工藝技術演變過程看中氮肥行業的發展趨勢
——以湖南省湘江氮肥廠為例

顏　鑫,鄒　劍

(1.湖南化工職業技術學院化工系，湖南 株洲　412000；

2.柳化集團湖南智成化工有限公司，湖南 株洲　412004)

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工藝技術演變過程看中氮肥行業的發展趨勢
——以湖南省湘江氮肥廠為例

顏鑫1,鄒劍2

(1.湖南化工職業技術學院化工系，湖南 株洲412000；

2.柳化集團湖南智成化工有限公司，湖南 株洲412004)

摘要：以湖南省湘江氮肥廠為例，介紹了四十多年來，“湘氮”花費大量資金進行技術改造的歷程，從造氣、脫硫、變換、脫碳到原料氣精制等工序，幾乎采用了我國中小型氮肥廠目前可能采用的先進技術。分析了“湘氮”存在的主要問題，展望了中型煤頭氮肥廠的發展趨勢?！跋娴惫に嚰夹g的演變過程就是一部我國中氮肥行業的發展史。

關鍵詞：中氮肥；工藝技術；演變過程；發展趨勢

上世紀60年代中期，湖南省湘江氮肥廠(以下簡稱“湘氮”)開始興建，年產9萬t合成氨裝置和11萬t的尿素裝置分別于1970年、1976年建成投產?！鞍宋濉逼陂g，“湘氮”進行擴建，1994年12月建成投產，達到了年產合成氨20萬t、尿素21萬t、純堿4萬t、復混肥5萬t、甲醇5萬t的生產能力?！跋娴笔侨珖?5家中氮肥企業之一，是湖南省三大氮肥基地之一，年產值超過十億元，全廠職工達5 000多人。

目前在職在崗的員工僅有500多人。曾盛極一時的“湘氮”，歷經多次改制、數易其名，將由城市下放農村。40多年來，“湘氮”的工藝技術發生了哪些演變，厘清其中脈絡，或許可以從中窺見我國中氮肥行業的未來發展趨勢。

1“湘氮”工藝技術的演變過程

1.1“湘氮”最初工藝路線

今天看來，塊煤間歇法固定床制氣→常壓ADA脫硫→高溫CO變換→水洗脫除CO2→銅洗精制→氨合成，湘氮最初的工藝路線是相當落后的，由于沒有精脫硫裝置，氣體凈化度不高，其甲醇催化劑使用壽命僅有2～4個月，氨合成催化劑使用壽命只有2年左右，能耗高，產量還低，但在上世紀七十年代、計劃經濟年代，該工藝仍然為“湘氮”人帶來了不少的實惠與虛假的繁榮。

1.2“湘氮”工藝技術的演變

建成投產后的30多年時間里，“湘氮”人并沒有墨守成規，而是花巨資對工藝技術進行了大量的升級改造，應該說也是卓有成效的。

1.2.1造氣工藝方面

最初的塊煤間歇法固定床制氣，在上世紀90年代改為了型煤間歇法固定床制氣，造氣原料成本降低了約20%；進入21世紀后，新增了空分裝置，造氣爐改為了富氧常壓型煤連續固定床氣化爐，大大提高了造氣階段的工藝連續性，顯著提高了造氣爐的生產能力，并解決了吹風氣的排放問題，同時噸氨煤耗明顯降低，但噸氨的電耗明顯上升。

1.2.2脫硫工藝方面

上世紀80年代主要由ADA濕法脫硫改為成本更低的栲膠濕法脫硫，90年代又增加了氧化鐵干法精脫硫裝置，使原料氣脫硫成本降低，脫硫精度達到<0.1 mg/m3的高標準，甲醇催化劑使用壽命達到1年以上，氨合成催化劑使用壽命達到6年，催化劑使用壽命一舉達到了大型氮肥廠的標準。

1.2.3CO變換工藝方面

從采用鐵-鉻系催化劑的高溫變換工藝改成了中溫變換工藝，后又改為了采用鈷-鉬系耐硫變換催化劑的全低溫變換工藝。變換催化劑類型的改變、變換溫度的降低，也降低了變換過程的汽氣比和能耗，達到了目前我國變換工藝的最高水平。

1.2.4脫碳工藝方面

從最原始、最低效的高壓水洗物理脫碳法改為了熱鉀堿法化學脫碳法(即苯菲爾脫碳法)，使脫碳效率顯著提高；后來又改成了變壓吸附(PSA)物理脫碳，使脫碳成本再次明顯降低。

1.2.5精制工藝方面

從最初操作復雜、物耗高、能耗大的銅洗精制工藝，上世紀80年代改成了中壓聯醇結合銅洗工藝，不僅使精制過程的物耗和能耗有所降低，也使“湘氮”凈化工藝發生了革命性變化，即由原來的單氨工藝變成了聯醇工藝；90年代又改成了中壓聯醇+高壓聯醇+高壓甲烷化的新型雙甲工藝，使工藝簡化，能耗和物耗明顯降低；2012年發生了一場生產事故，被迫將高壓甲烷化催化劑換成了高壓烴化催化劑，使精制工藝變成了中壓聯醇+高壓聯醇+高壓烴化新工藝，使精煉氣中惰性氣體含量顯著降低，大大減少了氨合成過程吹除氣數量，降低了噸氨原料氣消耗，達到了我國目前熱法精制工藝的最高水平，也是甲醇催化劑和氨合成催化劑使用壽命顯著延長的重要原因。

1.2.6氨合成工藝方面

圖1　20世紀90年代中期“湘氮”氨合成工藝路線

圖2　21世紀初期“湘氮”工藝路線

除了合成氣循環工藝稍作改變之外，氨合成工藝沒有本質變化，只是合成塔從φ1 000塔改為了φ1 600塔，使氨合成催化劑的裝填量提高了一倍多，這也是氨合成產量實現翻番的關鍵所在。20世紀90年代中期“湘氮”氨合成工藝技術路線見圖1?？梢?，上世紀90年代中期“湘氮”工藝技術路線比70年代的要相對完善、先進，代表了我國中氮肥行業技術的不斷進步。21世紀初期“湘氮”工藝路線見圖2。21世紀初期“湘氮”的工藝路線從造氣、脫硫、變換、脫碳、精脫硫到原料氣精制等工序，幾乎采用了我國中小型氮肥廠目前可能采用的大部分先進技術，總氨產量達到25萬t/a，噸氨的物耗和能耗也明顯降低，除了聯產甲醇之外，還聯產雙氧水，初步實現了產品多樣化。

1.3目前“湘氮”的工藝路線

圖3　2015年“湘氮”的工藝路線

“湘氮”歷經多次改制，其產品結構發生了脫胎換骨的改變：先停尿素，后停甲醇，再停合成氨。但造氣、濕法脫硫、CO變換、脫碳、精脫硫依然在為雙氧水、甲酸鈉等精細化工產品提供合成氣和氫氣。2015年“湘氮”的工藝路線見圖3?？梢?，新工藝的前半部分是完全相同的，整個工藝發生了脫胎換骨的變化。

凈化階段的主要差別在于經過常壓濕法脫硫之后，先經低溫變換調節CO含量，再經PSA脫碳去除CO2，此時所得原料氣的主要成分是H2和CO，其中CO與燒堿在高溫下合成甲酸鈉，甲酸鈉合成反應方程式為：

而甲酸鈉是制取保險粉的中間產物，甲酸鈉制取保險粉的主反應如下：

制取甲酸鈉之后的合成氣中仍然含有少量未轉化的CO，經PSA脫除CO、N2、CH4等雜質，所得原料氣主要為H2，其體積分數可達99%以上；此時H2就是雙氧水的合成原料氣。工業制取雙氧水一般采用乙基蒽醌法，其總的化學反應方程式如下：

停產尿素、合成氨、甲醇等低附加值產品是無奈的選擇，在市場經濟時代，這些供過于求的產品是無法與大型氮肥企業和大型甲醇企業相競爭的。充分利用現有的合成氨工藝設備與技術力量，以較小的投資代價，轉而生產雙氧水、甲酸鈉等附加值較高的精細化工產品，無疑是中小型煤頭合成氨企業降低成本的重生之路。

然而，造氣工序仍然需要排放大量廢水、廢渣，脫碳工序產生的大量高濃度CO2沒有得到合理利用。在低碳經濟時代和“兩型”社會建設的重點城市，排放大量廢水、廢渣、廢氣的企業顯然是無法生存和立足的。這也提醒“湘氮”人，即使整體搬遷、異地重建，在選擇工藝時，“三廢”排放仍然是必須鄭重考慮并切實加以解決的問題。

2“湘氮”的主要問題

40多年來，“湘氮”人花費了大量資金進行技術改造，然而仍然事與愿違。筆者認為，除了電動往復式壓縮機和氨合成工藝少有改進之外，最大的問題還是造氣爐，現分析如下。

2.1富氧常壓連續固定床氣化爐省煤耗電

脫胎于間歇式固定床煤氣爐的富氧常壓連續固定床氣化爐，采用濃度為55%～60%的富氧實現了半水煤氣制備的連續化，平均爐溫達到1 150 ℃以上，而且比較穩定，大大提高了蒸汽分解率和造氣工藝連續性，造氣爐的生產能力提高50%以上，且無需排放吹風氣，使噸氨煤耗下降約20%(避免吹風過程損失)，但同時新增的空分裝置造成噸氨的電耗上升20%以上。

近兩年來，在煤炭、石油等能源價格一路走低的情況下，電價卻一直穩如泰山，但“湘氮”在停產尿素和合成氨之后，電價由0.48元/kW·h上升到0.7元/kW·h。以型煤價格500元/t，噸氨煤耗1.5 t為例，噸氨煤耗下降20%，則噸氨可降低成本150元；而噸氨電耗1 500 kW·h，電價0.7元/kW·h，則噸氨電耗增長20%，造成噸氨生產成本增長210元，盈虧相抵每噸氨凈虧60元?？梢?，在低煤價時代，煤富氧常壓連續固定床氣化爐這種省煤耗電工藝的綜合成本不降反升。因此，出現了2015年“湘氮”暫停使用型煤富氧常壓連續固定床氣化爐，轉而重新啟用了型煤常壓(空氣)間歇式固定床氣化爐的反?，F象(同一種爐子在兩種氣化工藝之間進行轉換)。

2.2富氧常壓固定床氣化爐產生大量“三廢”

富氧常壓連續固定床氣化爐雖然較好地解決了間歇式固定床煤氣爐的吹風氣排放問題，但該爐仍然采用常壓固態排渣，廢渣中含有10%左右的殘炭，水洗后會產生大量有毒有害廢水；造氣廢水中所含主要污染物有煤粒類懸浮物、氰化物、重金屬、硫化物、揮發性酚和氨氮等有毒有害成分。以年產10萬t合成氨的中型氨廠為例，噸氨需排出造氣廢水50～80 m3，則每年排放的廢水達500萬～800萬m3；每生產1 t合成氨實際煤耗為1.5 t左右，如果廢渣中平均灰分為20%，殘炭量平均取10%，則每年將產生4.50萬t廢渣[1]?！跋娴蔽挥诤稀皟尚汀鄙鐣ㄔO的重要城市——株洲市城區，“三廢”排放和環境保護的責任重大。

綜上所述，常壓富氧連續固定床氣化爐與間歇式固定床氣化爐相比具有很多優勢，但電耗較高，與大型氮肥廠普遍使用的粉煤或水煤漿純氧加壓連續氣化工藝相比，具有以下缺點：需要排放大量廢水、廢渣；爐溫較低；噸氨煤耗較高；蒸汽分解率較低；單爐生產能力較??；煤氣中焦油、萘、酚、硫化物、甲烷等有害雜質含量較高；余熱綜合利用率較低等。

2.3氨合成仍然是典型的中小型氨合成技術

盡管進行了大量的技術改造，但“湘氮”的氨合成技術仍然是采用電動往復式壓縮機，使用常規熔鐵型催化劑，以高壓、高溫、高空速、軸向合成塔為特征的中小型氨合成技術。這與現代化大型煤頭氨合成裝置采用汽動離心式壓縮機、低溫高活性的氨合成催化劑，以低溫、低壓、低空速、徑向合成塔為特征的大型氨合成技術相比，在噸氨能耗大小和生產能力方面仍然相差甚遠。

3中型煤頭氮肥廠的發展趨勢

有專家建議將我國的中、高壓合成氨流程全部改為低壓流程，筆者認為這是不現實的。因為改為低壓流程，不只是簡單地將管線增粗、合成塔改大、多裝催化劑、電動往復式壓縮機改為汽動離心式就行了，還必須新建空分裝置、富氧加壓粉煤或水煤漿連續氣化裝置。原有原料氣凈化工序包括：濕法脫硫、中溫變換、變脫、脫碳、有機硫轉化、精脫硫、銅洗或雙甲工藝等熱法凈化工序都需要全部推倒，代之以耐硫變換、低溫甲醇洗、液氮洗等冷法凈化工序。在大型低壓氨合成流程中，合成塔大小、內件結構與中壓流程完全不同，有效容積和裝填的催化劑幾乎是中壓氨合成塔的3～5倍，氨冷分離需要采用三級氨冷，余熱回收方式也不同?？傊?，中小型合成氨的設備、管線和廠房幾乎沒有用武之地，“湘氮”的興衰經歷告訴人們，與其傷筋動骨地修修補補、改得面目全非，卻不能從根本上解決問題，還不如推倒重來，雖然耗資較大，但現代社會缺乏的恰恰不是資金，而是人才、技術和市場[1]。

在低碳經濟、“兩型”社會、霧霾治理的國家戰略之下，可以預言，5年后(我國承諾2020年單位GDP CO2減排比2005年下降40%～45%)將難覓這些煤頭合成氨、最終生產尿素的中型氮肥廠的蹤跡。但生產硝銨和三聚氰胺的中型氮肥廠仍將有一席之地[1]。

如果決定繼續立足于合成氨、氮肥行業，其根本出路在于：以其擁有的人才資源、市場資源和原料資源為撬杠(股份)，以金融資本為紐帶，以發展低碳經濟、產能置換的國家政策為推力，搭上大型煤頭氮肥廠發展的快車，才能浴火重生[1]。

如果立足于轉產精細化工產品，其根本出路在于：以造氣工序為龍頭，大力發展新型煤化工多聯產工藝，如聯產C1化工產品及其衍生物產品，如雙氧水、保險粉、輕質(納米)碳酸鈣[2]等附加值較高的精細無機化工產品，形成以合成氨(或合成氣)為主干的產品樹或產品鏈[3]。其前提是造氣工序必須采用以粉煤或水煤漿為原料，采用純氧加壓連續制氣工藝，并對脫碳過程的CO2進行綜合利用，以基本實現整個生產過程“三廢”零排放，才能鳳凰涅槃。

參考文獻：

[1] 顏鑫.中小型合成氨廠與大型煤頭合成氨廠的技術差距分析[J].化肥設計，2015,53(3):1-5.

[2] 顏鑫,陽鐵建,陳東旭.小型氮肥企業聯產輕質碳酸鈣新工藝研究[J].化肥設計,2014,52(2):26-28.

[3] 顏鑫.我國合成氨工業的回顧與展望——紀念世界合成氨工業化100周年[J].化肥設計,2013,51(5):1-6.

Development Trend Outlook of Medium Sized Nitrogenous Fertilizer Industry from the Rise and Fall of Xiangdan

YAN Xin1,ZOU Jian2

(1.ChemicalEngineeringDepartmentofHunanChemicalVocationalTechnologyCollege,ZhuzhouHunan412000China；2.HunanZhichengChemicalCo.,Ltd.ofLiuzhouChemicalGroup,ZhuzhouHunan412004China)

Abstract：Taking Hunan Xiangjiang Nitrogenous Fertilizer Complex (Xiangdan for short) for an example, this paper introduces the technical revamping process of Xiangdan spending a great deal of money for almost applying China’s currently available advanced technologies for small and medium-sized nitrogenous fertilizer plants from sections of gasification, desulfurization, CO shift, CO2 removal to feed gas purification for forty years and analyzes the main existing problems of Xiangdan and prospects the development trend of medium-sized coal based nitrogenous fertilizer plant.Xiangdan’s process evolution course is the development history of China’s medium-sized nitrogenous fertilizer industry.

Keywords：medium sized nitrogenous fertilizer industry；process technology; evolution process；development trend

收稿日期：2015-08-05

中圖分類號：TQ 441

文獻標識碼：A

文章編號：1004-8901(2016)02-0005-04

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.002 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.002

作者簡介：顏鑫(1967年-)，湖南冷水江人，2004年畢業于湘潭大學化學工程專業，碩士，3級教授，中國化工學會化肥專業委員會委員，長期從事合成氨、甲醇和納米碳酸鈣生產技術研究工作，已出版專業著作5部，發表論文50余篇。