到节省电能的目的；(2)直接在贫液泵电机尾端串联一台液力透平装置，利用脱碳塔出液到再生系统存在的2.5 MPa的溶液压力能驱动透平装置，直接为贫液泵电机提供助力，同样可实现节约电能的目的，每年可降低电耗约2.22×106 kW·h。
3结语
合成氨工业在国民经济与社会生产生活中占据重要地位。合成氨苛刻的反应条件对设备及工艺提出了高要求。为了在保证安全的前提下提升合成氨生产效率、降低生产成本，探寻合成氨生产节能增效措施具有重要意义。本文整理归纳了该工厂最新的合成氨工艺，并总结了近年来针对合成氨设备的改进与优化成果。结果表明，设备选型、密封方式、设备功率等参数应适应生产现场的实际条件。同时，在保证生产安全以及生产效率的前提下，对不适应生产现场的设备和操作方法进行持续改进，可延长设备运行周期。此外，虽然新老合成氨装置存在差异，但也存在相似之处。老装置中压力能的回收利用经验，新装置同样可以借鉴。例如，新装置中的低温甲醇洗T1601富甲醇、半贫甲醇在进入下一工序过程中存在约5.8 MPa的压力能可回收，回收方式可借鉴老装置湿法脱碳的压力能回收方法，进一步降低能耗、减少排放，实现降耗、环保、增效三赢的目标。
参考文献：
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[2]熊凯，史留勇，张燕.海南合成氨生产设备的低碳改造分析[J].热带农业工程，2017，41(1)：49-51.
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[4]韦佳宁.合成氨工业节能减排技术探析[J].中国设备工程，2024(14)：227-229.
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[6]张婷.煤化工合成氨工艺分析及节能优化对策[J].中国石油和化工标准与质量，2023，43(3)：146-148.
[7]杨旭，马志鹏.煤化工合成氨工艺分析及改造[J].数字化用户，2017，23(38)：102.
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