石玉，戴丰育，郑志忠
（湖南安淳高新技术有限公司，湖南 长沙410205）
［摘 要］当前国内大型合成氨装置氨合成系统余热回收流程中，针对不同压力等级废锅配置下余热回收的能耗特性，仍缺乏系统性对比与量化分析。为此，以2 000 t/d低压氨合成系统（采用三段式全径向高效氨合成塔）为研究对象，采用Aspen Plus V12流程模拟软件，通过工艺模拟计算，从工艺流程、物料消耗等方面深入分析与探讨中压废锅串低压废锅流程与中压废锅流程这两种余热回收方案，重点对比蒸汽产出效率、公用工程消耗及系统能耗水平，并量化分析其对氨净值、能量回收率的影响机制。模拟结果表明：从技术角度看，中压废锅串低压废锅流程在氨净值、循环气流量等关键指标上表现更佳，公用工程系统消耗更低，动力系统节能性与蒸汽品位适配性更佳，适用于对动力成本敏感或需多品位蒸汽配套的生产装置；从经济性方面看，中压废锅流程中压蒸汽外送量更多，尤其适用于蒸汽生产成本高企或下游中压蒸汽用户用汽需求旺盛或全厂低压蒸汽富余的场景。选择氨合成工艺路线或进行系统优化升级时，用户需紧密结合自身实际需求，选取适宜的氨合成技术与余热回收流程，以实现能源利用效率与经济效益的最大化。
［关键词］低压氨合成系统；中压废锅串低压废锅流程；中压废锅流程；Aspen Plus模拟；氨净值；出塔气温度与流量；公用工程消耗；对比分析
［中图分类号］TQ113.26+6 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2026）03-0007-04
0 引 言
我国作为全球最大的合成氨与氮肥生产国，近年来依托新型煤气化技术推广、装备大型化及产业结构持续优化升级，合成氨产能稳步增长，截至2024年全国合成氨产能已达77 120 kt/a。合成氨既是农业生产所需氮肥的核心原料，又是众多化工产业的基础原料，当前，我国的节能环保政策日益趋严，大宗化工产品市场竞争日趋激烈，2024年5月27日国家发展改革委等部门发布的《合成氨行业节能降碳专项行动计划》（发改环资〔2024〕732号）明确提出，到2025年底行业能效标杆水平以上合成氨产能占比需提升至30%，为其节能降碳划定了明确的时间表，存量合成氨装置的能效挖潜与优化升级已成为行业高质量发展的核心课题。现有节能研究多聚焦于合成氨装置全流程节能改造或单一技术路线的余热回收设备改良，针对氨合成系统不同废锅配置余热回收流程之能耗特性的系统性对比与量化分析仍较为薄弱，而氨合成系统能耗水平直接决定了整套合成氨装置的技术经济水平与行业低碳转型进程。
当前国内大型合成氨装置氨合成系统余热回收流程中，过热器+中压废锅组合流程或单独的中压废锅流程是主流技术方案，前者先通过过热器对蒸汽进行提质，再经中压废锅深度回收热量，副产的中压蒸汽可直接用于驱动透平或为工艺系统供热；后者流程更为简洁，聚焦核心热能回收，主要副产中压饱和蒸汽。然而，目前针对不同压力等级废锅配置下余热回收的能耗特性，仍缺乏系统性对比与量化分析。基于此，以下以2 000 t/d低压氨合成系统（采用三段式全径向高效氨合成塔）为研究对象，采用Aspen Plus V12流程模拟软件，通过工艺模拟计算，从工艺流程、物料消耗等方面深入探讨中压废锅串低压废锅流程与中压废锅流程这两种余热回收方案，重点对比不同压力等级废锅配置下的蒸汽产出效率、公用工程消耗及系统能耗水平，并量化分析其对氨净值、能量回收率的影响机制。
1 氨合成系统工艺流程简介
1.1 氨合成系统中压废锅串低压废锅流程（图1）
来自净化系统的新鲜气，首先进入合成气压缩机新鲜气段提压，之后与氨合成系统冷交换器送来的循环气汇合一同进入合成气压缩机循环段提压，然后进入氨合成回路，合成气经塔外热交换器预热（进塔气与出塔气换热）后进入氨合成塔催化剂床层发生氨合成反应；高温（420～435 ℃）出塔气从合成塔底部出来，依次进入中压废锅（副产4.0 MPa饱和蒸汽，出塔气温度降至约260 ℃）、锅炉给水加热器（将锅炉给水加热至约240 ℃后送回废锅作为补水）、低压废锅（副产0.5 MPa饱和蒸汽，出塔气温度降至约165 ℃）、塔外热交换器、循环水冷却器、冷交换器、一级氨冷器、二级氨冷器降温，然后通过高压氨分离器分离出液氨，液氨进入中压氨分离器减压闪蒸，闪蒸后的液氨送罐区（装置采用高纯氮气，微量惰性气随液氨排至液氨罐区弛放），闪蒸气则与新鲜气汇合后一同进入合成气压缩机循环段提压，重新参与氨合成反应；高压氨分离器气相（循环气）进入冷交换器回收冷量后进入合成气压缩机循环段入口与新鲜气汇合，再次增压后进入氨合成系统循环利用。
1.2 氨合成系统中压废锅流程
中压废锅流程与中压废锅串低压废锅主流程基本相同，主要区别在于中压废锅流程并未设置0.5 MPa低压废锅，其余工艺流程两者保持高度一致，均遵循原料气压缩、预热、氨合成反应到产物分离、气体循环的基本流程框架。简言之，相较于中压废锅串低压废锅流程，中压废锅流程在余热回收环节上缺少了低压废锅对出塔气热量的回收利用。
1.3 氨合成塔塔内流程简述
中压废锅串低压废锅流程与中压废锅流程所适配的氨合成塔，均采用三段式全径向高效反应器设计，其核心配置包括3个主反应床层、2个层间（段间）热交换器及第一床层中间的扁管调温器（该调温器可实现第一床层热点温度、零米温度的双重精准调控，并有效提升系统氨净值）。氨合成塔塔内流程：塔前预热后的工艺气分为三股进入合成塔，第一股从塔顶直接通入第一床层内置的扁管调温器，第二股从塔顶进入第一床层对应的段间热交换器，第三股则从合成塔底部进入沿塔壁环隙流动（流动过程中回收塔内散热，并保护塔外壳）继而导入第二床层对应的段间热交换器；三股入塔气在各自对应的换热设备中分别与后续床层排出的高温反应气完成热量交换，升温至氨合成催化剂最佳活性温度后，共同汇入零米床层并实现均匀混合，随后依次进入三段催化剂床层进行逐级反应，最终完成反应的高温混合气从塔底排出进入余热回收单元。
2 模拟计算说明
2.1 计算基准
以2 000 t/d低压氨合成系统为基准，对整个生产过程中的新鲜气与公用工程消耗等进行详细分析。其中，新鲜气作为氨合成反应的起始原料，其温度设定为40 ℃、压力为2.0 MPa，为纯净氢氮气，控制新鲜气中惰性气含量（体积分数）≤25×10-6。
2.2 模拟软件
采用Aspen Plus V12流程模拟软件，即氨合成回路流程模拟采用Aspen Plus自带的内置模块，据各工艺设备的功能特性实现精准匹配。其中，氨合成塔选用RStoic模块，用于模拟塔内可逆放热的氨合成反应过程；各类换热器（含废热锅炉、预热器等）均采用Heater模块，通过Heater模块实现不同物流间的热量传递与温度调节；新鲜气压缩机（合成气压缩机新鲜气段）与循环气压缩机（合成气压缩机循环段）对应Compr模块，精准模拟气体增压过程中的参数变化；原料气混合单元适配Mixer模块，保障新鲜气与循环气能够实现均匀混合后进入后续系统；氨分离器则采用Flash2模块，基于气液平衡原理高效分离液氨与未反应的气体组分。
2.3 物性方法选择
针对氨合成回路高温、高压的工艺特点，选用PENG-ROB（Peng-Robinson）状态方程作为物性计算方法。PENG-ROB状态方程是Aspen Plus推荐的高压烃类体系适用模型，能准确预测H2-N2-NH3混合体系的气液相平衡及焓值数据，契合氨合成回路的热力学特性。
更多内容详见《中氮肥》2026年第3期