薛积海，何强红
（甘肃丰盛环保科技股份有限公司，甘肃 金昌737200）
［摘 要］甘肃丰盛环保科技股份有限公司200 kt/a合成氨装置于2013年7月投产，原设计以焦炉气为原料，设计原料焦炉气量为41 500 m3/h，由于上游焦化装置焦炉气供应量过低，合成氨装置投产以来负荷长期维持在30%～50%；2019年9月，金昌兰石气化技术有限公司千吨级流化床加压气化炉投产，设计供应甘肃丰盛半水煤气41 000 m3/h，焦炉气生产线+半水煤气生产线使甘肃丰盛合成氨装置达到200 kt/a的设计产能。为使焦炉气中的有效成分得到最大化利用，实现提质增效、节能降耗，甘肃丰盛拟在焦炉气制合成氨生产线的基础上新增LNG装置，LNG装置液化分离出的富氢气补充氮气生产合成氨，实现合成氨装置联产LNG（一期LNG项目产能为33 kt/a，一期+二期LNG项目产能为140 kt/a）。可行性分析、系统适应性分析、效益分析表明，本项目经济效益明显、社会效益突出。目前，项目前期手续办理已完成，初步设计完成初稿，未来将择机实施。
［关键词］合成氨装置；焦炉气生产线；半水煤气生产线；联产LNG；技改方案；可行性分析；适应性分析；效益分析
［中图分类号］TQ113.28 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）05-0005-06
0 引 言
在全球碳中和与碳达峰的政策背景下，能源结构转型与绿色生产技术革新成为工业领域的关键课题[1-2]。合成氨传统生产工艺因依赖化石燃料而碳排放强度高，吨氨碳（CO2）排放高达1.6～2.5 t（年均值）[3]，严重制约碳中和目标实现。当前技术迭代呈现三个阶段的特征：第一代“蓝氨”技术（2023年前）通过碳捕集与封存（CCS）降低哈伯法制氢环节的碳排放；第二代“绿氨”技术（2023年后）以可再生能源为依托，通过电解水制氢，实现全流程低碳化；第三代氮电还原技术则通过突破性工艺直接合成氨，规避传统制氢环节的能源损耗[4]。前两代技术受制于碳捕集成本与“绿氢”的经济性[5]，第三代技术则面临工业化验证瓶颈问题。
为此，提出一种“合成氨—LNG零碳联产”的创新模式，通过焦炉气资源化利用实现双重突破[6]。我国焦化行业副产焦炉气逾2 000×108 m3/a，但焦炉气利用率不足60%，且碳排放强度高，本研究拟采用超滤—TSA（变温吸附）耦合净化、MDEA脱碳及混合冷剂液化等核心技术，将焦炉气中的富甲烷组分定向转化为LNG，焦炉气中剩余的富氢气用于合成氨生产。经测算，甘肃丰盛环保科技股份有限公司（简称甘肃丰盛）200 kt/a合成氨装置通过联产LNG技改，能源综合利用率可由60%提升至85%，减排CO2达120 kt/a，形成“（焦炉）气—氨—能（LNG）”的循环产业链，带动甘肃丰盛硝酸、纯碱等下游产品增值，其所在的河西堡化工循环经济产业园循环经济产值提升23%。政策层面，“绿氨”生产补贴与碳交易机制[7]的叠加效应可使本项目内部收益率（IRR）突破18%，较传统生产模式提升9个百分点。
1 200 kt/a合成氨装置联产LNG技改方案
1.1 背景情况
甘肃丰盛200 kt/a合成氨装置（含焦炉气生产线和半水煤气生产线，原设计以焦炉气为原料）于2013年7月投产，其原料焦炉气是焦炭生产的主要副产物，富含H2、CH4、CO和CO2，主要源自2012年9月建成投产的内蒙古太西煤集团金昌鑫华焦化有限责任公司的1 500 kt/a捣固焦装置（本捣固焦装置主产品为焦炭，副产焦油80 kt/a、焦炉气12×108 m3/a、硫铵20 kt/a、粗苯20 kt/a），设计供应给甘肃丰盛的焦炉气量为41 500 m3/h（标态，下同）。甘肃丰盛合成氨装置原料半水煤气由金昌兰石气化技术有限公司（简称兰石公司，是由兰州兰石能源装备工程研究院出资设立的全资子公司）千吨级流化床加压气化炉（为兰州兰石能源装备工程研究院与清华大学合作开发的新型气化炉，属初代工业化示范装置，由甘肃金昌市政府以引资的方式引入河西堡工业园区）供应，于2019年9月投产，设计半水煤气产量41 000 m3/h。此外，金昌久策工业气体有限公司于2013年建成投产5 000 m3/h空分装置，为甘肃丰盛供应O2和N2，O2与空压机送来的空气混合后进入富氧炉预热后去往转化炉（焦炉气转化采用部分氧化法），N2则用于开/停车时管道和设备的吹扫置换等。甘肃丰盛200 kt/a合成氨装置增设半水煤气生产线的初衷为，上游焦化装置未能按设计负荷运行，焦炉气供应量过低，合成氨装置投产以来负荷长期维持在30%～50%，造成“大马拉小车”的状况，为提升合成氨装置的负荷，引进兰石公司的循环流化床加压气化炉所产半水煤气作为原料，匹配100 kt/a合成氨产能，以焦炉气+半水煤气作为原料使甘肃丰盛合成氨装置达到200 kt/a的设计产能。循环流化床加压气化炉投运后，由于原料煤价格较原设计定额增加较多，导致半水煤气生产成本居高不下，受资金筹措困难等影响，当前甘肃丰盛无力进行大额投资建设新型煤气化装置以降低原料煤气生产成本。
为使焦炉气中的有效成分得到最大化利用，实现提质增效、节能降耗，拟以焦炉气为原料实现合成氨装置联产LNG。联产技改项目分两期建设，一期LNG项目产能为33 kt/a，二期项目建成后合计LNG产能为140 kt/a。
1.2 合成氨装置工艺流程简介
甘肃丰盛200 kt/a合成氨装置含焦炉气生产线和半水煤气生产线。焦炉气生产线简易工艺流程：焦炉气→30 000 m3气柜→1#电捕焦器→罗茨风机→焦炉气冷却清洗塔→焦炉气脱硫塔→焦炉气压缩机→滤油器（填装活性炭）→预脱硫槽（填装活性炭）→初预热器→铁钼加氢脱硫槽→锰矿石脱硫槽（锰矿石的主要成分为MnO2，投用前需用原料气将MnO2还原成MnO）→蒸焦预热炉→转化炉→转化中变炉→氧化锌精脱硫槽→低变炉（采用铜锌铝系低变催化剂）→热钾碱脱碳→甲烷化炉→净化气压缩机→氨合成塔。半水5煤气生产线简易工艺流程：半水煤气→5 000 m3气柜→3#电捕焦器→罗茨风机→半水煤气冷却清洗塔→半水煤气脱硫塔→半水煤气压缩机→锰矿石脱硫槽→氧化锌精脱硫槽→低变保护剂槽→半水煤气变换炉→转化中变炉（半水煤气生产线变换气与焦炉气生产线转化气汇合，即半水煤气生产线变换气于此并入焦炉气生产线）→氧化锌精脱硫槽→低变炉→热钾碱脱碳→甲烷化炉→净化气压缩机→氨合成塔。
1.3 合成氨装置联产LNG之工艺流程
在焦炉气制合成氨生产线的基础上，新增LNG装置（如图1虚线部分），据甘肃丰盛现有焦炉气供应情况，为实现效益最大化，确定LNG装置的焦炉气处理量为18 000 m3/h。
LNG装置简易工艺流程：合成氨装置焦炉气压缩机来焦炉气经2台超滤设备过滤后进入2台TSA吸附器（一期LNG项目运行时2台超滤设备和2台TSA吸附器可一开一备，二期LNG项目投产后2台超滤设备和2台TSA吸附器全部投用），TSA系统出口焦炉气分为两路，一路TSA焦炉气→滤油器→预脱硫槽（填装活性炭）→精脱硫入口换热器（壳程）→铁钼加氢脱硫槽→锰矿石脱硫槽→除氧器→精脱硫入口换热器（管程，回收工艺气余热）→MDEA脱碳系统→LNG液化系统[混合冷剂制冷将富甲烷气液化，然后低温精馏分离出富氢气、富氮气及产品LNG]→LNG产品→常压储罐→装车外运，另一路TSA焦炉气并入焦炉气生产线蒸焦预热炉（生产合成氨）；LNG液化系统低温精馏分离出的富氢气（同步分离出的部分富氮气用作TSA系统再生气）并入焦炉气生产线，按照“富氢气→净化气压缩机（富氢气生产合成氨需补氮，补充氮气通过氮气压缩机加压后与富氢气一起进入净化气压缩机）→氨合成塔”的流程线运行。简言之，LNG装置富氢气可补充氮气生产合成氨，原焦炉气生产线运行视焦炉气量而定，以一期LNG装置为例，焦炉气量＜18 000 m3/h时主要用于生产合成氨，此时单独运行LNG装置经济效益不佳；当焦炉气量≥18 000 m3/h时，焦炉气优先用于生产LNG，富氢气补氮生产合成氨，同时超出18 000 m3/h的焦炉气仍用于生产合成氨，即焦炉气同时生产LNG与合成氨，以提升企业的整体效益。特殊情况下（如LNG装置单独检修时）系统可切换回原流程，焦炉气全部用于生产合成氨，以保证系统运行的连续性与稳定性。
2 可行性分析与系统适应性分析
2.1 可行性分析
2.1.1 技术可行性
更多内容详见《中氮肥》2025年第5期