浅谈合成氨工艺

1、浅谈合成氨工艺氮肥生产是高能耗的工业，其生产成本主要取决于系统的能耗，系统能耗除了与采用的工艺流 程有关外，在很大程度上取决于系统控制的算法及稳定性，因此，化肥生产过程的控制系统对整个 生产成本具有关键意义。本文比较详细的介绍了合成氨的工艺流程，并对化肥的生产做了介绍，并 且从再生产的角度介绍了钢铁厂的副产业一一硫酸钱的生产。最终对我国合成氨技术的发展做了展 望。氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业 上使用的氮肥，例如尿素、硝酸俊、磷酸俊、氯化俊以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。合 成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其

2、中约有 80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。本次化工见习，我们参观了玉溪新兴钢铁有限公司和峨山 化肥厂，对合成氨工艺，以及化肥生产工艺，有了质的认识。详细的工业流程又可分为一下几步：(1)以无烟煤为原料合成氨常见的工艺过程是：造气- 半水煤气脱硫- 压缩机1, 2工段，变换- 变换气脱硫- 压缩机3段- 脱硫- 压 缩机4, 5工段- 铜洗- 压缩机6段- 氨合成- 产品NH3(2)采用甲烷化法脱硫除原料气中 CO. CO2时，合成氨工艺流程图如下：造气-半水煤气脱硫-压缩机1,2段- 变换- 变换气脱硫- 压缩机3段- 脱碳- 精脱硫- 甲烷化-压缩机4,5,6段-氨合

3、成-产品NH3一、合成氨工艺德国化学家哈伯1909年提出了工业氨合成方法，即循环法”，这是目前工业普遍采用的直接合成法。反应过程中为解决氢气和氮气合成转化率低的问题，将氨产品从合成反应后的气体中分离出 来，未反应气和新鲜氢氮气混合重新参与合成反应。合成氨反应式如下：N2+3H22NH3在合成氨的所有流程中，核心围绕此方程式展开，用最低的能耗量，得到最高质量的产品。合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋 于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组成，即原料气制备过程、净 化过程以及氨合成过程。原料气制备，即将煤和天然气等原料制成含氢

4、和氮的粗原料气。对于固体 原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气； 对气态烧类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。净化是对粗原料气进行净化处理， 除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。氨合成将纯净 的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。合成氨系统是由一个个相对独立的单元(工段)组成的。各单元之间具有密切关系。上一单元 的产品或输出，即为下一单元的原料或输入，各个单元相互紧密联系形成一个连续的生产过程。各 个单元在地域上相互分散，但距离又不很远。现将整个生产过程分为造气、脱硫、压缩、变换、脱

5、碳、合成、等主要单元(工段)进行合成氨工艺的简要介绍。上述各单元(工段)的操作在工艺上 密切联系，但在地域上分散、在控制上相对独立。1、造气造气一般是以块煤为原料，采用间歇式固定层常压气化法，在高温和程控机油传动控制 下，交替与空气和过热蒸汽反应。反应方程式： 吹风C+O2 - CO2+QCO2+Cf2CO-Q上、下吹C+H2O(g) CO+H2-QA、吹风阶段空气鼓同机一造气炉f旋风除尘-T啖风气岗位I放空k照囱十陵锅L过热林吹风阶段的主要作用是产生热量，提高燃料温度。B、上吹（加氮）阶段迂热蒸汽f造气一旋风除尘器一过热器f废锅一洗气塔f气柜空气f被风机f造气炉上吹阶段的主要作用是置换炉底空

6、气，吸收热量、制造半水煤气，同时加入部分氮气。C、下吹阶段过热蒸汽f运气炉f璐格f洗气塔T 3柜下吹阶段作用是制取半水煤气，吸收热量，使上吹后上移的气化层下移。D、二上吹阶段过热蒸汽造气炉一旋风除尘器-it热器一废燃一洗气塔柜二上吹的主要作用是将炉底及进风管道中煤气吹净并回收，确保生产安全。E、吹净阶段空气-鼓风机透气炉流凰除尘转f过世废锅i魂气塔f”柜吹净的主要作用是回收造气炉上层空间的煤气及补充适量的氮气，以满足合成氨生产对氮氢比的要求。2、变换在生产中，一般均是多个造气炉组成一组。在多台造气炉同时投入运行时，为了保证造气炉在吹风 阶段的风量，必须对造气炉的吹风阶段进行顺序控制。对造气炉进

7、行吹风排序，也就是要实现吹风 时间自寻优及动态跟踪。经过压缩有一定压力的半水煤气先经过油水分离器， 除去煤气中的油物。然后进入饱和塔的下部与热水进 行交换后升至一定温度，经过气水分离器分离出煤气 中的水份。去除水分的煤气进入预热交换器，与中变 炉出口的高温煤气进行两次热交换后，进入中变炉， 在触媒的催化作用下，煤气中的一氧化碳发生反应， 生成二氧化碳，中变炉的炉体内有三层反应区，在正 常的工艺状况下，第一层的反应温度控制在450 c左右，第二层反应温度控制在 400c左右，第三层的反应 温度控制在380 c左右。反应后出中变炉的变换气进入与入口水煤气进行热交换的两级热交换器后，再进入低变炉使变

8、换气中的一氧化碳进一步变换，经过两次变换的水煤气成为合格的变换气后，经热水塔，冷却塔之后送入下一工段进行后续处理。 变换工艺流程图在变换工段中，比较典型的控制回路包括入变换气汽比调节，中变炉煤气副线流量调节，中变炉中段温度喷水控制，中变炉下段温度喷水控制，饱和塔液位控制，水分出口煤气温度的调节等几部分。入变换蒸汽流量与入变换半水煤气流量的比值调节采用先进控制器，对比值控制器的给定值进行修正，并设置煤气流量变化速率控制器来防止在系统加减量时，中变炉出口CO超标，达到汽气比控制的目的。3、脱碳含有一定浓度(CO2)的变换气进入吸收塔内。气体中 CO2被逆流流下的碳酸丙烯酯所吸收。净化CO2气脱至所

9、要求的浓度由塔顶排出，成为可供用户使用的工艺气。吸收 CO2后的碳酸丙烯 酯富液经涡轮机回收能量后，在高压闪蒸槽内闪蒸。高压闪蒸液再到减压槽进行减压闪蒸。减压闪 蒸汽相含浓度较高的 CO2,可供用户使用。减压闪蒸液在气提塔内经空气气提再生，再生后的碳酸 丙烯酯贫液经循环液泵送回吸收塔循环使用。气提空气由通风机从气提塔塔底送入。高压闪蒸汽中含CO2及部分工艺气。高压闪蒸汽可全部或部分返回压缩与原料气汇合，以回收氮气 和氢气。脱碳过程中，入脱碳塔贫液的流量，将直接影响二氧化碳在脱碳塔中的溶解度。流量过小，原料气中的CO2不能被充分吸收；流量过大，能耗增加。闪蒸槽的液位和压力，对于原料气的回收再 利

10、用有重要作用，它不仅可以回收闪蒸汽里的氮气和氢气，还可以减少碳酸丙烯酯的损失。脱碳后煤气送入下一个工段进行进一步处理。4、合成目前国内大多数中小氮肥企业均采用中压法氨合成工艺，其合成压力为31.4MPa。合成塔的直径一般为8001200mm。主要是将压缩送来的合格精炼气在适当的温度、压力和触媒存在的条件 下合成为氨，所得气氨经冷却水及液氨冷却，冷凝为液氨，并将液氨从氢氮气中分离出来，未合成 的氢氮气补充部分新鲜气继续在合成系统内循环合成。氨合成工段中主要工艺参数的优化控制非常重要，直接影响合成氨的产量和消耗指标。控制方案以 降低吨氨消耗为目标，控制参数为催化剂温度、惰性气体的含量、氨冷出口温度

11、及氨冷器、冷交换 路、氨分离器的三大液位。(1)、氢氮比调节：氢氮比自调是合成控制中的难点，从造气到合成的滞后时间，开满量时，一般小化肥厂为30分钟，开联醇为45分钟。正确认识从造气到合成整个流程中氢比演变规律是搞好调节的基础。规律主 要为二点；从造气到合成塔入口基本为纯滞后，各点氢比测量曲线呈简单相似现象，并含有一定的 容量滞后，合成塔塔前塔后氢比信号呈微积分关系。记录各测量点氢比偏差记录曲线，据此可发现 演变规律，监视分析调节效果，计算开表数据，以此数据二维查表控制阀门输出能达到较好的控制 效果。(2)、合成塔内触媒层热点温度控制合成塔各催化剂层热点温度的控制，是采用调节未反应的冷气体加入

12、量的方法来控制各段温度，由 于反应温度比较容易稳定，所以一般采用手动遥控。(3)、循环气氨冷器出口温度和液位控制为了更好地控制温度；采用串级控制方案，以温度回路为主回路，液位为副回路。为了保证液位， 当液位超限时，切断串级回路，使回路的串级状态切换为副回路的自动状态；确 保液位在安全值内。给定值就段瓢量值PID戒位可量值l - 比较循环气氨冷器出口温度和液位控制原理框图(4)、新鲜气氨冷器液位控制在新鲜气氨冷器液位调节系统中，水位测量值与给定常数进行PID运算，运算结果调节氨冷液位调节阀开度，从而维持氨冷液位恒定。氨分离器的液位控制、冷交换器的液位控制、废热锅炉的液位控制，这几个回路采用单回路

13、控制。给定值PIDBD PID 选挥舞错定侑单回路调节框图5、达到的技术指标：（1）原料煤：无烟煤：粒度15-25mm 或25-100mm 固定75%蒸汽：压力0.4MPa, 1-3MPa、（2）产品：合成氨：氨含量（99.8%）残留物含量（0.2%）二、甲醇的生产甲醇是重要的有机化工原料，又是优良的能源载体。近代工业甲醇生产主要以天然气、煤炭为原料 转化和气化制得，我国目前年产5万吨和10万吨的生产装置大都是以煤炭为原料制得。因此，在合成氨的化肥厂，一般都会有甲醇的生产点。甲醇的生产一般分为合成和精微两个工段。1、甲醇合成：脱碳岗位送来的净化气和循环机来的循环气在油分离器混合，经油水分离器分

14、离油水，剩余的原料气分主副线进入合成塔合成生成粗甲醇气，借助于铜基催化剂的作用，CO、CO2和H2进行化合反应生成甲醇，经冷凝到醇分离器分离得粗甲醇，减压后送中间槽，不凝气体一部分加压 循环使用，一部分经高压水洗塔水洗掉夹带的甲醇经铜洗送入氨合成系统，粗甲醇送精储。2、甲醇精储：甲醇的精储工艺，多数采用两塔流程，少数生产规模较大的厂采用三塔流程，年产5-10万吨的装置一般都采用两塔流程。 粗醇经预塔给料泵加压经粗醇预热器加热到 65c左右进初塔， 同时初塔再沸器用蒸汽加热使塔内液体蒸发，甲醇及其他轻组分的蒸汽由塔顶蒸出， 冷凝后打回流。控制出气温度 40-45C ,塔釜温度 75-85C;塔顶

15、温度 60-65C。经预塔底出来的预后甲醇给主塔， 主塔再沸器加热使塔底温度控制在104-120 C,塔顶出气温度控制在65-70C,在塔顶采出回流液即精醇；合格后送精醇储槽。三、尿素的生产尿素的生产原理是氨与二氧化碳的合成，生产方法有水溶液全循环法、气提法、中压联尿法，小氮 企业大多采用水溶液全循环法。其反应方程式为：2NH3 （液）+CO2 （气）CO （NH2） 2 （液）+H2O （液）+Q二氧化碳（压力为 20.69MPa,温度为125C）经压缩机压缩进入合成塔，从一吸塔送来的90c甲俊液经一甲泵加压至 20.69MPa送入合成塔，液氨在氨预热器中加热至60c送入合成塔，在合成塔中进

16、行合成反应。在反应的过程中，合成塔的操作压力为19.6 MPa,温度为186-191 C,整个反应过程CO2的转化率在63 %左右。出尿素合成塔的反应液含有尿素、甲俊、 过剩氨和水，出来后经过压 力调节阀减压至1.77MPa进入预蒸储塔上部，在此分离出闪蒸气体后，液体自流到中部蒸储段，与 从一分加热器出来的热气逆流换热，使液相中的部分甲俊分解与过剩氨蒸出、气化进入气相。预蒸储后的尿液自蒸储下部流入一分加热器，物料温度控制在155-160C,在此甲俊的分解率达到80%,总氨蒸出率达到90%。从一分加热器出来的尿液进入预蒸储塔下部的分离器进行气液分离，液相自 塔底排出，经减压后送至二分塔。尿液在二

17、分塔上部闪蒸后，液体经过液体分离器进入蒸储段，与下分离段出来的气相逆流接触换热，出蒸储段的尿液从底部进入加热段的列管内，物料温度控制在 135-140 C,使甲俊基本分解，气液混合物进入下分离段进行气液分离，尿液经液位调节阀入闪蒸槽。在闪蒸槽中液相残余的氨和二氧化碳大部分逸入气相，尿液直接进入一段蒸发器或流入尿液槽。尿液经一段蒸发加热器下部热能回收段和上部蒸汽加热段加热到130C,压力控制在0.033MPa（绝压）， 这时浓度提高至96%。尿液经一段蒸发器分离段出来去二段蒸发器，在 0.0033 MPa （绝压）、140 c 的条件下被浓缩成 99.7%的熔融尿素，经分离段分离后，熔融，尿素由

18、熔融泵送往造粒塔顶部的旋 转喷头进行造粒。尿素生产控制回路比较多，包括温度、压力、流量、液位的控制，其中合成塔压力调节、中压压力调节、低压系统压力调节这几个调节回路尤为重要。主要调节回路一般都采用1: 1冗余方式。其它控制回路有：闪蒸下液温度调节、解吸塔温度调节、解析塔压力调节、解析加液流 量调节、一分加液位槽液位调节、二分加液位槽液位调节、解吸塔液位调节、二分塔出料温度调节、 一分塔底温度调节、一洗塔底温度调节、一段蒸发温度调节、二段蒸发温度调节、一分塔液位调节、 二分塔液位调节、一吸塔液位调节等。这些调节回路一般采用单回路控制即可达到很好的控制效果。 四、我国合成氨工业的发展情况解放前我国只有两家规模不大的合成氨厂，解放后合成氨工业有了迅速发展。1