合成氨—尿素联合的热量回收利用技术探讨

合成氨—尿素联合的热量回收利用技术探讨

车驰

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摘要：合成氨和尿素生产技术本身已经成熟，衡量技术水平是否先进的一个重要条件是能源消耗水平。因此，世界各国正在研究如何降低相同原料状况下的设备能耗。

关键词：合成氨尿素；生产过程；能量优化技术；应用；

农业是社会稳定发展的保证。中国越来越重视农业生产，大力倡导农业生产技术创新。尿素合成氨最常用于农业生产，在农业生产中发挥着重要作用。但是，合成氨尿素的生产工艺复杂，需要大量能源材料和高技术支持，在合成氨尿素的生产过程中浪费了大量能源。因此，如何优化合成氨尿素生产过程中的能源是业界关注的问题。

一、吹风气余热的回收

1.吹风气余热回收仍采用低温吹风气集中余热回收水管锅炉工艺。来自尿素系统的100℃软化水经吸冷器和解吸冷凝器加热后用作余热锅炉的补充水，每吨氨产生1 200公斤中压蒸汽。尿素系统100℃冷凝液用于补充软水加热器，每吨氨产生90公斤低压蒸汽。

2.燃烧炉仍采用立式上燃烧结构。由于气化炉炉膛内径的增大和D型风机的选用，瞬时吹风量也有较大增加，宜选用长度为3 800/3 000、长度为h ~ 12 m的燃烧炉..

3.上下游气体显热回收四座造气炉共用一套集中余热回收装置，尿素系统冷凝液作为补充软水，每吨氨副产低压蒸汽450公斤。

4.尿素系统的冷凝液用作气化炉夹套锅炉的补充软水，尿素冷凝液也用作夹套锅炉的补充软水，从而使每吨氨的副产蒸汽增加500公斤。该技术实施后，利用软化水和尿素系统100℃冷凝液作为补充软水，增加了气化余热回收的副产蒸汽量。除了实现气化系统蒸汽自给外，每吨氨还有240公斤富汽供尿素系统使用(若仍采用50 ~ 60℃软水作为气化余热回收的补充软水，副产蒸汽量将减少8% ~ 10%，气化蒸汽自给略有富余)。

二、合成、变换、铜洗换热网络

1.合成仍采用升温工艺。废气经过余热锅炉，为全厂回收余热和副产中压蒸汽。尿素系统100℃软化水软水用于废锅炉补水，每吨氨产生0.9 MPa饱和蒸汽750 kg。

2.采用低温转化工艺(全低转化工艺或中低转化工艺)。全低变工艺填充3级低变催化剂，中低变工艺更好填充2级中变催化剂和2级低变催化剂。只要将二级低变或一级低变出口温度有效控制在≤280℃；CO含量控制在5% ~ 7%，运行管理严格，变换系统吨氨耗汽完全有可能控制在300 kg以下。

3.加热铜液的热源。由于采用低温变换工艺，变换蒸汽的消耗减少，热水塔出口变换气的余热也大大减少，不足以回收加热铜液。铜洗系统中铜液的加热和再生热源必须分开考虑。一种塔泵热水循环换热网络，由饱和热水塔、铜液上加热器、再生器、变换第一热水器和低变换温水加热器组成，可满足铜液加热和再生的需要。合成系统采用中间蒸汽流，合成塔二次气体余热由合成热水器循环热水回收加热铜液，仍能保持原流量不变，转化工艺的变化对其无影响。因此，该技术实施后，合成、转化、洗铜系统实现蒸汽自给，每吨氨有450公斤尿素剩余蒸汽。

三、尿素系统的节能技术

1.增设第二尿素合成塔，采用冷激浸泡塔，分阶段加入液氨。对尿素合成塔内部结构进行了改造，在不影响塔板间活塞流状态的情况下，提高了塔板附近的混合效果。CO2转化率提高5%左右，一次分解系统热负荷降低，每吨尿素蒸汽消耗降低150 kg。

2.采用新型一级分解塔，自汽提内部结构，先进可靠的新型塔板，并利用汽提原理提高分解率。少量CO2从塔底引入，在分解过程中产生甲基铵的热量。每吨尿素可减少蒸汽消耗150公斤。

3.适当增加一次蒸发器热利用段面积，采用高效真空喷射器，每吨氨减少蒸汽消耗50 kg。

4.解吸塔内部采用新型分布器和规整填料，提高蒸汽利用率，每吨尿素蒸汽消耗降低50公斤。

5.蒸汽冷凝液在0.2 ~ 0.4兆帕压力和100℃以上回收，补充到气化软水加热器、集中余热回收装置和气化炉夹套锅炉，增加低压蒸汽的蒸汽产量。 节能技术每吨尿素减少蒸汽消耗400公斤。与原设计蒸汽消耗1 700 kg相比，该技术实施后，吨尿素蒸汽消耗可有效控制在≤1 300 kg。

四、 合成氨尿素生产过程中能量优化技术的运用

1.合成氨尿素生产能源优化技术方案探讨。合成氨、尿素生产厂家应根据工厂实际情况研究可行性方案，找出适用方案。具体步骤如下:一是在合成氨、尿素生产过程中，必须严格执行国家有关能源要求的规定，反复阅读材料，理解文件的实质含义，避免制定的计划与国家规定相分离；其次，对我厂的生产条件和原料渠道进行了调查，立即消除了影响方案实施的隐患。第三，与合作单位沟通，建立稳定的合作关系。最后，派专业人员到市场调研，关注最新的市场动态，为制定能源技术方案提供依据。

2.合成氨和尿素生产中的能源优化技术方案。合成氨生产装置属于能源密集型、耗能型装置，在改进其能源优化技术时，首先要考虑生产过程的能源优化。由于工艺系统中的三环节能量结构模型已在合成氨和尿素中推广应用，并在实践中取得了令人满意的效果，因此在探索合成氨和尿素生产的能量优化技术方案时，应以三环节能量结构模型为前提。构建合成氨尿素生产能源优化的思路是:单元(工艺单元能源优化、单元渐变供热组合系统、关键耗能设备)→子系统(厂间热联合系统、单元间热联合系统)→全系统(蒸汽动力系统优化)。这些系统之间必须事先制定科学的能源优化顺序，优化过程中必须严格执行设计方案。

3.合成氨尿素生产过程能量优化技术方案。结合上述方案设计思路，再次对方案进行优化，研究了不同级别合成氨、尿素生产的化肥的用途和适用范围。能源综合产能优化的技术方案框架为:一是合成氨、尿素生产厂家应与相关动力单位建立长期稳定的合作关系，动力单位向化肥厂提供所需动力；其次，合成氨尿素生产厂家要建立科学的受电系统，输送电厂充分接收能量，通过系统将能量转化为合成氨生产所需的动力；其次，根据各系统的能量需求进行功率分配。主要系统包括合成氨工艺蒸汽系统、尿素蒸汽轮机系统和循环蒸汽轮机系统。最后，将上述过程中未充分利用的能源和废渣进行处理，一部分送至动力部门作为动力生产的原料，另一部分回收应用于化肥合成炉进行循环利用。

4.能量优化技术在合成氨尿素生产中的应用。首先，分离内部零件，合理使用。氨法尿素生产系统内件分离前，蒸汽中的气体全部采用外螺旋离心分离或旋流板网分离，效果显著。气体中所含的气体无法有效分离，对合成氨生产有影响的气体大部分会进入合成塔，导致合成塔内反应物未能充分反应或氨气掺杂气体，从而降低整个生产系统生产氨脲的产量。由于采用了分离内件，通过取样调查分析，混合气体中的氨含量明显增加，主要是因为混合气体中的其他杂质气体得到了有效分离，因此合成氨转化率必然增加。随着合成塔中氨含量的增加，合成系统的压力会降低，从而节省压缩机的能耗；出口气体体积分数明显降低，设备生产能力提高。由此可见，氨法尿素系统中分离内件的合理使用是实现能量优化的主要途径。其次，预分离器用于氨法尿素生产装置。传统合成氨尿素生产系统广泛采用预蒸馏工艺，但现代尿素产量不断增加。氨法尿素生产装置中使用的预分离器系统结构并不复杂，但经济技术效果明显。该方法是短时间内实现氨法尿素生产能源优化目标的最佳选择。
结束语

总之。随着我国发展对农业产量需求的不断增加，合成氨和尿素的使用量也将随之增加。因此，在合成氨和尿素生产过程中，应在现有能源优化技术的基础上，不断探索更高效节能的技术措施，为合成氨和尿素产业的发展奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]李大明.合成氨、尿素生产节电措施综述.2019.

[2]王小贞.关于合成氨—尿素联合的热量回收利用技术探讨.2020.