節(jié)能合成氨工藝與熱泵法脫碳陳宗華（蘭州化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院，甘肅蘭州，730060）合成氨的生產(chǎn)過(guò)程需要消耗大量的能量。怎樣最大限度地降低合成氨生產(chǎn)能耗，一直是合成氨生產(chǎn)廠家需要考慮的永恒課題。隨著世界能源緊張狀況的進(jìn)一步加劇，各種能源價(jià)格將越來(lái)越高，因此節(jié)能降耗將成為各個(gè)企業(yè)降低產(chǎn)品成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的強(qiáng)有力措施。作為節(jié)能手段的熱泵技術(shù)，則是首選的降低能耗、提高能源利用率的熱門(mén)技術(shù)之一。本文將研究節(jié)能合成氨工藝及其主要節(jié)能措施，并重點(diǎn)論述熱泵法脫碳的巨大節(jié)能效益。
1節(jié)能合成氨工藝傳統(tǒng)的合成氨工藝流程能耗普遍偏高，為了降低能耗，必須在制氣、凈化和合成三大塊分別采取節(jié)能措施。一般采用下列措施可以節(jié)能提高轉(zhuǎn)化反應(yīng)效率。具體可提高一段轉(zhuǎn)化爐的操作壓力（選用較好的爐管）并選用較好的催化劑。
2）降低水碳比，以節(jié)省大量蒸汽。
3）將一段轉(zhuǎn)化爐的較多轉(zhuǎn)化負(fù)荷留給二段轉(zhuǎn)化爐完成。
6）降低壓縮費(fèi)用。可采用新型合成塔內(nèi)件，以降低壓降；也可采用好的催化劑，以便在低壓力下操作。
7）從合成回路的弛放氣中回收H2，以節(jié)省原料等。
由于具體節(jié)能措施的不同，從而產(chǎn)生了各種各樣的節(jié)能合成氨工藝，例如布朗工藝、英國(guó)ICI的AMV工藝、低能耗凱洛格工藝、丹麥托普索工藝、�？松に�、德國(guó)伍德工藝、德國(guó)林德工藝、美國(guó)PARC工藝、印度PDIL工藝等。
下面將重點(diǎn)介紹有代表性的以天然氣為原料1.1布朗工藝美國(guó)布朗工藝設(shè)計(jì)噸氨能耗為28GJ，其核心技術(shù)是采用過(guò)量空氣、燃?xì)廨啓C(jī)、熱泵脫碳、深冷凈化、友好操作和分子篩干燥，其主要特點(diǎn)如下：1）輕度的一段轉(zhuǎn)化和二段轉(zhuǎn)化爐用過(guò)量空氣。一段轉(zhuǎn)化爐水碳比2 7，出口0H4約30%，溫度694工壓力3.OMPa；二段轉(zhuǎn)化爐過(guò)量空氣50%，將產(chǎn)生可利用的大量熱量。由于較多的轉(zhuǎn)化負(fù)荷都轉(zhuǎn)移到二段轉(zhuǎn)化爐（放熱反應(yīng)）來(lái)完成，以致一段轉(zhuǎn)化爐（吸熱反應(yīng)）內(nèi)的工況緩和多了，從而減少了燃料耗能損失并延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命。
°C的燃?xì)廨啓C(jī)尾氣供一段轉(zhuǎn)化爐燃燒用。
3）采用四級(jí)噴射閃蒸、第五級(jí)為蒸汽壓縮機(jī)抽吸閃蒸的低能苯菲爾脫碳工藝（簡(jiǎn)稱熱泵法脫碳工藝）。
4）在甲烷化后的主流程上設(shè)置冷箱，最終凈化合成氣，并分離過(guò)剩N2（簡(jiǎn)稱深冷凈化）。
5）采用3臺(tái)軸向絕熱式氨合成塔串聯(lián)，分別串3臺(tái)廢熱鍋爐，氨凈值高，副產(chǎn)125MPa高壓蒸汽（簡(jiǎn)稱合成塔友好操作）。
英國(guó)ICI的AMV工藝采用了布朗工藝和凱洛格工藝的部分先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)噸氨能耗為28.27GJ，其主要特點(diǎn)是：1）原料氣用工藝?yán)淠猴柡停ɡ酶咦儦庥酂幔p少工藝蒸汽用量。
2）輕度的一段轉(zhuǎn)化爐和二段轉(zhuǎn)化爐加過(guò)量空氣。一段轉(zhuǎn)化爐水碳比2. 5，出口CH4為學(xué)流體機(jī)械專業(yè)，獲研究生碩士學(xué)位，現(xiàn)任蘭州化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院化工機(jī)器研究部副部長(zhǎng)兼壓縮機(jī)研究所所長(zhǎng)，高級(jí)的布朗T藝、狒工藝和低能耗凱洛格工藝。工程師，已斗技論文30多篇電話731酵陳宗華。節(jié)能合成氨工藝與熱泵法脫碳16.3%溫度804°Q壓力42MPa二段轉(zhuǎn)化爐過(guò)量空氣25%.此措施大大減少了燃料氣用量和蒸汽用量。
3）以燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)。含2 15.8%、550°C的燃?xì)廨啓C(jī)尾氣供一段轉(zhuǎn)化爐燃燒用，回收了余熱，節(jié)省了燃料。
3）改進(jìn)一段轉(zhuǎn)化爐的設(shè)計(jì)。采用大爐管，減少爐管根數(shù)；采用陶瓷纖維隔熱材料，減少熱損失。
收噴射閃蒸半貧液的低能耗苯菲爾脫碳（改良苯菲爾法）。
4）采用了四級(jí)噴射閃蒸、第五級(jí)為蒸汽壓縮機(jī)抽吸閃蒸的低能耗苯菲爾脫碳工藝。
1型氨合成催化劑，故合成回路操作壓力低（只有10. 2MPa），降低了合成氣壓縮機(jī)的能耗。
6）采用深冷凈化流程（但與布朗工藝不同）。
新鮮氣沒(méi)有直接進(jìn)入深冷系統(tǒng)（冷箱），而是從循環(huán)氣中抽出一部分進(jìn)入深冷系統(tǒng)，以深冷分離的方法從循環(huán)氣中分離出過(guò)剩N2、回收H2，調(diào)節(jié)循環(huán)氣中的氫氮比。
1.3低能耗凱洛格工藝低能耗凱洛格工藝的設(shè)計(jì)噸氨能耗為29GJ，其主要特點(diǎn)如下：1）改進(jìn)轉(zhuǎn)化條件。一段轉(zhuǎn)化爐出口壓力提高到35MPa出口溫度降到793C入爐管混合氣溫度提高到621C；二段轉(zhuǎn)化爐工藝空氣溫度提高到850C 5）采用分子篩脫除新鮮氣中的H2O和微量C2，使新鮮氣能直接進(jìn)入合成塔入口。
6）采用新型層間換熱器的臥式合成塔。
7）采用四級(jí)氨冷和組合式氨冷器。
8）采用普里森裝置回收弛放氣中的吐。
9）采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)，高2的高溫燃?xì)廨啓C(jī)尾氣供一段轉(zhuǎn)化爐燃燒用。
2熱泵法脫碳系統(tǒng)在大多數(shù)節(jié)能合成氨工藝（如布朗工藝、AMV工藝）中，采用熱泵法脫碳是其最主要的節(jié)能措施之一。傳統(tǒng)的典型法脫碳工藝（為二段吸收、二段再生），每立方米CO2熱耗為50241J；采用蒸汽噴射泵后的噴射法脫碳工藝每立方米C2熱耗為33491J，比典型法節(jié)能33%采用蒸汽壓縮機(jī)后的熱泵法脫碳工藝每立方米CO2熱耗為19641J，比典型法節(jié)能61%.顯然，熱泵法節(jié)能效果比噴射2）增設(shè)燃燒空氣預(yù)熱器，回收煙氣余熱，使法更顯著。
排煙溫度降到149C熱泵法脫碳的工藝流程（見(jiàn)）是針對(duì)二段吸收、二段再生的典型法基本流程的缺點(diǎn)改進(jìn)而來(lái)。從典型法可以看出，貧液從再生塔底直接出來(lái)，用于吸收塔則嫌溫度高，若不冷卻，必然會(huì)導(dǎo)致熱量損失；而低變氣出口溫度也較高。因此，可以利用低變氣為熱源，以冷凝液為介質(zhì)，設(shè)置低壓鍋爐產(chǎn)生約0.4MPa（G）蒸汽，并使此蒸汽通過(guò)閃蒸槽和蒸汽壓縮機(jī)，此蒸汽和從再生塔底部出來(lái)大氮肥的貧液在閃蒸槽閃蒸出的二次蒸汽一起通過(guò)蒸汽壓縮機(jī)加壓后送到再生塔底部。這樣通過(guò)回收低變氣和貧液的熱量，既使再生塔得到的蒸汽量增加（增加了再生能量，調(diào)整了溶液的濃度）溶液再生更完全，又使貧液在通過(guò)閃蒸槽后溫度降低（此時(shí)貧液溫度適用于吸收塔中部，去吸收塔頂部仍需再冷卻，通過(guò)降低溫度保證吸收塔頂部原料氣的凈化率）。吸收塔底部出來(lái)的富液（轉(zhuǎn)化度為0.75~0.9，壓力約2.5MPa）在通過(guò)水力渦輪機(jī)（帶動(dòng)貧液泵）回收能量后，壓力降低（接近常壓）直接引到再生塔頂，由于富液壓力降低，溫度也有所下降，富液中C2和水蒸汽在再生塔頂部就有部分被閃蒸出來(lái)（經(jīng)冷卻、分離后分別得到CO2和冷凝液，冷凝液須泵回到再生塔頂部）然后富液沿再生塔填料下流，與自下而上的蒸汽逆流接觸，同時(shí)進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱，液相中C2不斷被汽提出來(lái)，堿液從而得到再生成為貧液，最后貧液從再生塔底部流出，通過(guò)閃蒸槽降溫后分兩路分別進(jìn)入吸收塔的中部和頂部。
顯然，熱泵法脫碳工藝的核心是采用蒸汽壓縮機(jī)，通過(guò)蒸汽壓縮機(jī)的抽吸和加壓，以消耗較小機(jī)械能的代價(jià)，獲得了大量的再生所需熱量，并很好地回收了低變氣和貧液的熱量，達(dá)到了能量綜合利用和節(jié)能降耗的雙重目的。熱泵裝置中的蒸汽壓縮機(jī)又稱熱壓縮機(jī)，一般為離心式壓縮機(jī)。表1分別列出了布朗工藝和AMV工藝中應(yīng)用的離心式蒸汽壓縮機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。由于熱泵法脫碳工藝中的蒸汽壓縮機(jī)是一種壓縮以水蒸汽（含少量⑴2）為主要介質(zhì)的離心式壓縮機(jī)，且轉(zhuǎn)速較高，因此設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須考慮介質(zhì)壓縮因子、介質(zhì)腐蝕性、高溫、振動(dòng)、強(qiáng)度等因素，以期達(dá)到設(shè)備高效、可靠、安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行的目的。
表1離心式蒸汽壓縮機(jī)主要技術(shù)參數(shù)工藝布朗工藝AMV工藝壓縮介質(zhì)進(jìn)口壓力/MPa（A）進(jìn)口溫度/°c出口壓力/MPa（A）出口溫度/°c質(zhì)量流量/kgDh1電機(jī)轉(zhuǎn)速/r.min1電機(jī)功率/kW/ 3結(jié)論1）節(jié)能合成氨工藝一般在制氣、凈化和合成三大塊分別采取回收余熱、降低壓縮費(fèi)用、節(jié)省燃（原）料等主要節(jié)能措施，以顯著降低能耗。
2）布朗工藝、AMV工藝、低能耗凱洛格工藝等大多數(shù)節(jié)能合成氨工藝都采用熱泵法脫碳裝置來(lái)節(jié)能，其脫碳節(jié)能比例占總節(jié)能的40%左右。
3）熱泵法脫碳比典型法節(jié)能61%節(jié)能效果極其顯著，建議國(guó)內(nèi)各大型合成氨廠采用這一節(jié)能脫碳工藝技術(shù)。 |