合成氨节能降耗新思路
张祥学号：08206040212
08化学工程（2）班
【摘要】：我国化工行业的五大高耗能产业中，合成氨耗能占总量的40%。
天然气合成氨能耗的60%集中在天然气制合成气部分。
随着国家的节能减排政策的推广，合成氨系统在某些方面已经不再符合要求。
同时，随着科技的发展，以前最好的工艺技术也已经不能满足当前社会的需求。
本文提出在氨合成塔外设置一个塔前预热器, 利用氨合成塔二出气体的余热来预热一进气体, 结合合成塔内部结构与外部流程的协调改进,达到大幅度降低冷却水消耗、减轻合成塔内换热器负荷、提高合成塔容积利用系数、增加催化剂装填量、提高合成塔的生产能力和中锅蒸汽产量的目的。
【关键词】：合成氨节能减排换热器预热器逆流传热
1 引言刚刚进入二十一世纪，人类就惊讶的发现，伴随新科技，新文明的到来．能源危
机的红灯频频亮起．石油危机，煤炭危机，天然气危机等等，一次次发难，像一只只大手扼住人类赖以生存的血液．中国能源告急，西欧能源告急，北美能源告急，一时间能源问题实实在在摆在了人类面前．能源关乎国家的兴衰，民族的存亡，甚至关系到整个人类的生存。
为应对能源问题，各个国家，组织都颁布了一系列规定，一些高瞻远瞩的企业家也适时研发了新技术、新设备，目前在以煤为原料的中小型合成氨厂中, 大都采用两次分离液氨并副产蒸汽的流程。
经过数十年的发展, 该流程已日趋成熟, 目前一般比较注重合成塔内部结构的改进或合成塔尺寸的放大, 以达到降低塔内阻力和提高合成氨产量的目的。
但由于合成氨余热的综合利用率不高, 使该类合成氨工艺的吨氨能耗一直居高不下(相对以油、气为原料的大型合成氨厂)。
2 合成氨工艺流程
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。
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。
贮运：商品氨中有一部分是以液态由制造厂运往外地。
此外，为保证制造厂内合成氨和氨加工车间之间的供需平衡，防止因短期事故而停产，需设置液氨库。
液氨库根据容量大小不同，有不冷冻、半冷冻和全冷冻三种类型。
液氨的运输方式有海运、驳船运、管道运、槽车运、卡车运。
3目前氨合成塔存在的问题
目前氨合成的局部流程如图1 所示。
图1氨合成局部流程
1-氨合成塔; 2- 中置锅炉; 3- 塔外换热器
上述流程存在的主要问题是: 虽然采用了中置锅炉来回收合成氨反应的部分高温余热, 但仍有大量的低温余热被冷却水白白带走。
在图1(b) 中, 采用了塔外换热器, 回收的仍是中高温余热, 被冷却水带走的低温余热仍然没有减少, 只是相当于把部分塔内换热器移到了塔外, 对整个合成氨过程吨氨能耗的降低和有效能效率的提高意义不大。
4采用塔前预热器的合成氨工艺特点
采用塔前预热器的工艺流程如图2，该流程特点如下。
图2采用塔前预热器的合成氨工艺流程
1-氨合成塔; 2- 中置锅炉; 3- 塔外换热器; 4- 塔前预热器
（1）大幅度降低冷却水的消耗。
（2）预热入塔气体, 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。
5改进后氨合程过程热能综合利用效果
5.1 几点说明
（1）以二轴一径式氨合成塔为例, 塔前预热器采用逆流传热, 其操作温度分别为: 合成塔二出气体由100 ℃降至50 ℃, 合成塔一进气体由30 ℃预热至78 ℃(考虑2 ℃的热损失)。
（2）改进前后, 进出水冷器的冷却水温度不变, 即分别为15 ℃和30 ℃。
（3）改进前后, 合成气流量不变。
（4）改进前后, 合成气进入绝热催化床的温度不变(390 ℃)。
（5）改进前后中锅所产蒸汽压力同为2.4M Pa。
（6）其他数据参考大乘资氮集团有限公司合成氨分公司的有关数据, 具体见表1。
表1改进前后氨合成部分温度数据℃
5.2 效果
5.2.1 冷却水减少
由于改进前后进出水冷器冷却水温度一致,合成气流量不变, 因此改进前后冷却水用量只与进出水冷器的合成气温差成正比。
可见, 改进后冷却水用量将减少71.4%。
5.2.2 合成塔容积利用系数增加
一般来说, 合成塔内换热器占整个合成塔容积的1/3, 如果能合理地减少其体积, 就可相应提高合成塔的容积利用系数, 增加催化剂装填量和合成塔的生产能力。
塔内换热器的唯一作用是预热合成气, 使其温度达到合成氨的起始反应温度(380 ℃) 以上。
设置塔前预热器后, 预热了入塔气体, 从而能有效减少塔内换热器的负荷, 降低其传热面积与体积。
在合成气流量一定的时候, 塔内换热器的负荷只与所预热的合成气温差成正比。
由于改进后合成气进入绝热催化床的温度都是390 ℃, 因此改进前后塔内换热器负荷之比为:
可见, 改进后塔内换热器的负荷减少了12.8% , 假设塔内换热器体积也减少12.8% , 合成塔容积利用系数将增加1/3 ×12.8% = 4.3% ,合成塔催化剂装填量和生产能力都将相应增加4.3%。
5.2.3 中锅蒸汽产量增加
由于改进前后中锅所产蒸汽压力和合成气流量都不变, 因此改进前后中锅蒸汽产量只与合成塔一出气与二进气的温度差成正比。
经计算
即改进后中锅蒸汽产量将增加25.7%。
综上所述, 设置了塔前预热器的氨合成系统吨氨能耗将明显降低, 其有效能效率明显提高。
6 结束语
节能降耗一直是合成氨工业技改的主题。
数十年来取得了大量的成果, 尽管如此, 以煤为原料的中小型合成氨厂的吨氨能耗依然远远高于以油、气为原料的大型氨厂吨氨能耗。
在新的千年到来之际, 我国加入W TO 的时间也指日可待了,对我国800 多家以煤为原料的中小型氨厂来说,如何在W TO 的保护期内通过节能降耗, 大幅度降低成本, 迎接挑战, 是一个迫在眉睫的课题。
本文在合成氨工艺的节能降耗方面进行了一些探索, 但也存在一些问题: 个别数据还只是在实践基础上的推算, 并不精确; 合成塔外筒与中锅内管所承受的温度都有所升高, 必须做好绝热保温和安全防护措施。
参考文献：
1 钱伯章,几种合成氨节能技术介绍，化肥工业，2008 35(01)
2 郝维静刘亚山,.合成氨转化系统节能改造小结,2009
3 李荣存,合成氮系统的综合节能改造[J].石油和化工节能,2008
4 王瑾,节能型合成氨工艺与技术,贯州化工,2008
5 孙华田,合成氨生产早起工段能耗分析与节能途径,化肥设计,2009
6 李荣存,合成氨系统综合节能改造浅谈,小氮肥,2008
7 黄亚勤冯剑伟洪剑,合成氨煤气一次脱硫塔的选择,广州化工,2010。