化肥工业节能技术与节能潜力

化肥工业节能技术与节能潜力林若思达2008010896在提倡可持续发展的今天，节能降耗应经成为各个行业发展的大方向。

化学工业是能源消费大户，每年消费的能源量占全国能源消费总量的10%左右。

能源不仅是化工生产的燃料和动力，还是化工生产的重要原料。

一般化工产品的能源成本占总成本的20%至30%，高耗能产品的能源成本甚至达到产品成本的70%至80%。

所以化工行业的节能减排势在必行，而化肥工业作为化工行业的重要组成（见表1，化肥和氮肥的能耗一直位列化工行业的榜首）自然也需要参与其中。

表1 化工各行业产值能耗/（t标煤/万元）化肥是一种高耗能、低产值或低附加值的产品。

如1996年化学肥料制造业消费能源64.57Mt标煤，占化学工业能源消耗的52.2%，而产值只占23.3%。

能源费用在化肥产品中占的比重很大。

以天然气为原料的大型合成氨企业，吨氨产品中的能源成本占75%左右；以煤、焦为原料的中型合成氨，能源成本占70%左右；小型合成氨能源成本占73%左右。

巨大的能源消费使得化肥制造具有惊人的节能潜力，在化学肥料制造业中，氮肥制造业（含合成氨）能源消费量占化肥制造业的90%以上，占化学工业能源消费总量的50%，所以在此我将着重讨论氮肥生产中合成氨的节能技术。

节能潜力分析合成氨是氮肥生产中最重要的组成部分，我国合成氨产品能耗与国外、国内先进水平相比，都有较大的差距，差距就是潜力。

表2和表3摘自《中华人民共和国·合成氨单位产品能源消耗限额》。

表2为现有合成氨生产企业单位产品能耗限额限定值，即现有水平的最高值。

表3为合成氨生产企业单位产品能耗限额准入值和先进值。

可以看出，二者之间还是有相当差距的。

表2 现有合成氨生产企业单位产品能耗限额限定值表3 合成氨生产企业单位产品能耗限额准入值和先进值我国的合成氨企业以小型企业为主，企业数量上小型企业占85%以上，产量上小型企业占50%左右。

合成氨企业的技术装备上跨度很大，既有目前世界上先进水平的技术装备，也有相当于世界上20世纪70年代的技术水平。

加之原料、规模和管理水平的不同，我国合成氨企业的能耗状况十分复杂。

总体而言，造成我国合成氨能耗高、节能潜力大的原因有以下四个方面：①我国合成氨以煤、焦为主，这是造成能耗高的主要原因。

世界上以天然气为原料生产化肥占80%至90%，美国为98%，前苏联为92%，而我国只有21.3%。

用天然气合成氨的能耗最少，世界上先进水平为990kg标煤每吨，我国为1263kg标煤每吨。

而用煤合成氨的能耗则大得多，世界先进水平的吨氨能耗为1570至1672kg标煤，我国先进水平为1809至1844kg标煤。

我国目前平均吨氨能耗为2000kg标煤，远远大于国内外的先进水平。

②企业生产规模小。

目前，我国合成氨产量仍以中小型企业为主。

对于像合成氨这样的产品，规模上不去，成本上便无法竞争，因为在热回收利用和热功结合使用方面，装置规模大型化，其效率必然高于小型装置。

而小型企业有限的资金也局限了很多环保节能技术的投入。

③单机效率低，工艺技术落后。

我国很多中小型企业仍在采用20世纪70年代的技术，气化率低，碳的利用率和热能的回收利用率也低，造成了能效低，能耗大的结果。

④管理落后。

出去规模和技术等原因，管理在减小能耗方面的作用也不容小视。

国内同类型企业在使用原料、技术、装置、生产规模基本相同的情况下，由管理带来的能耗差距可达40%至50%。

针对这些问题，我国氮肥工业的节能主要将目光集中在降低燃料消耗，减少热量散失即回收热能，改善工艺流程，增强管理等几个方面。

合成氨能耗分析与节能措施合成氨工艺方法众多，在此我只列举代表天然气合成氨工艺的天然气蒸汽转化型合成氨和代表煤合成氨工艺的水煤浆气化型合成氨装置。

一、天然气蒸汽转化型合成氨1. 工艺流程简述天然气先经脱硫后，再与蒸汽在催化剂作用下制取粗原料气，粗原料气在经过一氧化碳变换、二氧化碳脱除、气体精制等单元，制得氢氮比（体积比）为3:1的合成气，经压缩后进入氨合成单元，制得产品氨。

2. 能耗构成某天然气蒸汽转化型45万吨/年合成氨综合能耗为29.29GJ/t NH3，能源输入和输出分别见表4-1和表4-2。

表4-1 某天然气蒸汽转化型合成氨装置输入能源构成表4-2 某天然气蒸汽转化型合成氨装置输出能源构成可以看出，在能源输入中天然气所占比重最大，而能源输出中以蒸汽为主。

3.节能措施天然气制合成氨工艺的发展主要集中在装置规模的大型化和能耗的降低上。

通过对天然气蒸汽转化型合成氨装置的能耗构成数据可以看出，天然气的消耗在合成氨综合能耗中所占比例最大，因而提高天然气的转化率、降低燃料天然气的消耗，是降低综合能耗的重要途径。

同时，减少蒸汽损耗，充分利用输出能源也十分重要。

a. 降低天然气消耗（1）操作优化①控制好转化空气补入量，控制好氢氮比，减少氨合成系统的放空损失。

②控制好甲烷蒸汽转化条件，减少炭黑的生成；炭黑会堵塞催化剂微孔，降低催化剂活性，同时影响传热，使转化管管壁因为局部过热而缩短寿命。

③优化管理和操作，使用合理的停开工方案，减少非计划停工次数，减少原料天然气的放空量。

④加强设备的管理和维护，减少生产过程中出现的泄露。

（2）新技术应用①改变转化工艺，提高天然气利用率。

在一段炉处设计换热器，反应热由二段炉高温出气提供；均衡一段炉和二段炉的转化负荷，降低热辐射，以减少燃料耗量。

②采用新型低水碳比的催化剂，减少蒸汽以减少燃料耗量。

③采用热管技术回收一段蒸汽转化炉烟气余热，用于预热燃烧空气。

④采用低能耗的脱碳工艺，如双塔再生工艺、MDEA工艺等，可使脱碳能力提高30%以上，再生热耗降低30%.⑤合成回路中采用深冷分离或膜分离技术进行驰放气的回收利用。

b. 降低蒸汽消耗（1）操作优化①调整系统的热量及蒸汽平衡，提高高压蒸汽的过热度，从而提高蒸汽的做功能力和热效率。

②在某些设备和某些部位采用新型保温材料，改进保温件结构及施工方法，减少过程热损失，提高热能利用率。

（2）新技术应用①用燃气轮机驱动工艺空气压缩机，形成热量的联合循环工艺。

②采用节能型转子，提高压缩机机组的效率。

③采用先进的防喘振控制系统和调速系统，提高装置的效率和可靠性。

④利用汽提法回收工艺冷凝液。

二、水煤浆气化型合成氨1. 工艺流程简述以原料煤和水通过磨煤制成水煤浆，将水煤浆气化后，将气体进行耐硫变换，然后用低NHD脱硫脱碳工艺脱除酸性气体，后将气体精制甲烷化，进行氨的合成。

2. 能耗构成某水煤浆气化型45万吨/年合成氨综合能耗为55.88GJ/t NH3，能源输入和输出分别见表5-1和表5-2。

表5-1 某水煤浆型合成氨装置输入能源构成表5-2 某水煤浆型合成氨装置输出能源构成可以看出，在能源输入中煤消耗和蒸汽消耗占主要地位，而能源输出中以中压氮气和锅炉水为主。

3.节能措施通过对水煤浆型合成氨装置的能耗构成数据可以看出，煤的消耗在合成氨综合能耗中所占比例最大，因而降低煤的消耗，是降低综合能耗的重要途径。

a. 降低煤消耗（1）操作优化①加强原料煤的管理。

选择采购优质煤；降低运输、储存过程中煤损耗；优化配煤、添加剂和工艺水的制浆过程。

制备出稳定的、流动性好、较高浓度地煤浆。

②严格控制气化炉工艺参数。

③优化管理和操作，使用合理的停开工方案，减少非计划停工次数，保持系统安全、稳定、长周期、高负荷运行。

④加强设备的管理和维护，防止煤浆外泄。

⑤将部分黑水代替工艺水用于磨煤，黑水中有含碳30%的细渣，可以降低原料煤的消耗，还可节水。

⑥将排放的煤浆经晾晒、破碎后用于制煤浆，不仅节省原料，而且减少了污染物的排放。

⑦综合利用气化产出的粗煤渣。

粗渣中含碳量通常在20%以上，可送煤锅炉掺烧。

（2）新技术应用采用高效煤浆添加剂，改善煤表面的亲水性能，提高煤浆质量。

b. 降低蒸汽消耗（1）操作优化①优化蒸汽系统运行工况。

②合理使用蒸汽，减少蒸汽直接减温减压，避免蒸汽过剩放空。

③优化透平和压缩机运行工况，降低蒸汽消耗。

④加强设备维修管理。

⑤完善凝液回收设施，尽量回收装置的各种蒸汽冷凝液。

（2）新技术应用①采用低温低压高活性氨合成催化剂，减小合成气压缩机功耗，降低蒸汽消耗。

②采用高效压缩机转子，提高压缩机机组的效率。

c. 其他节能措施①采取氨吸收制冷工艺，将工艺余热转化为其他装置所需的冷量。

②回用地沟水。

将含氨浓度高的废水直接用于制浆，避免废水污染环境。

③适时停用空分系统氮气鼓风机，降低电耗。

通过这两种工艺节能措施的讨论，我们可以看出，化工节能的大方向有三点：1、增强管理和维护；2、减少能量耗散；3、回收利用热量和资源。

氮肥工业离不开合成氨，在氨产品成型之后，我们可以进行多种工艺来合成氮肥。

这些工艺种类繁多，在此就不一一赘述，他们的节能要点基本和上面提到的一致：1、增强管理和维护；2、减少能量耗散；3、回收利用热量和资源。

我相信节能降耗是每个化工产业的必由之路，更是氮肥工业发展的重中之重。

参考文献：化工装置节能技术与实例分析；徐跃华主编；中国石化出版社化工节能技术手册；中国化工节能技术协会组织编写；化学工业出版社中华人民共和国国家标准·合成氨单位产品能源消耗限额；GB 21344-2008。