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摘要：煤化工合成氨是煤化工应用的重要方面，随着能源不断紧缺，使得煤化工行业进行节能降耗、产能升级等。本文主要对合成氨工艺的主要工序进行介绍，对节能降耗的关键点进行简要分析以期为相关的工艺提供参考。
关键词：煤化工；合成氨；节能降耗
1煤化工合成氨工艺的流程分析
1.1原料气的制备
煤化工合成氨的原料气制备过程是在高温蒸汽、氧气和其他气化剂的作用下对煤进行处理，最终生成氢气和一氧化碳。气态烃类物质，多选用二段蒸汽转化法制备合成气。
氧气多来源于空分装置。空分即空气分离，通过将空气进行降温使其液化，再利用氮气和氧气的沸点不同，将其进行分离；氮气是合成氨的原料，氧气作为氧化气体用于合成水煤气。
1.2原料气的净化工序
无论何种方式得到合成氨所用原料气，粗原料气内除含有氢气和氮气外，还存在大量的杂质气体，主要是一氧化碳、二氧化碳、有机硫和无机硫等气体成分。由于合成氨工艺只需要氢气和氮气，因此需要对杂质气体进行去除，实现原料气的净化。
主要的过程有一氧化碳的变换反应过程和脱硫脱碳过程。
（1）一氧化碳的变换反应
一般情况下，粗原料气中含有的CO气体的占比约为10%左右，通常利用变换反应使得一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，二氧化碳可以更加容易去除，而氢气可以作为合成氨的原料气。变换反应不仅可以实现一氧化碳的脱除，也可以实现原料气的再生产。此过程在实际进行时，需要消耗大量的蒸汽，是合成氨工艺中的主要耗能之一，因此可以作为节能降耗的关注点。
（2）脱硫脱碳反应
粗合成气在完成变换反应后，内部杂质气体的主要成分是硫杂质气体、二氧化碳，二氧化碳是合成尿素、碳酸氢铵的主要原料，二氧化碳的脱除后可以进行再利用。工业脱硫的方式一般采取化学和物理吸收法，如低温甲醇洗、聚乙二醇二甲醚法。
1.3原料气的精制
原料气进行净化工序后，杂质气体大部分被消除，但还存在少量的一氧化碳、二氧化碳及部分硫杂质气体，为防止杂质气体对合成氨催化剂造成影响，需要对微量的杂质气体进行再次脱除，即原料气的精制过程。此阶段采取的脱除方式主要有铜氨溶液吸收法、甲烷化法及深冷液氮洗涤法。
1.4氨的合成工序
氨的合成工序是整个工艺中的关键，也是氨的主要生产工序。在高温、高压和催化剂存在条件下，由精制工序得到的纯净原料气进行反应，最终生成液氨产品。一般情况下，氨合成塔反应的转化率较低，仅有10%–20%的合成气进行反应，因此为了提升反应的收率，在合成塔的出口位置设置分离系统，将反应得到的液氨产品与未反应的氮气、氢气进行分离，未反应的合成气经过循环气压缩机进入氨合成塔内再次进行反应。氨合成工段是整个合成氨工艺的核心，其效率和生产情况直接关系着整个工艺的经济性。
1.5氨的分离合成氨工序
合成工序提到，由于受到热力学平衡的影响，合成氨一次转化率不高，为了提升整体反应的收率情况，需要对液氨进行分离提纯，将未反应的合成气循环后再次进入合成塔反应。此时，需要利用氨的分离系统，工业常用的分离方法是水吸收法、冷凝分离法。目前，常用冷凝分离法，即将合成氨工序产物进行冷凝降温处理，氨液化得到液氨，通过分离器进行分离提纯。
2合成氨技术的现状和进展
2.1 传统型蒸汽转化制氨工艺流程
传统的合成氨技术以美国Kellogg公司开发出的Kellogg工艺为代表，随后丹麦TOPSOE公司、英国ICI公司、德国BRAUN公司等西方国家在Kellogg工艺的基础上都开发出了具有自主知识产权的合成氨工艺。这些生产工艺都具有一些典型的共性单元：合成气生产单元、合成气净化提纯单元、氨气合成单元、分离单元等。其中最典型的合成气生产单元主要应用天然气-水蒸汽转化技术。
2.2 低能耗制氨工艺流程
（1）低温转化，在甲烷-水蒸汽转化炉中降低水碳比、降低出口温度、提高出口甲烷含量，可以将第一段加工能耗转移到第二段转化炉中；在第二段转化炉中提高空气压力和流量，提高转化效率。
（2）脱碳工艺降耗：采用改良MEDA或者本菲尔德低能耗脱碳工艺降低装置能耗。
（3）深冷净化：在甲烷-水蒸汽转化合成气单元后进入合成氨单元前，加入深冷净化工艺，将合成气中的甲烷和氩气脱除，同时通过液氮流量调节，调节合成气中氢气与氮气的质量比。
（4）提高合成回路效率：催化剂是提高氨合成转化率、降低生产能耗、提高投料量的核心要素。Kellogg公司开发的立式径向流动合成塔以及微米颗粒催化剂，可以有效提高合成氨转化率、降低反应系统压力、提高能量利用率。
2.3重油或煤气化
（1）煤气化生产合成气技术：德士古公司、Destec工程公司开发水煤浆气化工艺，壳牌公司和德国Prenflo公司开发了煤粉流化床气化工艺，德国鲁奇有限公司开发了固定床煤粉气化工艺。煤气化技术不仅能够代替天然气资源生成合成气，还能够利用热电联产技术耦合实现煤炭资源的清洁化利用。
（2）重油氧化气化生产合成气技术：重油生产合成气工艺核心是重油的低转化氧化技术，目前国际上使用重油部分氧化生产合成气的公司主要以壳牌公司和德士古公司为代表，全球140多套中有部分氧化装置为羰基化、高纯度氢气合成、低碳醇生产、氨气合成等提供了优质的合成气原料。目前，关于重油部分氧化生产合成气装置技术研究主要集中在以下几方面：不断优化重油进料喷嘴，满足不同化学组成和理化性质的重油进料；优化气化炉内构件，降低高压空气和蒸汽进料量，降低装置运行的资源消耗量和能耗；研究炭黑回收工艺，满足金属含量高的重油加工。
2.4装置单系列产量最大化阶段
在装置工程技术改造、工艺优化、催化剂级配优化、催化剂开发的研究技术上，合成氨生产的能耗已经降低到27.8GJ，根据生产经验和理论能耗（22GJ），合成氨生产能耗继续降低的空间非常小。因此，生产企业为了降低生产成本，不断提高合成氨装置产量，寻找最大产量。随着天然气价格的不断攀升，企业承担的天然气加工成本越来越高，重油部分氧化生产合成气和煤气化技术受到了越来越高的重视。基于重油部分氧化生产合成气和煤气化技术，企业也开展了大量的装置、工程技术结构调整优化工作。
2.5合成氨装置的结构调整
在“天然气、劣质油、轻油、煤”原料结构优化调整，企业需要考虑的因素非常多也很复杂，特别是原料价格波动和产业技术革命等动态因素，加剧了原料结构优化调整的不确定因素。原料结构优化调整方案需要考虑的因素包括：国家化石能源禀赋、厂区所处位置的化石能源结构特点、厂区地理位置（与原料运输成本有关）、装置基础投资成本、装置运行成本等。几种生产合成气的原料中，天然气生产合成气装置的投资成本、装置运行成本、原料性价比都是最高的，企业应当优先考虑天然气改造。如果受到化石能源结构限制或者地理位置的限制，企业只能考虑重油或者煤碳生产天然气技术改造。
为了降低投资成本、提高生产效益，企业可以通过“油煤气”联合产气的方式，发挥三种能源的特点，降低生产成本和装置运行成本，提高生产效益。
3结语
总而言之，合成氨生产过程中的节能降耗是一项系统性、长期性的工程，需要各方的持续努力。在合成氨生产的过程中，如何对其产生的废气进行合理有效地利用，针对企业的不同情况可采取不同的措施，从而达到保证经济效益以及环境保护的双重要求。随着废气利用的技术不断创新，工艺不断改善，相信在不久的未来，合成氨生产中的尾气能具有更加广泛的应用，从而促进企业的长效可持续发展，从废气利用中达到节能效益。
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