節能合成氨工藝與熱泵法脫碳陳宗華（蘭州化工機械及自動化研究設計院，甘肅蘭州，730060）合成氨的生產過程需要消耗大量的能量。怎樣最大限度地降低合成氨生產能耗，一直是合成氨生產廠家需要考慮的永恒課題。隨著世界能源緊張狀況的進一步加劇，各種能源價格將越來越高，因此節能降耗將成為各個企業降低產品成本、提高市場競爭力的強有力措施。作為節能手段的熱泵技術，則是首選的降低能耗、提高能源利用率的熱門技術之一。本文將研究節能合成氨工藝及其主要節能措施，并重點論述熱泵法脫碳的巨大節能效益。
1節能合成氨工藝傳統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能措施。一般采用下列措施可以節能提高轉化反應效率。具體可提高一段轉化爐的操作壓力（選用較好的爐管）并選用較好的催化劑。
2）降低水碳比，以節省大量蒸汽。
3）將一段轉化爐的較多轉化負荷留給二段轉化爐完成。
6）降低壓縮費用。可采用新型合成塔內件，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，以節省原料等。
由于具體節能措施的不同，從而產生了各種各樣的節能合成氨工藝，例如布朗工藝、英國ICI的AMV工藝、低能耗凱洛格工藝、丹麥托普索工藝、埃克森工藝、德國伍德工藝、德國林德工藝、美國PARC工藝、印度PDIL工藝等。
下面將重點介紹有代表性的以天然氣為原料1.1布朗工藝美國布朗工藝設計噸氨能耗為28GJ，其核心技術是采用過量空氣、燃氣輪機、熱泵脫碳、深冷凈化、友好操作和分子篩干燥，其主要特點如下：1）輕度的一段轉化和二段轉化爐用過量空氣。一段轉化爐水碳比2 7，出口0H4約30%，溫度694工壓力3.OMPa；二段轉化爐過量空氣50%，將產生可利用的大量熱量。由于較多的轉化負荷都轉移到二段轉化爐（放熱反應）來完成，以致一段轉化爐（吸熱反應）內的工況緩和多了，從而減少了燃料耗能損失并延長了設備的壽命。
°C的燃氣輪機尾氣供一段轉化爐燃燒用。
3）采用四級噴射閃蒸、第五級為蒸汽壓縮機抽吸閃蒸的低能苯菲爾脫碳工藝（簡稱熱泵法脫碳工藝）。
4）在甲烷化后的主流程上設置冷箱，最終凈化合成氣，并分離過剩N2（簡稱深冷凈化）。
5）采用3臺軸向絕熱式氨合成塔串聯，分別串3臺廢熱鍋爐，氨凈值高，副產125MPa高壓蒸汽（簡稱合成塔友好操作）。
英國ICI的AMV工藝采用了布朗工藝和凱洛格工藝的部分先進技術設計噸氨能耗為28.27GJ，其主要特點是：1）原料氣用工藝冷凝液飽和（利用高變氣余熱）減少工藝蒸汽用量。
2）輕度的一段轉化爐和二段轉化爐加過量空氣。一段轉化爐水碳比2. 5，出口CH4為學流體機械專業，獲研究生碩士學位，現任蘭州化工機械及自動化研究設計院化工機器研究部副部長兼壓縮機研究所所長，高級的布朗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。節能合成氨工藝與熱泵法脫碳16.3%溫度804°Q壓力42MPa二段轉化爐過量空氣25%.此措施大大減少了燃料氣用量和蒸汽用量。
3）以燃氣輪機驅動空壓機。含2 15.8%、550°C的燃氣輪機尾氣供一段轉化爐燃燒用，回收了余熱，節省了燃料。
3）改進一段轉化爐的設計。采用大爐管，減少爐管根數；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）采用了四級噴射閃蒸、第五級為蒸汽壓縮機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的能耗。
6）采用深冷凈化流程（但與布朗工藝不同）。
新鮮氣沒有直接進入深冷系統（冷箱），而是從循環氣中抽出一部分進入深冷系統，以深冷分離的方法從循環氣中分離出過剩N2、回收H2，調節循環氣中的氫氮比。
1.3低能耗凱洛格工藝低能耗凱洛格工藝的設計噸氨能耗為29GJ，其主要特點如下：1）改進轉化條件。一段轉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）采用燃氣輪機驅動空壓機，高2的高溫燃氣輪機尾氣供一段轉化爐燃燒用。
2熱泵法脫碳系統在大多數節能合成氨工藝（如布朗工藝、AMV工藝）中，采用熱泵法脫碳是其最主要的節能措施之一。傳統的典型法脫碳工藝（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，比典型法節能33%采用蒸汽壓縮機后的熱泵法脫碳工藝每立方米CO2熱耗為19641J，比典型法節能61%.顯然，熱泵法節能效果比噴射2）增設燃燒空氣預熱器，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）是針對二段吸收、二段再生的典型法基本流程的缺點改進而來。從典型法可以看出，貧液從再生塔底直接出來，用于吸收塔則嫌溫度高，若不冷卻，必然會導致熱量損失；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，設置低壓鍋爐產生約0.4MPa（G）蒸汽，并使此蒸汽通過閃蒸槽和蒸汽壓縮機，此蒸汽和從再生塔底部出來大氮肥的貧液在閃蒸槽閃蒸出的二次蒸汽一起通過蒸汽壓縮機加壓后送到再生塔底部。這樣通過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，調整了溶液的濃度）溶液再生更完全，又使貧液在通過閃蒸槽后溫度降低（此時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）。吸收塔底部出來的富液（轉化度為0.75~0.9，壓力約2.5MPa）在通過水力渦輪機（帶動貧液泵）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（經冷卻、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，同時進行傳質和傳熱，液相中C2不斷被汽提出來，堿液從而得到再生成為貧液，最后貧液從再生塔底部流出，通過閃蒸槽降溫后分兩路分別進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，通過蒸汽壓縮機的抽吸和加壓，以消耗較小機械能的代價，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，達到了能量綜合利用和節能降耗的雙重目的。熱泵裝置中的蒸汽壓縮機又稱熱壓縮機，一般為離心式壓縮機。表1分別列出了布朗工藝和AMV工藝中應用的離心式蒸汽壓縮機的主要技術參數。由于熱泵法脫碳工藝中的蒸汽壓縮機是一種壓縮以水蒸汽（含少量⑴2）為主要介質的離心式壓縮機，且轉速較高，因此設計計算時必須考慮介質壓縮因子、介質腐蝕性、高溫、振動、強度等因素，以期達到設備高效、可靠、安全、長周期運行的目的。
表1離心式蒸汽壓縮機主要技術參數工藝布朗工藝AMV工藝壓縮介質進口壓力/MPa（A）進口溫度/°c出口壓力/MPa（A）出口溫度/°c質量流量/kgDh1電機轉速/r.min1電機功率/kW/ 3結論1）節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、降低壓縮費用、節省燃（原）料等主要節能措施，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節能合成氨工藝都采用熱泵法脫碳裝置來節能，其脫碳節能比例占總節能的40%左右。
3）熱泵法脫碳比典型法節能61%節能效果極其顯著，建議國內各大型合成氨廠采用這一節能脫碳工藝技術。 |