合成氨的工业现状及节能技术.docx
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合成氨的工业现状及节能技术
合成氨的工业现状及节能技术
作者：
周堂忠
学号：
100703026
单位：
化学与化工学院10级3班
摘要：
由于石油价格的飞涨和深加工技术的进步，以"天然气、轻油、重油、煤"作为合成氨原料结构、并以天然气为主体的格局有了很大的变化，绝大多数目前已经停车或进行以结构调整为核心内容的技术改造。
我国目前的合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨的技术。
随着国家工信部颁布出台《合成氨行业准入条件（征求意见稿）》，在合成氨生产上提高了能耗的准入条件，因此加快实施合成氨生产的节能改造已经成为企业适应新形势发展的基本要求。
目前合成氨在与国际接轨后，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。
根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕"降低生产成本、提高运行周期，改善经济性"的基本目标，进一步集中在"大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行"等方面进行技术的研究开发。
关键字：
合成氨节能技术行业现状
Summary：
Asoilpricessoaringanddeepprocessingtechnology,with"naturalgas,lightoil,heavyoil,coal"asammoniarawmaterialstructureandnaturalgasasthemainpatternhaschangedalot,thevastmajoritynowtostoporstructuraladjustmentasthecorecontentofthetransformation.China'scurrentammoniaproductionhasleapttothefirstintheworld,hasbeenmasteredwithcoke,
anthracite,cokeovengas,naturalgasandassociatedgasandliquidhydrocarbonfeedstocktoproducesyntheticammoniavarietyoftechniques.WiththepromulgationoftheStateMinistryissued"syntheticammoniaindustryaccessconditions（draft）",inammoniaproductionincreasedenergyaccessconditions,thusspeedinguptheimplementationofenergysavingammoniaproductionenterprisestoadapttothenewsituationhasbecomeabasicrequirementforthedevelopmentof.Ammoniaiscurrentlyinlinewithinternationalstandards,thefocusoffuturedevelopmentistoadjusttherawmaterialsandproducts,tofurtherimprovetheeconomy.Ammoniatechnologydevelopmentbasedonanalysisofthesituation,theestimatedfutureproductionofthebasicprinciplesofammoniawillbenochangein
principle,itstechnologicaldevelopmentwillcontinuetoworkcloselyaroundthe"lowerproductioncosts,improveoperationalcycle,improvetheeconomy,"thebasicgoal,tofurtherconcentratedinthe"large-scale,lowenergyconsumption,structuraladjustment,cleanerproduction,long-termoperation"andotheraspectsof
technologyresearchanddevelopment.
Keyword：
AmmoniaEnergy-savingtechnologiesIndustryStatus
一、概述
合成氨除了本身可以作为肥料外，它是进一步制取各种氮肥的原料。
氮肥是现代农业生产比不可少的，年增加率达7%。
目前有氨制成的氮肥，最重要的是尿素、硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵、磷酸铵等。
氨用于生产各种氮肥约占其总产量的80%-90%。
目前世界上合成氨主要专利供应商有丹麦哈德尔-托普索、美国KELLOGGBROWN和ROOT和德国伍德公司。
合成氨还可用来制造硝酸、硝酸盐、铵盐、氰化物等无机物，也可用来制造胺、磺胺、腈等有机物。
氨和这些含氮化合物是生产燃料、炸药、医药、合成纤维、塑料等的原料。
鉴于氨在国民经济中的重要性，许多国家都集中主要力量解决与合成氨有关的技术和理论问题。
如高压技术、煤的气化、深冷技术、气体净制、特种钢材、催化理论等。
因此，合成氨的发展，又在理论上和技术上指导了其他新型的工业，如人造石油、甲醇、尿素的合成。
在合成氨的工业中，氨的合成主要是经过原料气的制备、净化、合成三个阶段。
在工艺流程的选择上，大型氨厂的工艺流程不止一种，但大多数采用的都是烃类蒸汽转换法，目前在国际上用于大型氨合成中具有代表性的低能耗制氨工艺有:
美国的原Kellogg工艺（现为KBR）、丹麦托普索工艺、瑞士卡萨利工艺、德国伍德工艺等。
我国合成氨工业经过40多年的发展，产量已跃居世界第1位，已掌握了以焦炭、无烟煤、褐煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃等气固液多种原料生产合成氨的技术，形成中国大陆特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的合成氨生产格局。
二、我国的合成氨工业
2.1我国合成氨工业的发展历史
我国合成氨工业的生产始于20世纪50年代，但生产规模都很小，合成氨单系列装置的生产能力最大仅为4万吨/年，氨加工产品主要为碳酸氢铵，产量满足不了市场的需求。
为了满足市场快速增长的需求，70年代，我国建设了一批中型氮肥生产装置，合成氨单系列装置的生产能力达到6-12万吨/年，主要氨加工产品为尿素或硝酸铵，大部分装置采用我国开发的以无烟煤为原料的固定层气化技术。
我国的氮肥工业自20世纪50年代以来，不断发展壮大，目前合成氨产量已跃居世界第一位，现已掌握了以焦炭、无烟煤、焦炉气、天然气及油田伴生气和液态烃多种原料生产合成氨、尿素的技术，形成了特有的煤、石油、天然气原料并存和大、中、小生产规模并存的生产格局。
目前合成氨总生产能力为4500万t/a左右，氮肥工业已基本满足了国内需求，在与国际接轨后，具备与国际合成氨产品竞争的能力，今后发展重点是调整原料和产品结构，进一步改善经济性。
随着现代农业的快速发展，高浓度化肥的市场需求不断增加，为了满足需求，增加生产能力，我国先后引进了30套以油、天然气和煤为原料的30万吨/年合成氨装置。
除此之外，我国还自行研究设计制造了以轻油为原料的生产能力为30万吨/年的合成氨生产装置。
2.2氨的原料路线
氨是用氢、氮合成的，所以合成氨的直接原料为氢和氮，原料有固体原料、液体原料和气体原料。
各种原料制氨的经济指标：
天然气
石脑油
重油
煤焦
投资/亿元
5.6
6.5
8.0
/
耗能（GJ/t-1）
28-30
35.5
41.8
54.4
成本（元/t-1）
257
309-447
220-280
500
从世界范围讲，以天然气，油田气为原料的工厂占60%以上。
其次是与天然气接近的轻油和炼厂气。
以煤为原料的只不过10%，但是基于我国国情，煤炭资源丰富，故以煤焦为例：
以焦炭为原料的制氨流程
合成氨原料结构占产能的比例（%）
年份
2000
2006
2007
2008
天然气
14
21.3
20.2
20.1
煤炭+石油焦
65
76.3
77.2
77.2
石脑油（燃油）
21
2.0
2.0
2.1
焦炉气
0.4
0.6
0.6
2.3氨生产的原则流程
氨的生产过程，粗略的讲可分成四步：
原料的生产；原料气的净化；氨的合成；氨的分离。
氨生产的原则流程如下：
在这个原则流程中，氨的合成是核心，原料气的生产和净化工艺必须满足氨的合成要求，氨的分离和循环气返回合成塔的工艺，也主要是根据合成反应的结果来确定的。
2.4合成氨的现状
2.4.1产能快速增长
我国合成氨年实际生产能力2005年已达4596×104t，但合成氨一直是化工产业的耗能大户。
2005年6月7~8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标。
我国现有合成氨生产企业522个，2008年合成氨总产能约5700万吨，2009年底预计达到6000万吨以上。
产能增加主要是新建装置和部分装置扩能改造的贡献。
2008年合成氨产量5050万吨，占世界总产量1.53亿吨的33％，居世界首位。
2.4.2合成氨贸易量及产量
每年全球合成氨贸易量约占总产量的12%以上。
2008年约为1870万吨，比2007年下降2.4%。
我国的商品液氨很少，主要用于生产肥料，非肥料需求不到10%，用于浓硝酸、己内酰胺、丙烯腈等。
我国合成氨生产设备是大、中、小规模并存，总设计生产能力为4222×104t。
目前，全国有合成氨生产企业570多家，其中2004年产量达30×104t以上的有30家，超过50×104t的已有4家。
大型合成氨设备有30套，设计能力为9．28×10。
t／a，实际生产能力为1．0×107t／a；约占中国合成氨总生产能力的22％。
中型合成氨设备有55套，生产能力为4．64×106t／a；约占中国合成氨总生产能力的11%，小型合成氨设备有700多套，生产能力为28×106t／a，约占中国合成氨总生产能力的66%。
我国合成氨年实际生产能力2005年已达4596×104t，但合成氨一直是化工产业的耗能大户。
2005年6月7~8日，全国合成氨节能改造项目技术交流会在北京召开，明确了“十一五”期间合成氨节能工程在降耗、环保等方面要达到的具体目标。
2.4.3合成氨装置大中小并存，规模趋于合理
2.4.3.1大型氮肥装置
我国目前有大型合成氨装置共计34套，生产能力约1000万t/a；其下游产品除1套装置生产硝酸磷肥之外，均为尿素。
按照原料类型分：
以天然气（油田气）为原料的17套，以轻油为原料的6套，以重油为原料的9套，以煤为原料的2套。
除上海吴泾化工厂为国产化装置外，其他均系从国外引进，按照专利技术分：
以天然气和轻油为原料的有Kellogg传统工艺（10套）、Kellogg-TEC工艺（2套）、Topsoe工艺（3套），及20世纪90年代引进的节能型AMV工艺（2套）、Braun工艺（4套）、KBR工艺（1套）；以渣油为原料的Texaco工艺（6套）和Shell工艺（3套）；以煤为原料的Lurgi工艺（1套）和Texaco工艺（1套），荟萃了当今世界上主要的合成氨工艺技术。
20世纪七八十年代引进的天然气合成氨装置均已对其进行了以"节能降耗"和"扩能增产"为目的的两轮与国外装置类似的技术改造，合成氨能耗由41.87GJ/t降至33.49GJ/t，生产能力提高了15%-22%；轻油型合成氨装置也进行了类似的增产节能技改，将能耗降至37.2GJ/t，生产能力提高了15%左右。
20世纪80年代引进的渣油型合成氨装置也进行过增产10%的改造，主要改造内容
是气化装置增设第3系列，空分工艺改为分子筛流程，目前已经具备了实现1100
万t/a合成氨的条件。
20世纪90年代，在高油价和石油深加工技术进步的双重压力下，为了改善装置的经济性，多套装置开始进行以"原料结构和产品结构调整"为核心内容的技术改造，原料结构调整包括轻油型装置的"油改煤"（采用Shell或Texaco煤气化工艺，以煤替代轻油）、渣油型装置的"油改气"（采用天然气部分氧化工艺，以天然气替代渣油）或"渣油劣质化"（使用脱油沥青替代渣油）；产品结构调整包括转产或联产氢气、甲醇等。
2.4.3.2中、小型氮肥装置
我国目前有中型合成氨装置55套，生产能力约为500万t/a；其下游产品主要是尿素和硝酸铵；其中以煤、焦为原料的装置有34套，以渣油为原料的装置有9套，以气为原料的装置有12套。
目前有小型合成氨装置700多套，生产能力约为3000万t/a；其下游产品原来主要是碳酸氢铵，现有112套经过改造生产尿素。
原料以煤、焦为主，其中以煤、焦为原料的占96%，以气为原料的仅占4%。
我国引进大型合成氨装置的总生产能力为1000万t/a，只占我国合成氨总能力的1/4左右，因此可以说我国氮肥工业主要是依靠自力更生建设起来的。
在此过程中，研究开发了许多工艺技术，促进了氮肥生产的发展和技术水平的提高，包括：
合成气制备、CO变换、脱硫脱碳、气体精制和氨合成技术。
2.5合成氨技术未来发展趋势
中国作为农业大国，也是化肥生产大国，合成氨生产大国。
最近十多年来中国合成氨生产能力大幅增长，2002年中国合成氨总生产能力约4500×10。
t／a，实际产量3654×10。
t／a，能力和产量已居世界第一位。
国内氮肥消费量经过了近20年的高速增长，目前已进入平稳发展阶段，根据国家“十五”化肥发展规划，预计2000～2010年中国化肥需求增长率约为1．5%，化肥用氨稍有增长，而工业用氨变化不大。
目前中国合成氨生产基本上已满足氮肥工业的需要，今后
氮肥工业的发展重点是调整产品结构，对合成氨的需求将缓慢成长。
根据合成氨技术发展的情况分析，估计未来合成氨的基本生产原理将不会出
现原则性的改变，其技术发展将会继续紧密围绕"降低生产成本、提高运行周期，改善经济性"的基本目标，进一步集中在"大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行"等方面进行技术的研究开发。
合成氨工业是化肥工业的基础，其发展要与农业、资源和环境相协调。
重点仍是推动结构调整、创建资源节约型和环境友好型产业,提高竞争力，实现可持续发展。
3、合成氨的节能技术
3.1先进的节能工艺
根据合成氨生产的不同产品方案（尿素、碳铵、联醇等）、选择不同工艺路线及组合是否合理，是最终能耗的关键。
目前主要采用与推广的有如下节能工艺。
3.1.1提升型固定床气化工艺
由在传统固定床气化工艺基础上进行多项系统改造与创新组合而成，主要内容是：
造气炉改造与更新、不停炉自动加煤与下灰、入炉过热蒸汽制气、高效造气鼓风机、油压控制与DCS系统优化技术、高效煤气除尘器、集中式余热回收、集中式高效低阻洗气塔、三废流化床混燃炉回收吹风气与炉渣技术、上吹增氧制气工艺等。
3.1.2节能环保型的醇烃化与醇烷化气体精制工艺
该项技术是属清洁生产工艺，主要取代传统的铜洗工艺，铜洗工艺要消耗多种化学品又耗电，操作不易稳定，易带液，是合成氨生产不稳定的环节，泄漏铜氨液及回收下来的稀氨水，影响到环境保护。
3.2合成节能
⑴降低补充气惰性气体含量；
⑵提高放空气惰性气体含量；
⑶减少合成系统气体泄漏；
⑷采用低温高活性催化剂；
⑸取消第一氨冷却器后的分离器,减少系统阻力；
⑹增加塔前预热器,提高进塔温度,从而相应提高出塔温度,并增设塔后加热器,循环热水作铜洗再生热源,节约铜洗用气；
⑺增设二气等压回收塔,在一定压力下用软水吸收放空气和驰放气中的氨供碳化工段用,废气送造气工段回收余热；
⑻采用H2PN2比自动调节控制系统,使合成气中的H2/N2比合格率从30-50%提高到80%左右,从而提高氨净值,减少循环功和超压放空损失；
⑼送高位吸氨；增设合成中置式废热锅炉副产中低压蒸汽。
3.3降低产品氨耗
3.3.1稳定碳化工艺,降低碳化过程氨耗。
搞好水平衡,减少清洗过程跑氨；
控制好碳化温度,减少氨损失；
增大碳氨结晶粒度,降低产品含水量；
稳定吸氨操作,减少吸氨尾气氨损失；
减少合成氨生产过程的自用氨耗；
稳定气体成分,降低铜洗氨耗；
充分利用回收氨水,减少脱硫氨耗。
3.3.2降低电耗
（1）提高压缩机负荷率。
（2）降低系统阻力,提高进口压力,保证冷却
效果,降低出口温度及合成压力。
（3）减少高压机泄漏。
（4）采用高净值、低压降合成塔。
（5）低空速运行。
3.4高效节能单元设备、催化剂与新材料
在工艺流程确定后，如何使用高效节能的催化剂、单元操作设备（流体输送、换热、塔器等设备），对节能也起到重要作用。
3.4.1新型催化剂
如宽温钴钼低变催化剂、低温高活性氨合成催化剂、高效的888脱硫剂、常温精脱硫剂等。
3.4.2各种分离过滤设备
如高效双级旋风除尘器、静电除焦油器、组合式高效氨分离器与高效油分离器、LH系列高效溶液过滤器、新型硫泡沫过滤器等。
这些设备在合成氨生产过程中，对确保气体与溶液的净化度、提高运行的稳定性及节能降耗都起到了有效作用。
3.4.3各种高效换热器
例如折流杆异型管换热器、波纹管热交换器（冷凝器）、板式换热器、热管式换热器、蒸发式冷凝器等多种换热器在合成氨生产有关工序中都有应用，并都取得一定的效果。
以冷冻工段使用蒸发式冷凝器为例，该设备是应用热力学、传热学等工程学的先进技术，使用了高效传热元件加以优化组合，大大提高了换热效果与冷却冷凝效果，达到节电与节约冷却水用量的节能效果，是取代传统立式水冷冷凝器的有效节能设备。
3.4.4各种高效塔器
如规整填料塔、格栅填料塔、垂直筛板塔等多种塔器在合成氨各生产工序都有应用，并都取得一定的效果。
以变脱塔为例，采用QYD型气液传质组合塔板内件取代传统填料塔，经实际使用证明，使传质效率大大提高、塔高可降低1/3、溶液循环量减少30%～50％，吨氨节电5～6kW·h，并解决了填料堵塞问题。
总结：
大型合成氨装置均为引进装置，不同年代引进的装置均代表了当期比较先进的技术。
上世纪七八十年代引进的装置，经过节能和增产技术改造，产能、消耗、质量、环保等仍处于国内领先水平；主要技术经济指标仍可跟踪上世界先进工艺技术的水平。
以油为原料的装置在结构调整中，引入洁净煤气化技术提升了原料多元化进的技术水平。
大型合成氨生产技术荟萃了当今世界上主要的先进工艺技术，是世界上原料路线和工艺技术最全的国家。
中小型合成氨装置工艺技术、装备水平通过技术改造和结构调整得到提升。
烟气余热回收技术和换热转化工艺技术不断提高，新型蒸汽转化催化剂和新型烧咀技术不得成熟，新型高效节能型转子、先进防喘振控制和调速系统不断完善，大机组状态监测和故障诊断技术投入使用，工艺余热回收技术不断改进。
合成氨工业是化肥工业的基础，其发展要与农业、资源和环境相协调。
重点仍是推动结构调整、创建资源节约型和环境友好型产业,提高竞争力，实现可持续发展。
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