顏　鑫

(湖南化工職業(yè)技術學院　湖南株洲　412004)

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我國中、小型合成氨企業(yè)的根本出路

顏鑫

(湖南化工職業(yè)技術學院湖南株洲412004)

介紹了我國合成氨工業(yè)的技術特點，分析中、小型合成氨企業(yè)與大型煤頭合成氨企業(yè)的技術差距。未來10年，仍將是我國大型煤頭合成氨企業(yè)發(fā)展的春天；廣大中、小型合成氨企業(yè)應以其擁有的人才資源、市場資源和原料資源為撬桿，以金融資本為紐帶，以低碳經濟、產能置換的國家政策為推力，搭上大型煤頭合成氨發(fā)展的快車，才是根本出路。

合成氨技術特點根本出路

合成氨是我國最大的煤化工產業(yè)，也是發(fā)展熱潮持續(xù)時間最長的煤化工產業(yè)。目前，我國合成氨和尿素總產能已穩(wěn)居世界首位，但我國的中、小型合成氨裝置數量眾多，其能耗高、三廢排放量大，正處于轉型發(fā)展的關鍵時刻。為此，筆者分析了我國中、小型合成氨裝置與先進的大型煤頭合成氨裝置的技術差距，并探討其10年后的根本出路。

1　我國合成氨工業(yè)的技術特點

1.1我國中、小型合成氨裝置的工藝流程

我國中、小型合成氨裝置的原則流程分別如圖1和圖2所示[1]。

圖1　中型合成氨裝置原則流程

1.2我國中、小型合成氨裝置的技術特點

我國中、小型合成氨裝置包括采用間歇式固定層塊煤氣化、半水煤氣濕法脫硫、CO變換、變換氣脫硫、脫碳、精脫硫、原料氣精制、氨合成等工序，其中每一個工序都與其前后工序緊密相聯(lián)，牽一發(fā)而動全身，使整個合成氨工藝控制要求嚴格。同時，每一個工序又有多種選擇，使整個合成氨工藝顯得十分復雜，在全國數百家中、小型合成氨企業(yè)中，幾乎找不出工藝與設備完全相同的。氨合成在壓力30～32 MPa下進行，電動往復式壓縮機是整個合成氨的“心臟”，1套中型合成氨裝置往往需要配置10臺往復式壓縮機并聯(lián)運行，由于設備故障率高，影響了合成氨裝置運行的穩(wěn)定性和連續(xù)性。噸氨能耗高達55～60 GJ，約為先進的大型氣頭合成氨裝置的2.0倍，約為先進的大型煤頭合成氨裝置的1.5倍，這是我國合成氨技術總體上遠落后于發(fā)達國家、能耗上遠高于發(fā)達國家的主要原因。

圖2　生產碳酸氫銨的小型合成氨裝置原則流程

1.3我國大型煤頭合成氨裝置的原則流程與技術特點

我國以煤為原料的大型合成氨裝置的原則流程如圖3所示[1]。

圖3　以煤為原料的大型合成氨裝置原則流程

大型煤頭合成氨裝置采用粉煤或水煤漿富(純)氧連續(xù)氣化工藝制取加壓水煤氣，原料氣凈化只有耐硫變換、低溫甲醇洗和液氮洗3個主要工序，使原料氣凈化過程大大簡化；原料氣壓縮采用汽動離心式壓縮機，氨合成壓力15 MPa，壓縮僅是合成氨過程中一個普通的單元操作。

在大型煤頭合成氨裝置中，由于汽動離心式壓縮機打氣量大、運行平穩(wěn)，使整個合成氨裝置運行的連續(xù)性和穩(wěn)定性都得到大大提高；由于進氣壓力較高、總壓縮比小，使噸氨能耗下降至33～38 GJ，達到或接近世界煤頭合成氨裝置的先進水平。

2　我國中、小型合成氨裝置與大型煤頭合成氨裝置的技術差距

2.1煤氣化技術方面的差距

(1)采用間歇式固定層塊煤氣化工藝制取半水煤氣時，1個工作循環(huán)包括吹風、一次上吹、下吹、二次上吹、空氣吹凈5個步驟，而且必須在3 min內完成轉換，在此期間閥門位置需改變6次(每次4～6只閥門)。由于氣化過程中約有1/3的時間用于吹風和倒換閥門，因此，有效制氣時間少，熱量和有效氣體的損失十分嚴重，原料氣化率和利用率僅70%左右，且存在爆炸隱患[1]。

富氧或純氧連續(xù)氣化工藝由于采用高溫、加壓氣化，故熱效率很高。采用粉煤連續(xù)氣化工藝時，操作壓力為2～4 MPa，操作溫度為1 400～1 600 ℃，碳轉化率可達99%，合成氣對原料煤的能源轉化率達80%～83%，另有15%左右的能量以高品質蒸汽的形式加以回收。水煤漿氣化工藝的操作壓力為6.4 MPa，操作溫度為1 300～1 400 ℃，碳轉化率達96%～97%，副產的中、高壓蒸汽完全可滿足汽動離心壓縮機對動力蒸汽和變換過程對工藝蒸汽的需求。

(2)間歇式固定層塊煤氣化工藝的氣化溫度在800～1 200 ℃呈周期性變化，總體溫度低，可利用余熱少；同時，蒸汽分解率低，吹風氣排放造成物耗和能耗均很高，且制得的煤氣中含有較多的焦油、萘、酚、硫化物、甲烷等有害雜質[1]。

對于富(純)氧連續(xù)氣化工藝，粉煤顆粒小、氧氣濃度高，盡管煤粉在氣化爐中停留時間極短，但氣化反應進行得相當充分，影響環(huán)境的副反應很少，水煤漿氣化工藝制得的煤氣中有效成分φ(CO+H2)可以達到80%～90%，殼牌粉煤氣化工藝制得的煤氣中有效成分φ(CO+H2)可以達到90%。

(3)間歇式固定層氣化工藝采用焦炭、塊狀無煙煤或型煤制取半水煤氣，對燃料要求苛刻，對煤的大小、機械強度、熱穩(wěn)定性、灰熔點等指標要求嚴格，其中任一項達不到要求，都會造成操作困難[1]。

富(純)氧連續(xù)氣化工藝對煤種適應性強，能夠處理高灰分、高水分和高硫煤，也能夠氣化無煙煤、石油焦、煙煤、褐煤等，并對煤的反應活性、結焦性等不敏感，可采用劣質粉煤和水煤漿作為原料，原料成本可降低33%～50%。

(4)間歇式固定層氣化工藝制取半水煤氣的單爐生產能力低且不易大型化，單爐日投煤量僅200～400 t，單爐產氣量僅6 000～10 000 m3/h，通常1套中型合成氨生產裝置需10多臺煤氣發(fā)生裝置并聯(lián)生產[1]。大型合成氨裝置的單爐日投煤量可達3 000 t以上，單爐產氣量可達100 000～200 000 m3/h，年產300 kt總氨的合成氨裝置只需1～3臺氣化爐即可。

(5)間歇式固定層煤氣爐造氣過程會產生大量的三廢。中、小型合成氨裝置通常采用常壓固態(tài)排渣，廢渣中含碳質量分數在10%～20%，經水洗后可回收用作民用燃料，但會產生大量有毒有害廢水，另有部分廢水來源于洗氣箱和洗滌塔對半水煤氣的噴淋、洗滌與冷卻，其所含主要污染物有煤粒類懸浮物、氰化物、重金屬、硫化物、揮發(fā)性酚、氨氮等[2]。以年產100 kt合成氨的中型裝置為例，噸氨需排放50～80 m3造氣廢水[3]，年廢水排放量達5 000～8 000 kt；生產1 t合成氨實際煤耗一般在1.1～1.4 t，如果廢渣中平均含灰分20%(質量分數，下同)，殘?zhí)剂科骄?5%，則年產生廢渣38.5～49.0 kt；吹風氣的平均生成量取噸煤1 420 m3(標態(tài))[3]，則年排放吹風氣量達(1.56～1.85)×108m3(標態(tài))，其中CO2(假定CO經余熱回收裝置全部轉化為CO2)體積分數約為24%，CO2排放量(3.75～4.43)×107m3/a(標態(tài))，即73.7～87.1 kt/a，相當于每年浪費標煤20.1～23.8 kt，即合成氨工藝的煤耗提高了近20%。由此可見，即使不考慮生產成本與盈虧問題，在兩型社會建設、低碳經濟、節(jié)能減排和霧霾治理的國家大戰(zhàn)略下，廣大中、小型煤頭合成氨生產企業(yè)也身處困境之中。

富(純)氧連續(xù)氣化工藝采用液態(tài)熔渣排渣，灰渣呈玻璃狀，無污染、易堆放，可作為水泥配料或制磚原料；只在煤氣洗滌除塵時排放少量廢水，由于幾乎不含有機氣體，因此也易于凈化和循環(huán)回收；由于沒有吹風氣，所以氣化過程幾乎沒有廢氣排放。

2.2煤氣凈化技術方面的差距

2.2.1脫硫和脫碳

(1)采用間歇式固定層氣化工藝生產半水煤氣，由于氣化反應溫度低，半水煤氣中含有各種形式的硫化物，而氣體凈化度要求又很高，無論采用哪種脫硫方法都不可能單獨解決好脫硫問題，只有合理選擇濕法脫硫、有機硫轉化(水解)并結合精脫硫工藝，采用“4次脫硫、2次轉化”的工藝流程(圖4)，才能實現總硫體積分數<0.1×10-6的凈化目標[1]。由此可見，半水煤氣中有機硫的脫除是十分困難的，其工藝過程相當復雜。

(2)粉煤或水煤漿富(純)氧氣化工藝的氣化溫度高，水煤氣中有機硫含量很低，在耐硫變換過程中又有98%～99%的有機硫轉化為硫化氫，所以進入低溫甲醇洗工序的有機硫極少，采用低溫甲醇洗脫碳脫硫工藝技術一次就可以將硫化物以及CO2脫除至體積分數分別<0.1×10-6和<20×10-6。

圖4　“4次脫硫、2次轉化”工藝流程

2.2.2CO變換及原料氣精制

CO變換工藝分為非耐硫變換和耐硫變換工藝，而變換工藝的選擇將直接影響后續(xù)酸性氣體脫除和氣體精制工序的流程組合。

(1)非耐硫變換工藝采用鐵鉻系或鐵鎂系中變催化劑，凈化工藝采用濕法脫硫→中變→低變→變脫→脫碳→精脫硫→甲烷化組合，或濕法脫硫→中變→變脫→脫碳→精脫硫→雙甲工藝(醇醚化工藝)組合，或濕法脫硫→全低變→變脫→脫碳→精脫硫→甲烷化組合，均屬于熱法凈化流程[3]。也有部分中、小型合成氨企業(yè)選用寬溫鈷鉬系耐硫變換催化劑，采用全低變工藝，取得了良好的效果，但這需要對原有的脫硫凈化系統(tǒng)進行較大的改造。

甲烷化精制工藝必須與深度變換相匹配，要求低變氣中φ(CO)<0.3%，導致變換過程蒸汽消耗量成倍增加；反之，將造成甲烷化后氣體中甲烷含量增加，氨合成放空量增大，故甲烷化精制工藝一直飽受爭議。雙甲工藝對變換率要求較低，變換過程的汽氣比小、蒸汽消耗較低，也降低了脫碳工序負荷，還能將有害雜質CO和CO2轉變?yōu)楫a品甲醇，降低了總氨的原料氣消耗，已成為具有中國特色的聯(lián)醇工藝，而醇烴(醚)化工藝是在雙甲工藝基礎上的重大進步[4]。

(2)在大型煤氣化工藝中，通常采用耐硫變換工藝，并結合低溫甲醇洗脫硫脫碳工藝和液氮洗精制工藝，稱為冷法凈化流程[4]。CO變換過程選用寬溫鈷鉬系耐硫變換催化劑，采用全低變工藝，汽氣比僅為中變工藝的一半，在變換氣中φ(CO)為1.5%時，變換過程的噸氨蒸汽消耗<200 kg。低溫甲醇洗集濕法脫硫、脫碳、精脫硫于一體，大大簡化了原料氣的凈化過程。液氮洗精制工藝集原料氣精制和氫氮比調節(jié)于一體，精制氣純度很高，其氫氣和氮氣體積分數之和可達99.99%，惰氣體積分數在0.01%內，可有效降低氨合成循環(huán)氣中惰氣含量、放空氣量和弛放氣量，可達到提高氨凈值、降低噸氨原料氣消耗的目的，有著甲烷化工藝無可比擬的優(yōu)越性。

2.2.3壓縮機能耗

從節(jié)能降耗和生產成本來看，用于氣體壓縮的能耗占合成氨總能耗的20%～25%。如果原料氣在加壓條件下氣化，則只要將制氣所需的少量富(純)氧加壓并提高蒸汽壓力，就可得到加壓煤氣，與將常壓煤氣進行壓縮相比，可減小壓縮功50%～75%[5]，對改變生產成本的構成和提高經濟效益是明顯的。不同煤氣壓力與壓縮機功耗的關系見表1。

表1不同煤氣壓力與壓縮機功耗的關系

項 目煤氣壓力/MPa氨合成壓力/MPa總壓縮比γ壓縮功耗比1)壓縮機類型小型間歇式氣化0.1323203.17電動往復式大型富氧連續(xù)氣化2.0157.51.50汽動離心式4.0153.751.30汽動離心式6.0152.51.20汽動離心式8.0151.8751.13汽動離心式

注：1) 壓縮功耗比=(m-1)/m，其中為總壓縮比，m為多變指數(取1.25)。

由表1可知，煤氣壓力0.1 MPa、氨合成壓力32 MPa的高壓機功耗是煤氣壓力6.0 MPa、氨合成壓力15 MPa時的2.64倍，我國合成氨操作壓力過高已成為合成氨噸氨能耗居高不下的主要原因。低壓氨合成工藝可采用汽動壓縮機代替電動壓縮機，則從燃煤起算，汽動方案總熱效率比電動方案高約2倍，這是大型合成氨裝置比中、小型裝置能耗低的一個重要原因[5]。

2.3氨合成技術方面的差距

(1)中、小型合成氨裝置通常采用高壓、高溫、高空速、軸向合成塔為特征的氨合成技術。從化學平衡的角度來看，雖然提高氨合成壓力可提高合成塔的生產強度與生產能力、平衡氨含量以及氨合成反應速率，簡化了氨分離流程，但溫度的提高將減小氨合成反應的平衡常數，不利于延長催化劑的使用壽命；而高空速雖然也能提高合成塔的生產強度與生產能力，但是降低了合成塔的氨凈值，增大了高壓機和冷凍機的動力消耗，不利于反應過程的余熱回收。文獻表明[1]，溫度為360 ℃、壓力為10 MPa時的平衡氨含量與溫度為450 ℃、壓力為30 MPa時的相當，可見，反應溫度提高90 ℃，就抵消了反應壓力提高2倍對平衡氨含量的影響，高溫、高壓的反應條件并不能有效提高氨轉化率。

(2)大型煤頭氨合成裝置采用低溫、低壓、低空速、徑向合成塔為特征的大型氨合成技術，采用低溫高活性的催化劑，通過成倍加大合成塔有效容積和催化劑裝填量，并對反應熱充分回收與綜合利用，達到了提高氨合成生產能力和降低氨合成能耗的目的。氨合成反應壓力和溫度的不同是大型合成氨裝置與中、小型合成氨裝置噸氨能耗相差懸殊的又一個主要原因。

3　中、小型合成氨企業(yè)的根本出路

3.1農用碳酸氫銨將退出歷史舞臺

據中國氮肥工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計數據，近年來我國碳酸氫銨產量變化情況如表2所示。

表2近年來我國碳酸氫銨產量變化情況

年份碳酸氫銨產量(折純氮)/kt占氮肥總產量比例/%20086560152011412810201234118

從目前情況看，碳酸氫銨產量下降的速度比預期要快[6]。除了保留30家左右、約1 000 kt/a產能生產工業(yè)碳酸氫銨和食品級碳酸氫銨的小型合成氨企業(yè)外，碳酸氫銨這個我國特有的、曾經為農業(yè)生產和糧食增產做出過重大貢獻的化肥品種將退出歷史舞臺。

3.2煤頭中型合成氨企業(yè)將難覓蹤跡

我國現有中型合成氨裝置產能15 000 kt/a左右，占我國合成氨總產能的1/4。部分中型合成氨企業(yè)已破產或被兼并，其原因并不完全是技術問題，更多的是經營理念和管理機制方面的問題。如原湖南省的資江氮肥廠和湘江氮肥廠被兼并后，其工藝技術、生產能力和產品質量并沒有質的突破，但通過轉變經營理念、改進管理機制、精簡機構和解決冗員，就實現了企業(yè)的暫時生存[7]。在低碳經濟、兩型社會、霧霾治理的國家戰(zhàn)略之下，預計10年后將難覓生產合成氨和尿素的煤頭中型合成氨企業(yè)的蹤跡，但生產硝酸銨和三聚氰胺的中型企業(yè)仍將有一席之地。

有專家建議，將中、小型合成氨裝置的中高壓合成氨流程改為低壓流程[5]，但筆者認為這是不現實的。因改低壓流程后，不只是簡單地將管線增粗、合成塔放大、多裝催化劑、改用汽動離心式壓縮機就行了，必須新建空分裝置，采用富(純)氧連續(xù)氣化裝置代替間歇式固定層氣化爐，凈化工序以耐硫變換、低溫甲醇洗、液氮洗等代替原濕法脫硫、中溫變換、變脫、脫碳、有機硫轉化、精脫硫、銅洗或甲烷化等。在大型低壓氨合成工藝流程中，合成塔大小、內件結構與中壓流程完全不同，裝填的催化劑幾乎是中壓氨合成塔的5～10倍，氨分離需采用三級氨冷，余熱回收方式也不同。總之，中、小型合成氨裝置原有的設備、管線和廠房幾乎完全沒有用武之地，與其傷筋動骨地修修補補，還不如推倒重來，雖然耗資較大，但現代社會缺乏的恰恰不是資金，而是人才、技術和市場。

3.3中、小型煤頭合成氨企業(yè)的根本出路

中、小型煤頭合成氨企業(yè)的根本出路在于：以其擁有的人才資源、市場資源和原料資源為撬桿(股份)，以金融資本為紐帶，以發(fā)展低碳經濟、產能置換的國家政策為推力，搭上大型煤頭合成氨裝置發(fā)展的快車，才能浴火重生。

3.410年后我國的合成氨行業(yè)

近年來，我國大型煤頭合成氨裝置的發(fā)展呈井噴之勢，其根本原因在于無煙煤和褐煤的成本比例較低。2014年，我國在運的大型合成氨裝置估計已達60套以上，接近合成氨總產能的1/3以上。不同燃料的成本比例如表3所示。

表3不同燃料的成本比例

項目低位熱值市價單位熱值成本/(元·MJ-1)成本比例/%天然氣33494kJ/m33.45元/m3103.16.4無煙煤25121kJ/kg600元/t23.91.5褐煤18841kJ/kg300元/t16.01.0重油40026kJ/kg3300元/t82.65.2

注：1) 以2014年湖南省4種工業(yè)用燃料的平均價格為依據。

由表3可知，天然氣的單位熱值價格是無煙煤的4倍以上，是褐煤的6倍以上。目前，市場上石油和煤炭價格一直處于下跌或低價徘徊，這既與世界經濟增長乏力有關，也與國際政治有關，這不是一種常態(tài)。目前，我國天然氣還不是市場機制定價，雖然近年來分別與土庫曼斯坦、俄羅斯等國家簽訂了大宗天然氣合同，但仍將優(yōu)先用作民用燃料，仍然難以滿足我國合成氨工業(yè)對天然氣的龐大需求，部分氣頭合成氨裝置主要起供氣調峰作用而保留，天然氣作為合成氨原料在我國是不可能有光明前景的。

隨著石油時代逐步轉入煤炭時代，煤頭合成氨等煤化工技術的開發(fā)不僅是中國的熱點，也將再度成為世界合成氨技術開發(fā)的熱點，煤在未來的合成氨原料份額中將再次占舉足輕重的地位。我國的能源結構本來就是富煤、少油、缺氣，煤的儲量是天然氣與石油儲量總和的10倍，進行油改煤、氣改煤為核心的原料結構調整勢在必行。數十年來，我國持續(xù)專注于煤頭合成氨技術的發(fā)展，恰好契合了目前合成氨工業(yè)的發(fā)展趨勢，將使我國大型煤頭合成氨工業(yè)迎來蓬勃發(fā)展的春天[7]?？梢灶A言，10年后，全國將建成約200套大型煤頭合成氨裝置，總產能將基本穩(wěn)定在80 000 kt/a，將占我國合成氨總產能的90%以上；油頭合成氨企業(yè)將完全被淘汰，只有少數生產硝酸銨、三聚氰胺、工業(yè)和食品專用碳酸氫銨的煤頭中、小型合成氨企業(yè)才能生存，而氣頭合成氨裝置的存在主要起供氣調峰作用。

[1]顏鑫.無機化工生產技術與操作[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[2]楊春升.中小合成氨廠生產操作問答[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[3]蔣德軍.合成氨工藝技術的現狀及其發(fā)展趨勢[J].現代化工，2005(8)：9- 14.

[4]顏鑫，舒均杰，孔渝華.新型聯(lián)醇工藝與節(jié)能[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[5]劉化章.合成氨工業(yè)：過去、現在和未來——合成氨工業(yè)創(chuàng)立100周年回顧、啟迪和挑戰(zhàn)[J].化工進展，2013(9)：1995- 2005.

[6]高力.氮肥行業(yè)2012年經濟運行分析及2013年展望[J].中國石油和化工經濟分析，2013(5)：35- 37.

[7]顏鑫.我國合成氨工業(yè)的回顧與展望——紀念世界合成氨工業(yè)化100周年[J].化肥設計，2013(5)：1- 6.

The Fundamental Way Out for Medium and Small Ammonia Enterprises in China

YAN Xin

(Hunan Chemical Vocational Technology CollegeHunan Zhuzhou412004)

The technical characteristics of synthetic ammonia industry in China are introduced, and the technology gap between medium and small sized ammonia plants and large coal based ammonia plants is analyzed. In next decade, large coal based ammonia plants in China will be undergoing the best development period as before; for numerous medium and small ammonia enterprises, it is fundamental way out to make use of their human resource, market resource and raw material resource as lever, financial capital as link, national policy of low carbon economy and displacing capacity as thrust, and to seize the opportunity to development together with large coal based synthetic ammonia.

synthetic ammoniatechnical characteristicsfundamental way out

顏鑫(1967—)，三級教授，中國化工學會化肥專業(yè)委員會委員，長期從事合成氨、甲醇和納米碳酸鈣生產技術研究工作；hnhgyanxin@126.com。

TQ113.2

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1006- 7779(2016)04- 0028- 05

2015- 01- 20)