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(duì)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(dāng)注重技術(shù)的更新。目前來看，我國各行業(yè)已經(jīng)逐步進(jìn)入生態(tài)文明建設(shè)總目標(biāo)中，并強(qiáng)調(diào)深入推進(jìn)節(jié)能降耗、減排環(huán)保工作的落實(shí)，利用技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備改造以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(shí)期重要的能源來源渠道，務(wù)必做好領(lǐng)頭效應(yīng)，緊跟時(shí)代需求進(jìn)一步優(yōu)化合成氨過程。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的效益增值，還應(yīng)當(dāng)制定長(zhǎng)遠(yuǎn)性目標(biāo)，除了合成氨外還需改善其相關(guān)增效，完善技術(shù)實(shí)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(duì)于能源的消耗相對(duì)較大，且會(huì)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(huì)產(chǎn)生額外的廢氣影響，針對(duì)廢氣的處理又會(huì)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(duì)于廢氣的處理并不科學(xué)，為對(duì)其進(jìn)行價(jià)值分析和回收，進(jìn)一步加劇環(huán)境破壞，還會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，不利于可持續(xù)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。合成氨生產(chǎn)會(huì)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(duì)于氨氮比例控制時(shí)主要采用氨水吸收，從而實(shí)現(xiàn)CO2換氣，再進(jìn)行脫碳處理。該工廠在技術(shù)方面進(jìn)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(shí)現(xiàn)吸附氮和二氧化碳的目標(biāo)，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(jìn)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(shí)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(jìn)行原料處理時(shí)需要進(jìn)行多道持續(xù)性操作，完成脫硫、凈化后進(jìn)入合成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氨合成反應(yīng)，再對(duì)一些氣體和剩余原料進(jìn)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(huì)影響其系統(tǒng)運(yùn)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(huì)降低生產(chǎn)質(zhì)量和效率，造成一定量的資源浪費(fèi)。第二是復(fù)雜性、規(guī)范性特征。合成氨生產(chǎn)過程相對(duì)復(fù)雜，內(nèi)容要求十分嚴(yán)謹(jǐn)，需要相關(guān)人員明確其特征與實(shí)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(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行科學(xué)改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。例如在氫氮混合氣制作時(shí)，所涉及的原料數(shù)量相對(duì)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(fèi)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(huì)需求變化和行業(yè)發(fā)展需求

黨的十九大報(bào)告詳細(xì)指明當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來需要重點(diǎn)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(qiáng)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(duì)嚴(yán)重，其原材料以能源物質(zhì)為主，且需求較大，成本高達(dá)70%以上。合成氨的生產(chǎn)過程對(duì)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(duì)繁瑣，也是額外的能源支出?，F(xiàn)如今環(huán)境污染嚴(yán)重、資源匱乏的背景下，更應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生大量氣體，而這些氣體并非完全沒有價(jià)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(jìn)行合成氨生產(chǎn)時(shí)會(huì)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(duì)CO處理的成本，還能將其賣出帶來更多收益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)主要通過多合成氨尾氣的收集與處理，實(shí)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(dāng)轉(zhuǎn)換達(dá)到50%即可獲得甲醇，具體流程為：1 mol氫氣與0.5 mol氮?dú)夥磻?yīng)，獲得1 mol氨氣，轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%時(shí)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(shí)應(yīng)用聯(lián)醇方式能夠合成1.28萬噸甲醇，市場(chǎng)價(jià)格3千元/噸，且每1噸甲醇的生產(chǎn)需要投入成本量?jī)H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(fèi)和能耗，實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)常壓提純，相對(duì)于以往的電能耗成本來說，能夠有效降低功率。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需準(zhǔn)備規(guī)定量的蒸汽和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行合成氨生產(chǎn)過程中，針對(duì)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(duì)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(dāng)前市場(chǎng)中比較常見的商品，因此可對(duì)其進(jìn)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(shí)施時(shí)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(duì)多種雜質(zhì)實(shí)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(duì)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(chǎng)十分廣泛，價(jià)格約為2元/m3，相較于以往的電解工藝，水電解對(duì)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(hù)，但生產(chǎn)流程相對(duì)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(jìn)一步彌補(bǔ)這一空缺，同時(shí)為合成氨企業(yè)帶來一定收益，符合當(dāng)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(jià)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?dú)鉃槔谶M(jìn)行處理時(shí)可應(yīng)用三進(jìn)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(shí)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(huì)直接排列分布氰基，顆粒直徑普遍為200～300 mm，且水溶性較強(qiáng)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，這類物質(zhì)存在一定堆密度，對(duì)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(qiáng)綜合效益的同時(shí)實(shí)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(yán)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(xì)分析，注重解決方案的綜合性、全面性以及針對(duì)性，從管理和技術(shù)兩個(gè)角度進(jìn)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(diǎn)，且連續(xù)性較高。因此，在管理過程中需要進(jìn)一步優(yōu)化管理內(nèi)容，完善相關(guān)機(jī)制，根據(jù)以往存在的問題給予針對(duì)性的管理方案，保證實(shí)現(xiàn)低能耗生產(chǎn)。在實(shí)際落實(shí)過程中還需對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行監(jiān)控，在設(shè)備上安裝對(duì)應(yīng)的傳感器系統(tǒng)，實(shí)時(shí)連接計(jì)算機(jī)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(fèi)，一旦超出限值立即查詢?cè)颉４送?，根?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(jìn)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(duì)于廢氣的回收利用及處理工作不佳，不僅造成資源浪費(fèi)還會(huì)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(shí)施自動(dòng)化管控，一旦出現(xiàn)問題不能及時(shí)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(jìn)行企業(yè)自身情況調(diào)查，再予以針對(duì)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(qiáng)，整個(gè)加工流程工序之間相互依靠，無論哪個(gè)單元發(fā)生故障或變化都會(huì)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(shí)施節(jié)能降耗舉措，務(wù)必注重各個(gè)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壳皝砜?，大部分合成氨工程逐漸傾向規(guī)?；a(chǎn)。在大型生產(chǎn)過程中需要多段工序進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，且對(duì)傳熱、工序流動(dòng)性的要求較高，進(jìn)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(jī)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(jìn)行脫氧處理，能夠有效降低能耗問題。在運(yùn)用時(shí)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(shì)進(jìn)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(shí)現(xiàn)熱氣循環(huán)。

4.3 加強(qiáng)生產(chǎn)管理實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗

從生產(chǎn)角度來看，需要注意以下三點(diǎn)：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(shí)際價(jià)值，并科學(xué)計(jì)算抵扣成本，為企業(yè)增加額外的收益，并利用所得收益對(duì)原有老舊設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，避免造成額外的資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理和質(zhì)量控制。第二，在制定管理制度時(shí)務(wù)必保證生產(chǎn)過程的完善性，重點(diǎn)分析各道工序中設(shè)備存在的問題，并做好臺(tái)賬記錄，科學(xué)控制運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。第三，需要建立自動(dòng)化監(jiān)管制度，將信息技術(shù)滲透在管理過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)合成氨生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)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(yán)格遵循節(jié)能、環(huán)保理念，從設(shè)備、工序的角度出發(fā)，對(duì)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。例如加大對(duì)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(duì)熱能物質(zhì)的依賴，具有經(jīng)濟(jì)性、高效性和環(huán)保性優(yōu)勢(shì)。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(shí)放熱反應(yīng)并不能達(dá)到預(yù)期效果，此時(shí)應(yīng)用催化劑能夠提升熱度，實(shí)現(xiàn)充分反應(yīng)。針對(duì)設(shè)備的改進(jìn)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(duì)CO的燃燒效率。亦可加強(qiáng)對(duì)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(gè)工序之間的配合度，將副產(chǎn)品和有害物質(zhì)進(jìn)行重新整合與利用，減少對(duì)環(huán)境的破壞。進(jìn)一步降低能源消耗成本，同時(shí)提升氣化強(qiáng)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(shí)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(huì)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(diǎn)。例如副產(chǎn)蒸汽能夠用于熱電聯(lián)產(chǎn)，在產(chǎn)生后及時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

5 結(jié)語

綜上所述，我國針對(duì)合成氨的生產(chǎn)具有規(guī)?；㈤L(zhǎng)期性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)合成氨生產(chǎn)過程中存在周期長(zhǎng)、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(huì)造成一定資源浪費(fèi)，成本能耗相對(duì)較大，直接影響其收益。因此，針對(duì)合成氨生產(chǎn)過程節(jié)能降耗的研究十分有必要，需要進(jìn)一步細(xì)化其工藝增效情況，并進(jìn)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(gè)的節(jié)能降耗，助力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。