合成氨生产造气工段的能耗分析及节能途径

合成氨生产造气工段的能耗分析及节能途径造气工段是合成氨生产能耗最高，同时又是余热最多的岗位。

努力降低煤气生产的原料、蒸汽和用电消耗，切实做好余热回收利用工作，是降低合成氨综合能耗和生产成本的有效途径。

生产一吨合成氨理论能耗为22.78×106KJ，但从目前的现实情况看，即使一些较为先进的企业，实际生产的能耗水平也远大于此值。

所以，无论是从理论上分析还是实践认为，进一步降低合成氨能耗的空间较大，深入挖掘降耗潜力，努力降低生产成本，是小氮肥行业生存发展的关键。

节能问题涉及全厂各工序，本文就造气工段如何提高碳的利用率、减少蒸汽用量、降低电耗方面加以具体阐述。

1 提高燃料利用率的途径燃料在气化过程中，转化到半水煤气组成中的碳量，称为有效消耗。

在实际气化生产中，还要以其它形式消耗大量的碳，如吹风过程中所燃烧的碳、灰渣中末燃尽的碳、随着气体带走的尘粒中含碳等。

事实上转化为半水煤气中的碳量，仅是整个煤气生产过程中原料消耗的一部分，其比值即为碳的有效利用率。

在生产中，希望有效消耗所占总消耗的比例越高越好，这就需要努力提高燃料的利用率，尽量减少其它形式的碳损失。

原料在气化过程中，转入到半水煤气中的碳，是以一氧化碳和二氧化碳两种形式存在的，生成甲烷则是不希望发生的副反应。

假如使用的气化原料品种和气化条件已确定，则半水煤气中的一氧化碳和二氧化碳的总量也就相应为一定值。

根据目前的煤气生产水平，半水煤气中一氧化碳含量一般在28%～31%范围内，二氧化碳含量占7%～8%之间。

若生产一吨氨，半水煤气的消耗量用V半表示，半水煤气中一氧化碳和二氧化碳总含量为30%+7.5%＝37.5%，则每生产一吨氨转入半水煤气中的碳含量为：0.375×12/22.4V半＝0.2009V半(kg/tNH3)折成标准煤为：0.2009V半÷0.84=0.239V半(kg/tNH3)式中0.375——是半水煤气中CO+CO2组分百分含量；12——碳的原子量；22.4——标准状况下，每千摩尔体积(Nm3)V半——吨氨半水煤气消耗量(Nm3)；0.84——吨标准煤的含碳量。

若吨氨消耗半水煤气3200Nm3则在CO含量30%，CO2含量7.5%的条件下，(CH4不计)，吨氨理论消耗碳量为：0.239× 3200=764.8(kg标准煤)实际生产中，耗碳量并不是都转化到半水煤气中。

若碳的有效利用率为65%，则吨氨耗标准煤为：764.8÷0.65=1176.6(kg)碳的利用率提高到70%，则吨氨耗标准煤为：764.8÷0.7=1092.6(kg)碳的有效利用率由65%提高至70%，吨氨标准煤可下降84kg，可见，努力提高碳的利用率是降低消耗的主要途径。

也是提高企业经济效益的关键。

如一个年产10万吨合成氨的企业，煤气生产过程碳的利用率由65%提高至70%，每年节约价值为：10×0.084×800=672(万元/年)式中10——合成氨年产量；0.084——吨氨节约标准煤，吨；800——按目前吨标准煤入炉价，元。

提高碳的有效利用率需做好以下几方面的工作；(1)提高吹风效率吹风的目的是提高气化层温度并积蓄热量为制气过程创造条件。

吹风效率是积蓄于燃料层中的热量和消耗燃料所具有的热值之比。

其意义可用下式表示：E吹风=100(Q反- Q气)/ Q燃式中：E吹风——吹风阶段的效率%；Q燃——吹风阶段消耗的燃料所具有的热值(KJ)；Q反——吹风时反应放出的热量(kJ)；Q气——吹风气带走的热量(kJ)。

很明显，要提高吹风效率(E吹风)，只有努力增大Q反，降低Q气和Q燃。

由吹风阶段化学反应可知，吹风阶段每消耗一千摩尔碳所放出的反应热Q反，同生成产物中一氧化碳和二氧化碳的含量有关。

生成一千摩尔分子二氧化碳放出热量为393.51×103KJ，生成一千摩尔一氧化碳仅可放出热量110.52×103KJ，后者放出的热量为前者的28.1%。

因此，气化层温度控制在适宜的范围内，提高空气流速(炭层不吹翻的前提下)降低吹风气中的一氧化碳含量是十分重要的。

吹风气中一氧化碳含量增加(吹风气中平均CO含量应小于6.0%)或吹风升温过高，Q气亦相应的提高，吹风效率就要降低。

在实际生产中，随着吹风时间的延续，吹风气中一氧化碳含量逐渐升高是不可避免的，降低气化层温度可以减少二氧化碳还原为一氧化碳的反应，但是，炉温低制气质量差、蒸汽分解率低、未分解的蒸汽从炉内带走了大量热量，对降低两煤消耗，提高煤气炉气化强度都是不利的。

显然，吹风阶段与制气过程对气化层温度要求是矛盾的。

为了保持气化层有较高的温度，又要减少吹风气中一氧化碳含量，可采用提高风机风压、风量，减少吹风百分比的办法。

但是风压、风量过大，一是吹风阶段带出物明显增多，二是炉内炭层容易吹翻，很难长期稳定运行。

而风压、风量过小，则会导致煤气炉气化强度降低，由于空气流速慢，利于二氧化碳还原为一氧化碳，吹风效率降低，增加了吹风阶段碳的消耗量，降低了碳的利用率。

所以，根据各厂所用燃料的特性、粒度等条件，选择适宜的风压、风量参数的鼓风机和循环时间、吹风百分比，控制适宜的炭层高度和气化层温度、厚度、位置，全方位降低热量损失，是提高碳的利用率，降低两煤消耗的主要途径之一。

根据理论分析和实践探索，Ф2600mm系列煤气炉，吹风强度控制在3800～5000Nm3/m2h(优质原料取高限，劣质原料取低限)。

Ф2600mm煤气炉，一般情况下吹风效率不到60%，若炉顶、炉下出气温度较高时，只有50%左右，即要在炭层中积蓄一份可供制气用的热量，往往要烧掉发热量两倍于这份热量的燃料。

因此，炭层中的热量应尽可能地用于制气，任何热量来过热入炉蒸汽或空气，为制气反应提供热量，都要比用这些热量产生蒸汽来得合理。

换句话说，从气化层移走的任何热量，尽管是可以用来产生蒸汽而加以回收，但也总是因为气化层中积蓄的热量效率太低而是不经济的。

通过计算，吹风时炉上温度由450℃降为250℃，吹风效率可提高6%左右。

要想达到理想的吹风效率，第一，保持气化层温度在适宜的范围内，并选择适宜的空速，尽量降低吹风气中一氧化碳含量。

第二，在煤气炉高径比允许的情况下，控制适宜的炭层高度、气化层厚度、灰渣层厚度，并保持较高的上预热层厚度(在风机能力允许的情况下)，以增加煤气炉燃料层蓄热能力，为提高煤气炉的气化效率创造有利条件。

在吹风阶段，碳与氧的反应是燃烧反应。

实验证明，这一反应在800℃以上时，几乎是不可逆的自左向右进行，而且属于扩散控制。

因此，在一般煤气发生炉操作的温度下，对二氧化碳生成总反应速度来说，氧的扩散速度乃是这个反应的主要控制因素。

通过对碳与氧反应研究表明，这一反应在775℃以下时，属于动力学控制。

在高于900℃时，属于扩散控制，在两者温度之间，可认为处于过渡区。

根据固定层煤气炉气化过程的特点认为，碳与氧之间首先进行燃烧反应，然后，产物CO2再与气化层上部的碳原子进行还原反应。

一般认为，碳与二氧化碳之间的反应速度比碳燃烧速度要慢得多。

在2000℃以下基本属于动力学控制，反应速度也大致认为CO2的一级反应。

根据吹风过程反应的特点，控制适宜的吹风强度和气化层温度，对提高吹风效率，降低原料煤及蒸汽消耗具有重要的意义。

2)提高制气效率制气阶段的效率E制气是指所获得半水煤气热值Q气与气化时所消耗的燃料所具有的热值Q燃、气化剂(蒸汽)所带入的热量Q蒸及吹风阶段时积蓄于燃料层可利用热量Q利用三者之和之比。

E制气= Q气/(Q燃+Q蒸+ Q利用)×100%Q利用=Q反+Q气+Q损Q反——制气反应吸收的热量，kJ/mol；Q气——水煤气及未分解蒸汽带出的热量，kJ/mol；Q损——夹套等热量损失，kJ；Q利用——吹风储存到燃料层的热量，KJ。

从上式中可以看出，要提高制气效率，必须提高Q气，即提高单位制气量和水煤气中的有效成份一氧化碳、氢气含量。

制气过程中，在Q燃消耗和气化剂蒸汽所带入热量Q蒸一定的前提下，提高制气效率就是提高吹风时积蓄于燃料层内可以利用的热量Q利用的有效利用率。

吹风时积蓄于燃料层内可以利用的热量Q利用，应相当于气化反应时所吸收的热量、反应后水煤气和末分解的水蒸汽所带走的热量与损失热之和。

换言之，夹套损失热一定，提高制气效率就是控制适宜的气化层温度，提高蒸汽分解率，降低炉上、炉下温度，减少热量损失，提高水煤气的数量和质量。

碳与蒸汽之间的反应，在400℃～1000℃的温度范围内反应速度仍很慢，因此，为动力学控制。

温度超过1100℃以后，反应速度较快，开始为扩散控制。

在高温下进行水蒸汽与碳的反应达到平衡时，残余水蒸汽量少，即水蒸汽分解率高，水煤气中H2和CO的含量多。

在相同温度下，随着压力的升高，气体中的H2O、CO2及CH4含量增加，而H2及CO的含量减少。

所以，制得CO和H2含量高的水煤气，从平衡角度认为，应在低压高温下进行。

从间歇式固定层煤气生产实践来看，在采用活性较高的冶金焦为原料时，在同样温度下，适当地提高气化剂入炉速度，可以在不影响气体质量(煤气中CO含量并不减少)的条件下，提高气化强度。

而使用活性较差的无烟块煤时，在同样温度下提高气化剂入炉速度，气体质量和气化强度下降甚快，特别是从在炉内温度稍有下降，而气体质量和气化强度立即降低幅度较大的情况下看，反应速度前者可能处于扩散或过渡区，而后者处于动力学控制区。

所以，在制气时控制较高的气化层温度和较低的气化剂流速，是提高制气效率、气体质量和蒸汽分解率的重要途径。

(3)降低灰渣中的返炭率灰渣中的含碳量与灰量之比，称为返炭率。

灰渣中的返炭率高，多属煤气炉炉底防漏装置存有缺陷或操作工艺不合理，煤气炉气化不良所造成的。

粒径较大的返炭虽然可以回收利用，但已带出部分热量，造成一定的热量损失；灰渣中的小粒返炭不易回收，随灰处理掉，虽然可以再利用，但回收利用价值低。

因此，努力降低灰渣可燃物，是提高碳利用率的重要一环。

造成灰渣可燃物高的原因大致有以下几个方面：煤气炉炉底防漏装置选择安装不当或在使用中损坏，造成排灰不匀或发生漏炭、塌炭，致使返炭率高；加料方式不当，致使炭层四周与中间高低分布不符合要求，使气化剂分布不均匀，炉内局部过热结疤、结块、灰渣层厚度失衡，两侧排灰不均匀；上、下吹百分比或上、下吹蒸汽用量选配不当；原料粒度过大，气化层温度低，燃烧不完全；炉条机排灰速度与燃料气化后所生成灰渣的速度不相适应，排灰量过大；排灰不及时，致使灰箱内积灰，煤气炉内灰渣层局部上移，造成气化层的破坏；炉温控制不当，造成结疤、结块，导致气化剂分布不匀，气化不良或炉温控制过低，蒸汽用量过大，燃料反应不完全即排出。

总之，造成返炭率高是多因素的。