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浅谈以煤为原料的氨合成工艺技术及发展趋势

王辉

（安徽昊源化工集团有限公司，安徽阜阳，236056）

摘要：本文阐述了以煤为原料的氨合成工艺技术，我国氨合成装置现状及合成原理，典型固定床气化系统高压氨合成和航天炉气化系统低压氨合成的运行状况对比及未来氨合成技术发展趋势。

关键词：氨合成；工艺对比；技术趋势

我国合成氨工业已走过了六十年的路程，从小到大、从弱到强，单套装置能力从3000吨/年发展到60万吨/年。根据中国氮肥协会统计2017年合成氨、氮肥和尿素产量分别达到5629.8万吨、3820.5万吨和5337.1万吨（实物）。我国粮食连年丰收增产，一是靠国家支农、惠农、护农政策，二是靠优良品种，三是靠化肥支撑。

1 我国氨合成装置现状

1.1 主要采用的氨合成技术

我国氨合成采用的工艺技术主要有引进国外的kbr、topsøe、casale和国内具有自主知识产权的ⅲjd（安淳）、gc（国昌）、jr（正元）、dc（聚拓）等。

1.2 我国目前在60万~70万吨/年等级的氨合成装置上已实现了国产化

我国氨合成工艺有其特点，主要是煤气化工艺和往复式压缩机造成的气体质量较差，装置规模偏小，操作弹性要求较高等问题，国内氨合成工艺多年来随着整体技术进步，特别是针对煤头为原料的合成氨厂，逐步形成了自己的特色。

2 我公司合成氨发展现状

目前我公司拥有六套氨合成系统，固定床煤气化系统合成氨主要采用高压合成氨方法，包括φ1000 mm、φ1200 mm、φ1800 mm、φ2000 mm合成塔各一台，正常生产时合成工段压力高达26 mpa，造成系统在高压下运行，装置电耗较高，且存在较高的安全风险。为做到生产的安全、低耗运行，必须进行节能优化改造。为此，公司适时决定对氨合成系统进行节能项目改造，该项目采用了在国内具有专利的航天炉粉煤气化技术，配套φ2400 mm低压氨合成。其中合成氨工艺打破了以往高温高压的常规，合成设计压力15 mpa，根据压缩机功耗计算，吨氨耗气量为2635 nm³，合成压力由26 mpa降为15 mpa，大大提高了设备的安全性能，且吨氨副产2.50 mpa的蒸汽1.2 t。

3 氨合成的原理

氨的合成是整个合成氨流程中的核心部分。氨合成反应是一个体积缩小的、有催化剂存在的、可逆的、放热反应。在所给定的条件下，合成塔出口中氨含量达到13%~20%（mol），未转化的循环气返回合成塔以获得最多产品。

催化剂为铁系催化剂，合成催化剂由熔融的氧化铁制备，氧化铁中又含有作为稳定剂和助催化剂的钾、钙和铝等氧化物。催化剂在氧化态下装入合成塔内，在氨生产开始前必须将催化剂活化，活化是把氧化铁还原为单质的铁。

4 传统高压氨合成——典型固定床系统氨合成装置工艺

4.1典型固定床系统氨合成装置工艺流程为：

由铜洗、高压醇烷化送来的净化气，经新鲜气氨冷器冷却至8 ℃左右，进入新鲜气油分分离油水后，补入氨合成系统氨冷器出口，与氨冷器出口的-5 ℃左右的气流混合物汇合，利用混合物中的液氨洗涤补充气中微量co₂饱和水，再进入氨分离器进入二次分离液氨。分离下来的液氨送氨贮槽。分离氨后的气体送冷交换热器的上部换热器回收冷量，温度升至约28 ℃进入循环机，加压后经循环气油分分离油，油分出口气相分两路：一路气体进入塔前换热器；另一路进入氨合成塔筒体与内件之间环隙冷却塔壁。出来后前一路气体在塔前换热器内汇合，换热至约180 ℃进入氨合成塔内反应。约320 ℃的合成塔二出气进入废锅回收器副产蒸汽。约200 ℃的废锅回收器出口气进入塔前换热器加热入塔气，温度降至约85 ℃进入水冷器，约水冷器冷却降温至约35 ℃进入冷交换热器进一步降低温度。反应气中的氨大部分在水冷器和冷交换器中被冷凝，冷凝的液氨在冷交换热器下部被一次分离，分离下来的液氨送氨贮槽。分离后的气体送氨冷器进一步冷却，气相中的氨被进一步冷却，冷却到约-5 ℃的气液混合物与补充气汇合进入下一个循环。

4.2 典型固定床系统gc型ф2000合成装置主要设备参数

表1：ф2000合成装置主要设备参数

4.3 gc型ф2000合成运行工艺情况：

合成补充气分为两路：一路经铜洗装置后补充；一路经高压醇烷化精制后直接补充，两路合并后进入补充气氨冷器。目前ф2000合成补充气、循环气参数为（表2）：

表2：ф2000合成补充气、循环气组份参数

进入ф2000合成装置的补气流量为105000 m³/h（标态），补充气压力为22.5 mpa（表压），补充气温度≤30 ℃，循环气流量为480000 m³/h（标态），循环机出口压力为24.2 mpa（表压），温度35～40℃。

5 新型低压氨合成——航天炉煤粉气化工艺合成氨生产工艺

5.1 航天炉煤粉气化工艺合成氨生产工艺流程图

5.2 工艺流程特点

整个合成气从气化工段到变换脱去硫，并将co转化为co₂，进入低温甲醇洗工段，脱去co₂，然后合成气进入液氮洗工段脱去co，在各微量合格的情况下配入来自空分工段99.95%的液氮送入合成系统，进行生产。整个工艺流程简单，系统阻力小。合成塔出塔气体约为439~445 ℃.直接进入废锅产生3.8 mpa(g)的蒸汽，此时合成气温度降至250~260 ℃，再进软水加热器管层用来加热进废锅的给水，温度降至合200~300 ℃，合成气进入热交管内，温度降至70~80 ℃左右，再进水冷却器，温度降至37 ℃，依次进入冷交换器管层、一级氨冷器、二级氨冷器降温至-8~ -12 ℃，进入氨分离器进行液氨分离。分离后的气体进入冷交管间回收冷量与压缩机压缩段来气混合进入循环段。分离的液氨进入产品氨加热器回收冷量后送入氨库。整个过程的热量得到回收利用。合成压力从原来的26 mpa到设计值15 mpa，以及实际生产中最高未超过12 mpa，氨净值为16.5%—18%。合成塔设计压差0.25 mpa，系统压差0.85 mpa。实际满负荷生产中合成塔设计压差0.1 mpa，系统压差小于0.45 mpa。

5.3 ф2400低压合成装置实际生产过程各工艺参数

运行参数如下表所示：

6 两种氨合成工艺对比

6.1典型固定床煤气化系统氨合成装置特点：

（1）合成压力高（20~50 mpa）。

（2）惰性气体氩含量高，ch₄含量高，配备氨合成驰放气回收装置、膜提氢等以平衡系统h/n比。

（3）氨净值偏低，一般10%~15%。

6.2航天炉气化系统氨合成装置特点：

（1）合成压力低（10~15 mpa）。

（2）净化工序采用低温甲醇洗、液氮洗，整个流程净化效果好，惰性气体含量低，循环气量少，整个流程精简，系统阻力小。

（3）氨净值较高，一般13%~18%，反应热利用率高，装置能耗低。

（4）闪蒸槽有效的将闪蒸气送回压缩机一段进行回收，不仅节约了能源，而且大大降低了环境污染。

6.3航天炉气化系统氨合成对比固定床系统氨合成的主要技术特点：

（1）低压合成，降低消耗

合成压力从原来的26 mpa到设计值的15 mpa，以及实际生产中最高未超过12 mpa，氨净值为16.5%~18%。

（2）整个流程精简，系统阻力小，循环量相对较小。

（3）整个流程净化效果好，无驰放气，产品质量高。

净化工段采用低温甲醇洗和液氮洗净化工艺，从而保证co co₂≤10ppm，ch₄几乎为0，而且在液氮洗出口配入99.95%的液氮，整个过程无驰放气，且产品质量高。

（4）离心式压缩机，无油密封产品质量高，连续运行周期长，操作成本低。

（5）反应热利用率高，装置能耗低。

（6）控制先进，操作方便，合成塔温调节手段多样。

6.4航天炉气化系统氨合成对比固定床系统氨合成的主要设备特征：

（1）全径向合成塔内件

低压氨合成在氨合成动力学、径向流体力学及径向氨合成塔方面进行了创新。

（2）合成气离心式压缩机组采用中压汽轮机驱动的方式，操作方便，运行周期长。

（3）直连式废热锅炉不影响合成塔内件与废锅内件的安装与更换；节省了厚重的高压连接锻件。

（4）产品氨加热器

产品氨加热器有效的回收了液氨的冷量，将冷冻工段的液氨进一步降温后送氨冷器加氨，大大提高了氨冷器的冷却效果。

（5）开工加热炉加热速率快、安全、不易引起合成塔着火。

（6）闪蒸槽

闪蒸槽有效的将闪蒸气送回压缩机一段进行回收，不仅节约了能源，而且大大降低了环境污染。

7 氨合成技术未来发展方向

近期国外用于老厂更新换代、上大换小的主流新建合成氨装置单系列规模在3000~4000吨/天，并进一步向5000吨/天发展，氨合成技术近中期内也将适应这一趋势，开发更大规模的节能型工艺。更加强调节约投资、节能和环保。合成氨能耗不断向理论能耗靠近。“十三五”国内氨合成技术发展趋势：新建装置的主流规模为60万吨/年，也将开始100万吨级/年合成氨国产化示范工作，并已列入工业和信息化部《石化和化学工业发展规划（2016-2020）》国内60万吨级氨合成技术已基本成熟，今后重点是向国外先进水平看齐，开发年产百万吨以上的大型氨合成技术。

8结语

通过两种典型氨合成装置工艺对比，采用低压氨合成工艺的氨合成技术优势明显，在装置的大型化的同时也确保其更加安全、稳定、节能、环保。采用洁净煤气化的合成氨是中国特色、世界水平的先进技术，实践经验丰富，案例多，具备大型化开发和推广的条件。

作者简介：王辉，男，（1982.9~），本科学历，工程师，现任安徽昊源化工集团有限公司技术员，从事科技管理、技术开发等科学技术工作。

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