熊啟海 (山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

針對合成氨生產(chǎn)過程的節(jié)能降耗，除了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整外，還應(yīng)當注重技術(shù)的更新。目前來看，我國各行業(yè)已經(jīng)逐步進入生態(tài)文明建設(shè)總目標中，并強調(diào)深入推進節(jié)能降耗、減排環(huán)保工作的落實，利用技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備改造以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的方式降低生產(chǎn)過程中的高能耗、高污染問題。合成氨生產(chǎn)行業(yè)作為新時期重要的能源來源渠道，務(wù)必做好領(lǐng)頭效應(yīng)，緊跟時代需求進一步優(yōu)化合成氨過程。為實現(xiàn)可持續(xù)性的效益增值，還應(yīng)當制定長遠性目標，除了合成氨外還需改善其相關(guān)增效，完善技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 傳統(tǒng)合成氨生產(chǎn)過程中存在的問題

合成氨生產(chǎn)行業(yè)對于能源的消耗相對較大，且會產(chǎn)生大量廢氣，不僅違背我國資源利用最大化戰(zhàn)略，還會產(chǎn)生額外的廢氣影響，針對廢氣的處理又會消耗一定的能源。其中比較常見且量大的廢氣為CO和H2，傳統(tǒng)合成氨生產(chǎn)工程對于廢氣的處理并不科學(xué)，為對其進行價值分析和回收，進一步加劇環(huán)境破壞，還會導(dǎo)致資源浪費，不利于可持續(xù)經(jīng)濟的發(fā)展。合成氨生產(chǎn)會造成大量能源消耗，如：工藝水、油、冷卻水、加熱蒸汽、設(shè)備電耗以及儀表空氣等，占據(jù)總成本的70%。以某一傳統(tǒng)合成氨工廠為例，在生產(chǎn)的過程以水煤氣為主，對于氨氮比例控制時主要采用氨水吸收，從而實現(xiàn)CO2換氣，再進行脫碳處理。該工廠在技術(shù)方面進行過一次創(chuàng)新，加入變壓吸附脫碳技術(shù)，并在生產(chǎn)效率方面起到顯著效果。能耗問題有所緩解，但仍舊無法實現(xiàn)吸附氮和二氧化碳的目標，變壓吸附裝置成本較高。

2 節(jié)能降耗必要性分析

2.1 合成氨工藝改進需求

合成氨工藝生產(chǎn)具有兩大特征，這兩大特征也是落實節(jié)能降耗的主要方向。第一是連續(xù)性、系統(tǒng)性特征。在進行原料處理時需要進行多道持續(xù)性操作，完成脫硫、凈化后進入合成系統(tǒng)實現(xiàn)氨合成反應(yīng)，再對一些氣體和剩余原料進行反復(fù)利用，最終獲得合成氨。在此過程中一旦出現(xiàn)紕漏或某一道工序出現(xiàn)故障，必然會影響其系統(tǒng)運行的整體性，不僅無法滿足合成氨生產(chǎn)的持續(xù)性特征需求，還會降低生產(chǎn)質(zhì)量和效率，造成一定量的資源浪費。第二是復(fù)雜性、規(guī)范性特征。合成氨生產(chǎn)過程相對復(fù)雜，內(nèi)容要求十分嚴謹，需要相關(guān)人員明確其特征與實際需求，并做好材料數(shù)量、催化劑、溫度等多方面的控制，這就需要對相關(guān)工藝進行科學(xué)改進，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)節(jié)能降耗。例如在氫氮混合氣制作時，所涉及的原料數(shù)量相對較多，有天然氣、水蒸氣以及煤等，此過程也是出現(xiàn)資源浪費占比較大的環(huán)節(jié)，可以通過提升設(shè)備效能的方式降低60%以上的損耗。

2.2 社會需求變化和行業(yè)發(fā)展需求

黨的十九大報告詳細指明當前社會的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來需要重點關(guān)注的問題，將人與自然和諧共生作為生態(tài)文明建設(shè)的主要宗旨，強調(diào)節(jié)能消耗和資源利用率最大化。根據(jù)行業(yè)能源消耗情況分析調(diào)查能夠了解合成氨生產(chǎn)工作的能耗情況和污染情況相對嚴重，其原材料以能源物質(zhì)為主，且需求較大，成本高達70%以上。合成氨的生產(chǎn)過程對氧氣的需求量較大，但排放的廢氣氣體種類多且復(fù)雜，處理起來相對繁瑣，也是額外的能源支出?，F(xiàn)如今環(huán)境污染嚴重、資源匱乏的背景下，更應(yīng)當加強環(huán)保、節(jié)能方面的建設(shè)，助力合成氨生產(chǎn)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。

3 合成氨生產(chǎn)過程中的工藝增效改善

合成氨生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量氣體，而這些氣體并非完全沒有價值，為有效降低合成氨生產(chǎn)中的能耗成本，可以從其工藝增效的角度入手，降低廢氣處理的成本，間接提升合成氨生產(chǎn)過程的節(jié)能降耗效果。

3.1 甲醛提取工藝

甲醇是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的原材料之一，主要應(yīng)用于聯(lián)醇生產(chǎn)，在進行合成氨生產(chǎn)時會產(chǎn)生一定量的CO，能夠經(jīng)過科學(xué)處理獲得甲醇，不僅能夠降低對CO處理的成本，還能將其賣出帶來更多收益，實現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展。在實際運用時主要通過多合成氨尾氣的收集與處理，實施聯(lián)醇工藝獲得甲醇。其工藝主要由CO與氫氣發(fā)生反應(yīng)，當轉(zhuǎn)換達到50%即可獲得甲醇，具體流程為：1 mol氫氣與0.5 mol氮氣反應(yīng)，獲得1 mol氨氣，轉(zhuǎn)化率達到90%時能夠獲得21 kg合成氨，經(jīng)過換算后發(fā)現(xiàn)，每年能產(chǎn)生10萬噸合成氨，同時應(yīng)用聯(lián)醇方式能夠合成1.28萬噸甲醇，市場價格3千元/噸，且每1噸甲醇的生產(chǎn)需要投入成本量僅為150元，如此一來既能為企業(yè)帶來更高收益，還能降低資源浪費和能耗，實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。在甲醇提取過程中應(yīng)用液體泵電機實現(xiàn)常壓提純，相對于以往的電能耗成本來說，能夠有效降低功率。在實際應(yīng)用時還需準備規(guī)定量的蒸汽和標準煤氣，相比于以往的材料消耗量降低大約3.4倍。

3.2 氫提取工藝

在進行合成氨生產(chǎn)過程中，針對氣體的排放處理主要通過高壓液氨節(jié)流和合成系統(tǒng)原料氣對惰性氣體循環(huán)排放這兩種方式，其合成氫占比5%，氨氣排放量約240 m3/t，而氫氣在尾氣中占比在50%以上。而氫氣是當前市場中比較常見的商品，因此可對其進行回收處理，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，100 m3的氫氣是15 m3的半水煤氣，可重復(fù)應(yīng)用到氨合成系統(tǒng)中，有效減少能耗。在實施時可以應(yīng)用變壓吸附回收法，主要原理為：常溫條件下根據(jù)環(huán)境壓力應(yīng)用吸附劑，配合氫氣中其他成分的特性，對多種雜質(zhì)實現(xiàn)一次性清除，提升氫氣回收率和純度。此外，還可應(yīng)用水電解的方式制氫，成本和能源消耗更少，一般為6 kW·h/m3。針對合成氨尾氣中氫氣的提取能夠節(jié)省92%的電能消耗，氫氣提取量大約在140 m3/h。目前我國在氫氣市場十分廣泛，價格約為2元/m3，相較于以往的電解工藝，水電解對電能的消耗明顯降低，且應(yīng)用氫氣的發(fā)熱值也低于汽油等物質(zhì)，適用于電氣、化工、冶金等行業(yè)，還能用于還原氣保護，但生產(chǎn)流程相對復(fù)雜，且成本較高，而合成氨生產(chǎn)尾氣中提煉氫氣能夠進一步彌補這一空缺，同時為合成氨企業(yè)帶來一定收益，符合當前能源發(fā)展需要。

3.3 其他氣體處理

合成氨尾氣中含有很多氣體，部分氣體具有一定應(yīng)用價值，而部分氣體的處理則需要應(yīng)用更多能耗，需要結(jié)合情況選擇利用和處理排放。以氮氣為例，在進行處理時可應(yīng)用三進加氮工藝，降低水煤氣加工中的產(chǎn)熱損失，利用額外增加氫氣的方式實現(xiàn)資源的優(yōu)化，提升效率。此外，部分物質(zhì)中含有氪物質(zhì)顆粒，會直接排列分布氰基，顆粒直徑普遍為200～300 mm，且水溶性較強。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，這類物質(zhì)存在一定堆密度，對產(chǎn)品造成一定不良影響。目前來看，合成氨尾氣并非一無是處，可以代替煤氣提升節(jié)煤率，增強綜合效益的同時實現(xiàn)能源節(jié)約。

4 合成氨生產(chǎn)中節(jié)能降耗策略

4.1 掌握合成氨生產(chǎn)過程中的能耗問題來源

合成氨生產(chǎn)過程的能源消耗問題十分嚴重，想要真正緩解其能耗居高不下的現(xiàn)狀，需要立足于其能耗問題來源展開詳細分析，注重解決方案的綜合性、全面性以及針對性，從管理和技術(shù)兩個角度進行問題剖析，從而有效解決高能耗問題。從合成氨生產(chǎn)管理的流程來看，存在工藝復(fù)雜、系統(tǒng)化特點，且連續(xù)性較高。因此，在管理過程中需要進一步優(yōu)化管理內(nèi)容，完善相關(guān)機制，根據(jù)以往存在的問題給予針對性的管理方案，保證實現(xiàn)低能耗生產(chǎn)。在實際落實過程中還需對每個步驟進行監(jiān)控，在設(shè)備上安裝對應(yīng)的傳感器系統(tǒng)，實時連接計算機設(shè)備，監(jiān)控其能耗數(shù)據(jù)，避免造成資源成本及能耗浪費，一旦超出限值立即查詢原因。此外，根據(jù)合成氨企業(yè)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分中小型企業(yè)并未積極進行轉(zhuǎn)型，其設(shè)備和相關(guān)工藝流程亟待更新。設(shè)備方面存在老舊情況，對于廢氣的回收利用及處理工作不佳，不僅造成資源浪費還會影響工作效率，質(zhì)量也是待思考的主要問題之一。技術(shù)方面，并未實施自動化管控，一旦出現(xiàn)問題不能及時組織，容易造成不可挽回的后果。由此可見，技術(shù)設(shè)備以及管理的創(chuàng)新是降低合成氨生產(chǎn)能耗的主要導(dǎo)向，需要優(yōu)先進行企業(yè)自身情況調(diào)查，再予以針對性措施。

4.2 研制新型合成塔

合成氨生產(chǎn)過程的規(guī)范性和系統(tǒng)性較強，整個加工流程工序之間相互依靠，無論哪個單元發(fā)生故障或變化都會影響整體的制作質(zhì)量和效率。因此，在合成氨生產(chǎn)過程中實施節(jié)能降耗舉措，務(wù)必注重各個環(huán)節(jié)的可選擇性，再做好局部與整體調(diào)整[1]?？梢匝兄菩滦偷暮铣伤?，目前來看，大部分合成氨工程逐漸傾向規(guī)模化生產(chǎn)。在大型生產(chǎn)過程中需要多段工序進行化學(xué)反應(yīng)，且對傳熱、工序流動性的要求較高，進行新型合成塔的研究能夠有效降低壓力，應(yīng)用冷管完善操作，確保溫度適中適宜，從而獲得更高氨凈值。以往大型合成氨生產(chǎn)主要依靠機械壓縮，相比之下，吸氨制冷的效率更高，并采用物理循環(huán)吸收的方式進行脫氧處理，能夠有效降低能耗問題。在運用時可以選擇應(yīng)用二氧化碳或分子脫篩水分，確保合成塔內(nèi)氣體的純潔性，從而提升分離率。應(yīng)用節(jié)能型球形觸媒，借助其抗毒性和低溫活性高的優(yōu)勢進一步提升節(jié)能效果。為降低氣體跑出現(xiàn)象的發(fā)生率，還應(yīng)設(shè)置加熱器實現(xiàn)熱氣循環(huán)。

4.3 加強生產(chǎn)管理實現(xiàn)節(jié)能降耗

從生產(chǎn)角度來看，需要注意以下三點：第一，合成氨企業(yè)需要明確產(chǎn)品以及其所排放廢氣的實際價值，并科學(xué)計算抵扣成本，為企業(yè)增加額外的收益，并利用所得收益對原有老舊設(shè)備進行優(yōu)化，避免造成額外的資源浪費，實現(xiàn)精細化管理和質(zhì)量控制。第二，在制定管理制度時務(wù)必保證生產(chǎn)過程的完善性，重點分析各道工序中設(shè)備存在的問題，并做好臺賬記錄，科學(xué)控制運行風險。第三，需要建立自動化監(jiān)管制度，將信息技術(shù)滲透在管理過程中，實現(xiàn)對合成氨生產(chǎn)過程的實時科學(xué)控制，保證能源消耗穩(wěn)定。

4.4 注重生產(chǎn)工藝上的節(jié)能降耗

技術(shù)的創(chuàng)新是合成氨生產(chǎn)過程節(jié)能降耗的關(guān)鍵方式之一，企業(yè)需要嚴格遵循節(jié)能、環(huán)保理念，從設(shè)備、工序的角度出發(fā)，對技術(shù)進行創(chuàng)新。例如加大對高效催化劑的研發(fā)，降低能源消耗提升合成氨質(zhì)量，應(yīng)用高效催化劑能夠降低合成氨生產(chǎn)過程中對熱能物質(zhì)的依賴，具有經(jīng)濟性、高效性和環(huán)保性優(yōu)勢。此外，還可以科學(xué)借用催化劑的反應(yīng)效果，例如水蒸氣與一氧化碳之間的放熱反應(yīng)，但有時放熱反應(yīng)并不能達到預(yù)期效果，此時應(yīng)用催化劑能夠提升熱度，實現(xiàn)充分反應(yīng)。針對設(shè)備的改進主要在于相關(guān)物質(zhì)的二次利用，例如提升造氣裝置性能和功能，提升對CO的燃燒效率。亦可加強對水煤氣和爐煤氣的工藝制備，打造自給自足的工作格局，降低原料消耗和廢棄物處理成本[2]。引入綠色技術(shù)和節(jié)能型設(shè)備，提升各個工序之間的配合度，將副產(chǎn)品和有害物質(zhì)進行重新整合與利用，減少對環(huán)境的破壞。進一步降低能源消耗成本，同時提升氣化強度，合成系統(tǒng)提升物質(zhì)回收率和轉(zhuǎn)換率，保證多余原料氣和資源的可持續(xù)性利用。

4.5 重視資源合理利用實現(xiàn)降本增效

合成氨過程中除了基礎(chǔ)性的原材料應(yīng)用和產(chǎn)出的常規(guī)性氣體外，還會應(yīng)用和產(chǎn)生大量的化學(xué)熱和蒸汽余熱、廢水等，這也可以作為合成氨生產(chǎn)過程中節(jié)能降耗的出發(fā)點。例如副產(chǎn)蒸汽能夠用于熱電聯(lián)產(chǎn)，在產(chǎn)生后及時回收，從而緩解熱損失成本，降低能耗；甲烷和氫氣是合成氨的原料，而其廢氣產(chǎn)出也有這兩種氣體，可以進行提煉后再次重復(fù)作為原料，亦可直接作為清潔能源，從而降低溫室效應(yīng)；低熱值的爐渣也是生產(chǎn)后的物質(zhì)，可將其用于三廢爐燃燒，實現(xiàn)循環(huán)使用，從而提升煤炭利用率。部分物質(zhì)還可賣給相應(yīng)的廠家，經(jīng)過處理后制成水泥、粉磚等，實現(xiàn)資源利用最大化。

5 結(jié)語

綜上所述，我國針對合成氨的生產(chǎn)具有規(guī)?；㈤L期性的特點，傳統(tǒng)合成氨生產(chǎn)過程中存在周期長、產(chǎn)生廢氣量大、工藝增效模式單一的情況，無論是生產(chǎn)過程還是后期廢氣處理均會造成一定資源浪費，成本能耗相對較大，直接影響其收益。因此，針對合成氨生產(chǎn)過程節(jié)能降耗的研究十分有必要，需要進一步細化其工藝增效情況，并進行科學(xué)改善，明確傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中造成高能耗的主要原因，研發(fā)新型技術(shù)，注重生產(chǎn)管理與工藝是哪個的節(jié)能降耗，助力實現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。