顏　鑫,鄒　劍

(1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系，湖南 株洲　412000；

2.柳化集團(tuán)湖南智成化工有限公司，湖南 株洲　412004)

?

工藝技術(shù)演變過(guò)程看中氮肥行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)
——以湖南省湘江氮肥廠為例

顏鑫1,鄒劍2

(1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系，湖南 株洲412000；

2.柳化集團(tuán)湖南智成化工有限公司，湖南 株洲412004)

摘要：以湖南省湘江氮肥廠為例，介紹了四十多年來(lái)，“湘氮”花費(fèi)大量資金進(jìn)行技術(shù)改造的歷程，從造氣、脫硫、變換、脫碳到原料氣精制等工序，幾乎采用了我國(guó)中小型氮肥廠目前可能采用的先進(jìn)技術(shù)。分析了“湘氮”存在的主要問(wèn)題，展望了中型煤頭氮肥廠的發(fā)展趨勢(shì)?！跋娴惫に嚰夹g(shù)的演變過(guò)程就是一部我國(guó)中氮肥行業(yè)的發(fā)展史。

關(guān)鍵詞：中氮肥；工藝技術(shù)；演變過(guò)程；發(fā)展趨勢(shì)

上世紀(jì)60年代中期，湖南省湘江氮肥廠(以下簡(jiǎn)稱“湘氮”)開(kāi)始興建，年產(chǎn)9萬(wàn)t合成氨裝置和11萬(wàn)t的尿素裝置分別于1970年、1976年建成投產(chǎn)?！鞍宋濉逼陂g，“湘氮”進(jìn)行擴(kuò)建，1994年12月建成投產(chǎn)，達(dá)到了年產(chǎn)合成氨20萬(wàn)t、尿素21萬(wàn)t、純堿4萬(wàn)t、復(fù)混肥5萬(wàn)t、甲醇5萬(wàn)t的生產(chǎn)能力。“湘氮”是全國(guó)55家中氮肥企業(yè)之一，是湖南省三大氮肥基地之一，年產(chǎn)值超過(guò)十億元，全廠職工達(dá)5 000多人。

目前在職在崗的員工僅有500多人。曾盛極一時(shí)的“湘氮”，歷經(jīng)多次改制、數(shù)易其名，將由城市下放農(nóng)村。40多年來(lái)，“湘氮”的工藝技術(shù)發(fā)生了哪些演變，厘清其中脈絡(luò)，或許可以從中窺見(jiàn)我國(guó)中氮肥行業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1“湘氮”工藝技術(shù)的演變過(guò)程

1.1“湘氮”最初工藝路線

今天看來(lái)，塊煤間歇法固定床制氣→常壓ADA脫硫→高溫CO變換→水洗脫除CO2→銅洗精制→氨合成，湘氮最初的工藝路線是相當(dāng)落后的，由于沒(méi)有精脫硫裝置，氣體凈化度不高，其甲醇催化劑使用壽命僅有2～4個(gè)月，氨合成催化劑使用壽命只有2年左右，能耗高，產(chǎn)量還低，但在上世紀(jì)七十年代、計(jì)劃經(jīng)濟(jì)年代，該工藝仍然為“湘氮”人帶來(lái)了不少的實(shí)惠與虛假的繁榮。

1.2“湘氮”工藝技術(shù)的演變

建成投產(chǎn)后的30多年時(shí)間里，“湘氮”人并沒(méi)有墨守成規(guī)，而是花巨資對(duì)工藝技術(shù)進(jìn)行了大量的升級(jí)改造，應(yīng)該說(shuō)也是卓有成效的。

1.2.1造氣工藝方面

最初的塊煤間歇法固定床制氣，在上世紀(jì)90年代改為了型煤間歇法固定床制氣，造氣原料成本降低了約20%；進(jìn)入21世紀(jì)后，新增了空分裝置，造氣爐改為了富氧常壓型煤連續(xù)固定床氣化爐，大大提高了造氣階段的工藝連續(xù)性，顯著提高了造氣爐的生產(chǎn)能力，并解決了吹風(fēng)氣的排放問(wèn)題，同時(shí)噸氨煤耗明顯降低，但噸氨的電耗明顯上升。

1.2.2脫硫工藝方面

上世紀(jì)80年代主要由ADA濕法脫硫改為成本更低的栲膠濕法脫硫，90年代又增加了氧化鐵干法精脫硫裝置，使原料氣脫硫成本降低，脫硫精度達(dá)到<0.1 mg/m3的高標(biāo)準(zhǔn)，甲醇催化劑使用壽命達(dá)到1年以上，氨合成催化劑使用壽命達(dá)到6年，催化劑使用壽命一舉達(dá)到了大型氮肥廠的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.3CO變換工藝方面

從采用鐵-鉻系催化劑的高溫變換工藝改成了中溫變換工藝，后又改為了采用鈷-鉬系耐硫變換催化劑的全低溫變換工藝。變換催化劑類(lèi)型的改變、變換溫度的降低，也降低了變換過(guò)程的汽氣比和能耗，達(dá)到了目前我國(guó)變換工藝的最高水平。

1.2.4脫碳工藝方面

從最原始、最低效的高壓水洗物理脫碳法改為了熱鉀堿法化學(xué)脫碳法(即苯菲爾脫碳法)，使脫碳效率顯著提高；后來(lái)又改成了變壓吸附(PSA)物理脫碳，使脫碳成本再次明顯降低。

1.2.5精制工藝方面

從最初操作復(fù)雜、物耗高、能耗大的銅洗精制工藝，上世紀(jì)80年代改成了中壓聯(lián)醇結(jié)合銅洗工藝，不僅使精制過(guò)程的物耗和能耗有所降低，也使“湘氮”凈化工藝發(fā)生了革命性變化，即由原來(lái)的單氨工藝變成了聯(lián)醇工藝；90年代又改成了中壓聯(lián)醇+高壓聯(lián)醇+高壓甲烷化的新型雙甲工藝，使工藝簡(jiǎn)化，能耗和物耗明顯降低；2012年發(fā)生了一場(chǎng)生產(chǎn)事故，被迫將高壓甲烷化催化劑換成了高壓烴化催化劑，使精制工藝變成了中壓聯(lián)醇+高壓聯(lián)醇+高壓烴化新工藝，使精煉氣中惰性氣體含量顯著降低，大大減少了氨合成過(guò)程吹除氣數(shù)量，降低了噸氨原料氣消耗，達(dá)到了我國(guó)目前熱法精制工藝的最高水平，也是甲醇催化劑和氨合成催化劑使用壽命顯著延長(zhǎng)的重要原因。

1.2.6氨合成工藝方面

圖1　20世紀(jì)90年代中期“湘氮”氨合成工藝路線

圖2　21世紀(jì)初期“湘氮”工藝路線

除了合成氣循環(huán)工藝稍作改變之外，氨合成工藝沒(méi)有本質(zhì)變化，只是合成塔從φ1 000塔改為了φ1 600塔，使氨合成催化劑的裝填量提高了一倍多，這也是氨合成產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)翻番的關(guān)鍵所在。20世紀(jì)90年代中期“湘氮”氨合成工藝技術(shù)路線見(jiàn)圖1?？梢?jiàn)，上世紀(jì)90年代中期“湘氮”工藝技術(shù)路線比70年代的要相對(duì)完善、先進(jìn)，代表了我國(guó)中氮肥行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步。21世紀(jì)初期“湘氮”工藝路線見(jiàn)圖2。21世紀(jì)初期“湘氮”的工藝路線從造氣、脫硫、變換、脫碳、精脫硫到原料氣精制等工序，幾乎采用了我國(guó)中小型氮肥廠目前可能采用的大部分先進(jìn)技術(shù)，總氨產(chǎn)量達(dá)到25萬(wàn)t/a，噸氨的物耗和能耗也明顯降低，除了聯(lián)產(chǎn)甲醇之外，還聯(lián)產(chǎn)雙氧水，初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品多樣化。

1.3目前“湘氮”的工藝路線

圖3　2015年“湘氮”的工藝路線

“湘氮”歷經(jīng)多次改制，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了脫胎換骨的改變：先停尿素，后停甲醇，再停合成氨。但造氣、濕法脫硫、CO變換、脫碳、精脫硫依然在為雙氧水、甲酸鈉等精細(xì)化工產(chǎn)品提供合成氣和氫氣。2015年“湘氮”的工藝路線見(jiàn)圖3。可見(jiàn)，新工藝的前半部分是完全相同的，整個(gè)工藝發(fā)生了脫胎換骨的變化。

凈化階段的主要差別在于經(jīng)過(guò)常壓濕法脫硫之后，先經(jīng)低溫變換調(diào)節(jié)CO含量，再經(jīng)PSA脫碳去除CO2，此時(shí)所得原料氣的主要成分是H2和CO，其中CO與燒堿在高溫下合成甲酸鈉，甲酸鈉合成反應(yīng)方程式為：

而甲酸鈉是制取保險(xiǎn)粉的中間產(chǎn)物，甲酸鈉制取保險(xiǎn)粉的主反應(yīng)如下：

制取甲酸鈉之后的合成氣中仍然含有少量未轉(zhuǎn)化的CO，經(jīng)PSA脫除CO、N2、CH4等雜質(zhì)，所得原料氣主要為H2，其體積分?jǐn)?shù)可達(dá)99%以上；此時(shí)H2就是雙氧水的合成原料氣。工業(yè)制取雙氧水一般采用乙基蒽醌法，其總的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

停產(chǎn)尿素、合成氨、甲醇等低附加值產(chǎn)品是無(wú)奈的選擇，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，這些供過(guò)于求的產(chǎn)品是無(wú)法與大型氮肥企業(yè)和大型甲醇企業(yè)相競(jìng)爭(zhēng)的。充分利用現(xiàn)有的合成氨工藝設(shè)備與技術(shù)力量，以較小的投資代價(jià)，轉(zhuǎn)而生產(chǎn)雙氧水、甲酸鈉等附加值較高的精細(xì)化工產(chǎn)品，無(wú)疑是中小型煤頭合成氨企業(yè)降低成本的重生之路。

然而，造氣工序仍然需要排放大量廢水、廢渣，脫碳工序產(chǎn)生的大量高濃度CO2沒(méi)有得到合理利用。在低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代和“兩型”社會(huì)建設(shè)的重點(diǎn)城市，排放大量廢水、廢渣、廢氣的企業(yè)顯然是無(wú)法生存和立足的。這也提醒“湘氮”人，即使整體搬遷、異地重建，在選擇工藝時(shí)，“三廢”排放仍然是必須鄭重考慮并切實(shí)加以解決的問(wèn)題。

2“湘氮”的主要問(wèn)題

40多年來(lái)，“湘氮”人花費(fèi)了大量資金進(jìn)行技術(shù)改造，然而仍然事與愿違。筆者認(rèn)為，除了電動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)和氨合成工藝少有改進(jìn)之外，最大的問(wèn)題還是造氣爐，現(xiàn)分析如下。

2.1富氧常壓連續(xù)固定床氣化爐省煤耗電

脫胎于間歇式固定床煤氣爐的富氧常壓連續(xù)固定床氣化爐，采用濃度為55%～60%的富氧實(shí)現(xiàn)了半水煤氣制備的連續(xù)化，平均爐溫達(dá)到1 150 ℃以上，而且比較穩(wěn)定，大大提高了蒸汽分解率和造氣工藝連續(xù)性，造氣爐的生產(chǎn)能力提高50%以上，且無(wú)需排放吹風(fēng)氣，使噸氨煤耗下降約20%(避免吹風(fēng)過(guò)程損失)，但同時(shí)新增的空分裝置造成噸氨的電耗上升20%以上。

近兩年來(lái)，在煤炭、石油等能源價(jià)格一路走低的情況下，電價(jià)卻一直穩(wěn)如泰山，但“湘氮”在停產(chǎn)尿素和合成氨之后，電價(jià)由0.48元/kW·h上升到0.7元/kW·h。以型煤價(jià)格500元/t，噸氨煤耗1.5 t為例，噸氨煤耗下降20%，則噸氨可降低成本150元；而噸氨電耗1 500 kW·h，電價(jià)0.7元/kW·h，則噸氨電耗增長(zhǎng)20%，造成噸氨生產(chǎn)成本增長(zhǎng)210元，盈虧相抵每噸氨凈虧60元?？梢?jiàn)，在低煤價(jià)時(shí)代，煤富氧常壓連續(xù)固定床氣化爐這種省煤耗電工藝的綜合成本不降反升。因此，出現(xiàn)了2015年“湘氮”暫停使用型煤富氧常壓連續(xù)固定床氣化爐，轉(zhuǎn)而重新啟用了型煤常壓(空氣)間歇式固定床氣化爐的反?，F(xiàn)象(同一種爐子在兩種氣化工藝之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換)。

2.2富氧常壓固定床氣化爐產(chǎn)生大量“三廢”

富氧常壓連續(xù)固定床氣化爐雖然較好地解決了間歇式固定床煤氣爐的吹風(fēng)氣排放問(wèn)題，但該爐仍然采用常壓固態(tài)排渣，廢渣中含有10%左右的殘?zhí)浚春髸?huì)產(chǎn)生大量有毒有害廢水；造氣廢水中所含主要污染物有煤粒類(lèi)懸浮物、氰化物、重金屬、硫化物、揮發(fā)性酚和氨氮等有毒有害成分。以年產(chǎn)10萬(wàn)t合成氨的中型氨廠為例，噸氨需排出造氣廢水50～80 m3，則每年排放的廢水達(dá)500萬(wàn)～800萬(wàn)m3；每生產(chǎn)1 t合成氨實(shí)際煤耗為1.5 t左右，如果廢渣中平均灰分為20%，殘?zhí)苛科骄?0%，則每年將產(chǎn)生4.50萬(wàn)t廢渣[1]?！跋娴蔽挥诤稀皟尚汀鄙鐣?huì)建設(shè)的重要城市——株洲市城區(qū)，“三廢”排放和環(huán)境保護(hù)的責(zé)任重大。

綜上所述，常壓富氧連續(xù)固定床氣化爐與間歇式固定床氣化爐相比具有很多優(yōu)勢(shì)，但電耗較高，與大型氮肥廠普遍使用的粉煤或水煤漿純氧加壓連續(xù)氣化工藝相比，具有以下缺點(diǎn)：需要排放大量廢水、廢渣；爐溫較低；噸氨煤耗較高；蒸汽分解率較低；單爐生產(chǎn)能力較??；煤氣中焦油、萘、酚、硫化物、甲烷等有害雜質(zhì)含量較高；余熱綜合利用率較低等。

2.3氨合成仍然是典型的中小型氨合成技術(shù)

盡管進(jìn)行了大量的技術(shù)改造，但“湘氮”的氨合成技術(shù)仍然是采用電動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)，使用常規(guī)熔鐵型催化劑，以高壓、高溫、高空速、軸向合成塔為特征的中小型氨合成技術(shù)。這與現(xiàn)代化大型煤頭氨合成裝置采用汽動(dòng)離心式壓縮機(jī)、低溫高活性的氨合成催化劑，以低溫、低壓、低空速、徑向合成塔為特征的大型氨合成技術(shù)相比，在噸氨能耗大小和生產(chǎn)能力方面仍然相差甚遠(yuǎn)。

3中型煤頭氮肥廠的發(fā)展趨勢(shì)

有專(zhuān)家建議將我國(guó)的中、高壓合成氨流程全部改為低壓流程，筆者認(rèn)為這是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)楦臑榈蛪毫鞒?，不只是?jiǎn)單地將管線增粗、合成塔改大、多裝催化劑、電動(dòng)往復(fù)式壓縮機(jī)改為汽動(dòng)離心式就行了，還必須新建空分裝置、富氧加壓粉煤或水煤漿連續(xù)氣化裝置。原有原料氣凈化工序包括：濕法脫硫、中溫變換、變脫、脫碳、有機(jī)硫轉(zhuǎn)化、精脫硫、銅洗或雙甲工藝等熱法凈化工序都需要全部推倒，代之以耐硫變換、低溫甲醇洗、液氮洗等冷法凈化工序。在大型低壓氨合成流程中，合成塔大小、內(nèi)件結(jié)構(gòu)與中壓流程完全不同，有效容積和裝填的催化劑幾乎是中壓氨合成塔的3～5倍，氨冷分離需要采用三級(jí)氨冷，余熱回收方式也不同。總之，中小型合成氨的設(shè)備、管線和廠房幾乎沒(méi)有用武之地，“湘氮”的興衰經(jīng)歷告訴人們，與其傷筋動(dòng)骨地修修補(bǔ)補(bǔ)、改得面目全非，卻不能從根本上解決問(wèn)題，還不如推倒重來(lái)，雖然耗資較大，但現(xiàn)代社會(huì)缺乏的恰恰不是資金，而是人才、技術(shù)和市場(chǎng)[1]。

在低碳經(jīng)濟(jì)、“兩型”社會(huì)、霧霾治理的國(guó)家戰(zhàn)略之下，可以預(yù)言，5年后(我國(guó)承諾2020年單位GDP CO2減排比2005年下降40%～45%)將難覓這些煤頭合成氨、最終生產(chǎn)尿素的中型氮肥廠的蹤跡。但生產(chǎn)硝銨和三聚氰胺的中型氮肥廠仍將有一席之地[1]。

如果決定繼續(xù)立足于合成氨、氮肥行業(yè)，其根本出路在于：以其擁有的人才資源、市場(chǎng)資源和原料資源為撬杠(股份)，以金融資本為紐帶，以發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)能置換的國(guó)家政策為推力，搭上大型煤頭氮肥廠發(fā)展的快車(chē)，才能浴火重生[1]。

如果立足于轉(zhuǎn)產(chǎn)精細(xì)化工產(chǎn)品，其根本出路在于：以造氣工序?yàn)辇堫^，大力發(fā)展新型煤化工多聯(lián)產(chǎn)工藝，如聯(lián)產(chǎn)C1化工產(chǎn)品及其衍生物產(chǎn)品，如雙氧水、保險(xiǎn)粉、輕質(zhì)(納米)碳酸鈣[2]等附加值較高的精細(xì)無(wú)機(jī)化工產(chǎn)品，形成以合成氨(或合成氣)為主干的產(chǎn)品樹(shù)或產(chǎn)品鏈[3]。其前提是造氣工序必須采用以粉煤或水煤漿為原料，采用純氧加壓連續(xù)制氣工藝，并對(duì)脫碳過(guò)程的CO2進(jìn)行綜合利用，以基本實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程“三廢”零排放，才能鳳凰涅槃。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顏鑫.中小型合成氨廠與大型煤頭合成氨廠的技術(shù)差距分析[J].化肥設(shè)計(jì)，2015,53(3):1-5.

[2] 顏鑫,陽(yáng)鐵建,陳東旭.小型氮肥企業(yè)聯(lián)產(chǎn)輕質(zhì)碳酸鈣新工藝研究[J].化肥設(shè)計(jì),2014,52(2):26-28.

[3] 顏鑫.我國(guó)合成氨工業(yè)的回顧與展望——紀(jì)念世界合成氨工業(yè)化100周年[J].化肥設(shè)計(jì),2013,51(5):1-6.

Development Trend Outlook of Medium Sized Nitrogenous Fertilizer Industry from the Rise and Fall of Xiangdan

YAN Xin1,ZOU Jian2

(1.ChemicalEngineeringDepartmentofHunanChemicalVocationalTechnologyCollege,ZhuzhouHunan412000China；2.HunanZhichengChemicalCo.,Ltd.ofLiuzhouChemicalGroup,ZhuzhouHunan412004China)

Abstract：Taking Hunan Xiangjiang Nitrogenous Fertilizer Complex (Xiangdan for short) for an example, this paper introduces the technical revamping process of Xiangdan spending a great deal of money for almost applying China’s currently available advanced technologies for small and medium-sized nitrogenous fertilizer plants from sections of gasification, desulfurization, CO shift, CO2 removal to feed gas purification for forty years and analyzes the main existing problems of Xiangdan and prospects the development trend of medium-sized coal based nitrogenous fertilizer plant.Xiangdan’s process evolution course is the development history of China’s medium-sized nitrogenous fertilizer industry.

Keywords：medium sized nitrogenous fertilizer industry；process technology; evolution process；development trend

收稿日期：2015-08-05

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 441

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-8901(2016)02-0005-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.002 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.002

作者簡(jiǎn)介：顏鑫(1967年-)，湖南冷水江人，2004年畢業(yè)于湘潭大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，碩士，3級(jí)教授，中國(guó)化工學(xué)會(huì)化肥專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員，長(zhǎng)期從事合成氨、甲醇和納米碳酸鈣生產(chǎn)技術(shù)研究工作，已出版專(zhuān)業(yè)著作5部，發(fā)表論文50余篇。