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合成氨的节能与环保
李永海
（安建工 材化学院 08应化① 08206030102）
摘要：进入21世纪，我们不能再一味地发展追求发展重工业，而要努力向“清”工业转型。氨是最为重要的基础化工产品之一，更应做好表率，带头实现节能减排。通过合成氨的工艺流程，尽量从各环节做到节能减排，把氨工业的发展与节能和环保相结合。
关键词：合成氨 节能 减排 环保
1、前言
饮鸩止渴，意思是喝毒酒解渴，比喻用错误的办法来解决眼前的困难而不顾严重后果。刚刚进入二十一世纪，人类就惊讶的发现，从第一次工业革命开始，人类为了追求利益与发展，工业飞速发展。但伴随新科技，新文明的到来，能源危机的红灯频频亮起，环境污染也日益严重，自然灾害频发。这无异于饮鸩止渴。如今，越来越多的人已经意识到了这个问题。党的“十七大”提出“抓好节能减排工作，着力推进资源节约型、环境友好型社会建设”。合成氨工业是化学工业的支柱产业之一，在国民经济中占有非常重要地位，氨是最为重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位;同时也是能源消耗的大户,世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。合成氨也造气是用水大户之一。以无烟煤或焦炭为原料生产合成氨时，每生产1 t 合成氨可排出造气废水50 ～ 80 t。正因它是一个大吨位、高能耗、低效益的产业，合成氨的节能与环保势在必行。
2、合成氨简介
2.1、合成氨的工艺流程
如图1，为合成氨的工艺流程。
在200MPa的高压和500℃的高温和催化剂作用下，N2+3H2====2NH3,经过压缩冷凝后，将余料在送回反应器进行反应，合成氨指由氮和氢在高温高压和催化剂存在下直接合成的氨。世界上的氨除少量从焦炉气中回收副产外，绝大部分是合成的氨。
合成氨主要用作化肥、冷冻剂和化工原料
生产方法 生产合成氨的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤（或焦炭）等。
①天然气制氨。天然气先经脱硫，然后通过二次转化，再分别经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除等工序，得到的氮氢混合气，其中尚含有一氧化碳和二氧化碳约0.1％～0.3％（体积），经甲烷化作用除去后，制得氢氮摩尔比为3的纯净气，经压缩机压缩而进入氨合成回路，制得产品氨。以石脑油为原料的合成氨生产流程与此流程相似。
②重质油制氨。重质油包括各种深度加工所得的渣油，可用部分氧化法制得合成氨原料气，生产过程比天然气蒸气转化法简单，但需要有空气分离装置。空气分离装置制得的氧用于重质油气化，氮作为氨合成原料外，液态氮还用作脱除一氧化碳、甲烷及氩的洗涤剂。
③煤（焦炭）制氨。随着石油化工和天然气化工的发展，以煤（焦炭）为原料制取氨的方式在世界上已很少采用。
2.2合成氨的用途
氨主要用于制造氮肥和复合肥料，氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12％。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。液氨常用作制冷剂。
3、合成氨的节能
3.1、设备优化节能
合成氨操作的设备很多，包括流体输送设备，塔设备，换热设备等，每一类设备都有他独特的节能方式。
3.1.1塔设备的改造
采用塔前预热器的合成氨工艺，如图2。该流程特点：(1)大幅度降低冷却水的消耗。
(2)预热^塔气体，减少合成塔内换热器的负荷。当中锅蒸汽压力不变时，合成塔下段换热器负荷基本不变，实际上减少的是上段换热器负荷。
(3)减少合成塔内换热器负荷，从而提高合成塔的容积利用系数、催化剂装填量及合成塔的生产能力。
(4)提高中锅蒸汽产量。塔内换热器负荷的减少，相应增加了中锅负荷，从而可提高中锅蒸汽产量。
3.1.2、流体输送设备的改造
（1）应用变频器节电
变频调速是通过改变电机定子的供电频率来达到电机的调速, 它可以根据电机负载的变化实现自动平滑的增速或减速。调速特性基本保持了异步电动机固有的特性, 即转差率小的特点, 因而其效率高、调整范围宽、精度高, 且能实现无级调速, 节电效率在20% ~ 30%。
（2）内馈斩波调速
内馈斩波调速设备是由内馈调速电机和斩波控制装置组成。该技术是新型交流调速技术, 特别适用于需要高效节能的高压大、中容量交流电机的调速。
内馈斩波调速主要技术特点有: a、有源逆变器和内馈绕组只含有功率和电流, 最大容量由移相控制的100% 电机功率降低为14.8%, 使内馈调速电机工艺得到简化, 成本降低。
b、从根本上解决了移相触发控制人为地产生感性无功功率问题, 有源逆变器触发脉冲固定,相位锁定, 功率因数恒为0.9, 抗干扰性强, 可靠性高, 电流谐波减小。
c、效率高, 可达90%以上。
d、该技术比调速型液力偶合器的能效高。（3）无功功率补偿的节能 3.1.3换热设备的改造
通过改进换热器的种类和表面积，以及催化剂的装填方式，可提高换热效率。
3.2、工艺控制节能
工艺控制节能主要是余热的利用，工艺产生的余热分为六大类：高温烟气余热, 冷却介质的余热, 化学反应余热,废汽、废水的余热等。余热的直接利用最为简单, 通常用于以下几方面: 预热空气或软水, 它是利用高温烟道排气, 通过换热器来加热进入锅炉的空气或入炉软水。由于进入炉膛的空气温度提高, 使燃烧效率提高;生产热水和蒸汽;制冷, 它是利用低温余热通过吸收式制冷系统来达到制冷或空调的目的。
3.3、从原料方面节能
由于各资源储备量不一，在合成氨原料方面，可改用“油改气”(利用部分氧化工艺将原料改为天然气)和“油改煤”(利用煤气化工艺将原料改为煤或石油焦)。由于在海洋中，天然气资源十分丰富，面对国际原油价格日升的形势，更应当研发新技术来开采天然气。
4、合成氨的环保
4.1、合成氨的废水处理 如今，各国都出台了一些关于工业废水处理的标准及法律法规，我国也花了大力气。最近几年，南京就花了大力气治理秦淮河，并对周边工厂的污水排放大力调查，多家不合格工厂被查处。4.1.1、废水回收利用以减排
加大水综合利用，既节约了水资源，也减少了废水排放。在化肥厂用合成氨制尿素过程中，水的综合利用如图3，通过水的循环利用以减少废水排放。
4.1.2、废水直接处理
随着大家环保意识的提高，越来越多的人投身于废水处理技术中，如今已出现了不少较新的技术。（1）一体化净水器处理合成氨废水 a、YZJ 高浊度一体化净水器
YZJ 高浊度一体化净水器是将旋流反应室、澄清室、斜管沉淀室、滗渣装置、沉泥与排泥系统等6 项水处理单元竖向排列组合成的一体化除浊设备。根据不同水质，采用不同的设计参数，可将原水浊度的质量浓度从大于10 000 mg ／ L 一次降到小于20 mg ／ L。在处理冲灰冲渣水和黄河水中都获得成功运用。YZJ 高浊度一体化净水器结构见图4。
YZJ 高浊度一体化净水器，工艺流程合理，结构简单，占地面积小，设备容量大，二级沉淀，能适应高浊度和较恶劣的污水水质，出水水质好，排泥周期长。设备高，出水可以直接进入后续设备，省去了中间提升设备与调节构筑物。排泥阀用时间继电器来控制排泥周期与排泥历时，实现了简单的自动运行。
b、一体化净水器和双层曝气生物滤池联用 沉淀、冷却、生化闭路循环的造气废水处理工 艺主要处理单元流程如图5 所示。
该工艺的沉淀和生化单元分别采用一体化净水器和双层曝气生物滤池，其特点有： 1）与常规处理工艺相比，一体化净水器和管道混合器，替代了平流沉淀池和斜管沉淀池，提高了处理效率和水质，节省了占地面积。由于一体化净水器较高，出水可以直接流入后续处理单元，省去了二、三级泵，节省了运行能耗。
2）采用了两级叠加的旁流曝气生物滤池，可根据水质平衡决定处理水量，脱氮效果好，不用后续过滤或沉淀设备，管理方便。生物滤池反洗水与污泥干化排水都流回集水井，并参与再处理，基本实现了废水零排放。
（2）A/O-MBR 复合生物脱氮工艺
工程采用A/O+MBR 复合强化生物脱氮工艺，工艺流程如图6 所示。
工艺特点：
1）采用MBR 膜代替传统的二沉池进行泥水分离，系统出水中悬浮物和浊度很低。
2）MBR 膜几乎可以全部截留水体中的微生物，使MBR 池中微生物浓度大大提高，系统处于低 负荷状态下运行，有机物得到较彻底的降解，出水水质好。
3）生物处理系统氨氮负荷较低，硝化反应进行彻底，对氨氮的去除效率高。
4.2、合成氨的废气处理
4.2.1废气的再利用，减少排空量
造气炉的吹风气含有部分可燃气体, 加之自身温度很高, 送至三废混燃炉用来生产蒸汽, 既节约了能源, 又保护了环境。
合成氨生产中, 由于合成反应的累积, 甲烷气达到一定浓度后, 要有一定的气量排出系统, 采取膜分离的方法把氢气、甲烷及氢氮气分离出来, 在分离过程中会产生氨水、甲烷气、氢氮气等,其中氨水送至无动力氨回收用来生产碳铵, 也可以送尿素再利用, 甲烷气送三废混燃炉作为燃料,氢氮气返回系统作为合成氨的原料。变压吸附脱碳CO2 尾气排放空气中会产生温室效应, 通过回收CO2 气体, 变废为宝, 减排温室气体, 既避免了大气污染, 又适应节能减排环保发展的要求, 产生良好的经济效益和社会效益。如图7，4.2.2、脱碳变压吸附CO2 气体回收技术
二氧化碳是一种宝贵的资源, 被广泛地应用于多种领域, 如: 化学合成工业、机械保护焊接、金属铸造加工、农业施肥、果品蔬菜保鲜、啤酒饮料灌装、石油开采、消防灭火、医药卫生等行业。二氧化碳回收和再利用为企业增加明显的经济效益, 又起到环境保护作用, 减少温室效应。该项目利用生产过程中变压吸附脱碳装置排放尾气中的二氧化碳为原料, 资源充足而稳定, 充分利用现有资源创造效益。
利用的吸附精馏法回收净化精制二氧化碳专利技术, 生产出符合国家标准的食品级和工业级二氧化碳产品。
生产尾气首先经过分水后, 进入压缩机增压到25MPa, 冷却分离水分后进入干燥器干燥, 干燥后的物料经吸附脱除杂质、预冷后液化、精馏, 进入食品级产品储罐, 作为食品级二氧化碳产品出售使用;生产工业级产品, 则在干燥后直接液化, 进入闪蒸罐闪蒸, 在闪蒸罐底得到工业级产品(液碳)。
5、合成氨节能减排现状与前景
在国外，日本丰田汽车公司和美国福特(Ford)汽车公司在NSR 催化技术领域的研究成果显著,前者占据了日本国内市场,正在开拓欧美市场;后者正向工业化迈进。瑞典、德国、意大利和英国的科研机构在催化剂性能、反应机理等方面做了许多卓有成效的工作。中国科技大学及中国科学院大连化学物理研究所等科研机构在催化剂性能和结构方面作了初步研究。可见，国外很重视合成氨的节能与减排并取得不少成果。
在国内，合成氨技术虽也有所提高，但由于成本原因，不少工厂还用着老式的设备和方法。原料也还以油、煤为主。好在目前，国家对工业生产中的节能减排已相当重视，正大力改善这一现象。
我国的氮肥工业自20 世纪50 年代以来,不断发展壮大,目前合成氨产量已跃居世界第一位,现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术,形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。目前合成氨总生产能力为4 500 万t/ a 左右,氮肥工业已基本满足了国内需求,在与国际接轨后,具备与国际合成氨产品竞争的能力,今后发展重点是调整原料和产品结构,进一步改善经济性。
6、结束语
随着近年来国家对节能减排工作的重视, 国内大型氮肥企业开展新一轮节能技术改造将是未来发展趋势。在新时期政策和环境影响下，合成氨节能技术会向以下几方面发展。①采用先进的煤气化技术, 调整原料结构, 来实现节能降耗的目标。②适当加大装置生产规模，让企业的设备大型化，集成化，自动化并形成经济规模的生产中心。③加强对废水、废气、废渣和废热进行综合利用, 创造新的经济价值。
如果把合成氨工业（甚至所有工业）比作一辆自行车，那么节能和环保就是它的前后车刹。虽然车刹不能帮助车子前进的更快，甚至是用来减速的，但没有他们，行吗？适当的时候，必须得减速，这样才能更安全的行驶。以退为进，未必就不好，一味地追求前进，往往是一去不复还啊。
参考文献：
苟爱仙 王博棋，石化院新型合成氨催化剂研究获突破，中国化肥网，2010 颜鑫，合成氨节能降耗新思路，2001 靳灿 丁莉 赵文甲，我国合成氨企业节能现状和趋势，2009 罗建烘 杨明鸿，合成氨运转设备节能技术应用，2008-11 蒋德军，合成氨工艺技术的现状及其发展趋势，2005 赵昌富，以技术革新助力节能减排，2009年第2期
施俊鹏，一体化净水器在合成氨造气废水处理回用中的应用，2009 李士安 吕峰 王知强，A/O-MBR 复合生物脱氮工艺在合成氨废水处理中的应用，2009
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