秦馗，喻贵伦
（四川美丰化工股份有限公司，四川 德阳618000）
［摘 要］四川美丰化工股份有限公司化肥分公司600 t/d合成氨装置是我国首套“大型”国产化气头合成氨装置，于2005年9月18日正式投产，采用美国凯洛格合成氨工艺流程——两段蒸汽转化造气、高温+低温变换、低热耗改良热钾碱法脱碳、甲烷化净化、14.0 MPa低压氨合成新工艺，并设有弛放气膜分离氢回收系统。在我国“双碳”目标下国内合成氨生产企业面临压力与挑战的大背景下，针对四川美丰600 t/d合成氨装置，详细介绍在减排思路的指导下四川美丰从一段转化炉、变换系统、原料气净化系统（脱碳系统、甲烷化系统）、空气/氢氮气联合压缩机、氨合成系统等五个方面开展的减排降碳实践及效果。经过多年的减排降碳实践，目前四川美丰600 t/d合成氨装置吨氨综合能耗约1 060 kgce，达到了较好的水平，可为业内提供一些参考与借鉴。并指出，现阶段国内气头合成氨装置还有许多工作可做，还有更多减排措施和方法值得业内探索与实践。
［关键词］合成氨装置；一段转化炉；变换系统；脱碳系统；甲烷化系统；空气/氢氮气联合压缩机；氨合成系统；减排降碳实践
［中图分类号］X781.4 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）05-0031-04
0 引 言
2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上庄严宣告：“中国力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”，业内称之为“30/60”气候目标［1］。此目标将在经济、能源和环境等方面给中国乃至世界带来深远影响。在碳达峰路线实施方面，我国将在工业技改、能源结构、产业结构三大方面均衡发力，力争到2030年时将碳排放峰值控制在（104～110）×108 t之间；在碳中和路线实践方面，我国将以技术进步作为碳减排核心驱动力，再加上新能源革命接力，预计于2050年实现深度减排，碳排放量降至20×108 t左右［2-3］。我国作为世界上最大的发展中国家，将完成全球最高碳排放强度降幅，用全球历史上最短的时间实现从碳达峰到碳中和，碳减排压力巨大。
合成氨行业属典型的能源工业，由于合成氨生产条件严苛，其生产过程需消耗大量能源，并伴随大量CO2排放，是节能减排工作重点关注的领域［4-6］。我国合成氨工业的原料结构以传统石化能源为主，近年来以煤炭为原料的占比高达73%左右，而以天然气或焦炉气等为原料的占比仅约27%。合成氨是重要的化工原料，合成氨工业属高能耗产业，在国家“双碳”目标下，合成氨生产企业将面临巨大压力与挑战：① 对技术创新的高要求带来挑战——合成氨工业发展了100多年，工艺改变较小或现有工艺提升空间有限，对原料存在高度依耐性，要摒弃现有的工艺路线并非易事；② 我国合成氨工业能源低碳化和能源利用效率均相对较低（国际上合成氨装置以大型装置为主，且多以天然气为原料，吨氨综合能耗≤1 000 kgce，而我国由于“富煤、缺油、少气”的化石能源资源禀赋及历史原因，中小型合成氨装置占比不小，且多以煤为原料，吨氨综合能耗较高），在短时间内要大幅提高能源利用效率难度较大，若合成氨企业不积极主动作为，不少企业必将面临淘汰或转行的风险。
1 四川美丰600 t/d合成氨装置概况
四川美丰化工股份有限公司（简称四川美丰）化肥分公司现有2套合成氨装置，产能分别为600 t/d、450 t/d。其中，600 t/d合成氨装置（配套1 000 t/d尿素装置）于2005年9月18日正式投产，采用美国凯洛格合成氨工艺流程，是我国首套以天然气为原料的具有自主知识产权的“大型”国产化合成氨装置。 600 t/d合成氨装置以天然气为原料（以外供电为动设备提供动力），采用两段蒸汽转化造气、高温+低温变换、低热耗改良热钾碱法脱碳、甲烷化净化、14.0 MPa低压氨合成新工艺，并采用膜分离系统回收氨合成系统弛放气中的H2（H2经加压后回到氨合成系统）。
四川美丰600 t/d合成氨装置竣工验收结果为吨氨综合能耗约8.3 Gcal，高于原《合成氨节能设计技术规定》（HGJ 3—1986）（本标准现已作废）中的第一级能耗指标（7.0～7.8 Gcal）、低于HGJ 3—1986第二级能耗指标（8.4～8.9 Gcal），相较于国内几套上世纪70年代从国外成套引进的且经多次节能改造的300 kt/a合成氨装置，其吨氨综合能耗基本相当。
2 600 t/d合成氨装置的减排降碳思路
经分析与论证，四川美丰600 t/d合成氨装置减排降碳主要思路为：① 在保证装置产能的前提下尽可能少消耗天然气，因此转化工段是减排降碳的重点环节；② 前工段控制最佳工艺指标，减少后工段的排放，故变换、脱碳、甲烷化工段主要是控制最佳工艺指标，尽可能充分地利用碳元素；③ 在压缩工段（主要是空气/氢氮气联合压缩机，简称联合压缩机），延长压缩机的运转周期，以达到间接减少碳排放的目的；④ 综合回收利用氨合成工段的弛放气，把“碳”吃干榨尽。为此，四川美丰主要从一段转化炉（简称一段炉）、变换系统、原料气净化系统（脱碳系统、甲烷化系统）、联合压缩机、氨合成系统等五个方面进行改进，以减少碳排放。
3 600 t/d合成氨装置减排降碳实践
3.1 一段炉减排降碳实践
在凯洛格合成氨工艺流程中，一段炉是产生大量CO2的场所，一是工艺天然气与蒸汽反应生成CO2和H2，二是需要燃烧天然气（生成CO2和水）为转化反应提供大量热量。一段炉减排措施具体如下。
（1）对于工艺天然气，传统一段炉出口残余甲烷含量控制在13%左右，600 t/d合成氨装置采用高活性转化催化剂，控制一段炉出口气残余甲烷含量在11%左右，相较于传统一段炉出口残余甲烷含量降幅达15.38%，尽可能减少后续工序的排放。
（2）对于燃烧天然气，600 t/d合成氨装置于2016年采用新型烧嘴，新型烧嘴投用后燃料气消耗减少约5%，燃料天然气与工艺天然气质量之比由42%降至40%，少产生约5%的CO2。
（3）2018年在一段炉炉膛四周喷涂一种新型隔热材料，使一段炉热损减少约2.27%，直接减少燃料天然气消耗约2.1%。新型烧嘴+喷涂新型隔热材料此两项技改，直接减少碳排放约9.5%，吨氨燃料天然气消耗由原来的约290 m3（标态）减至现在的约260 m3（标态）。
更多内容详见《中氮肥》2022年第5期