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摘要：本人在对合成氨造气工艺中的多种重要工艺参数加以研究分析，并提出了改进方案；通过改进后能使合成氨生产的原料得到充分利用，降低了生产成本，提高了经济效益。
关键词：合成氨 造气炉
中图分类号：TQ113文献标识码： A
引言:氮肥企业对能源的消耗非常大，面对市场冲击如何能更好的优化工艺条件进行技术改造，最大限度的降低生产成本以及搞好装置的挖潜工作，是企业长期发展的关键，笔者拟从吹风系统、炉箅改造以及氢氮比的调节上进行阐述。
1 氢氮比氢氮比是合成氨生产中的一个重要指标，是与造气、变换、合成等工段有关的控制参数，它直接影響到后工段的产量。
1.1 氢氮比的自动控制
由于氢氮比的调节是一个多变量的复杂调节系统，较难建立起被控对象的理想数学模型，而且采用人工手动调节时，波动大、合格率低、滞后时间长，严重影响合成氨产量。氢氮比的控制一般有恒氢法、差减法及色谱氢氮比法三种方法。对中小氮肥企业来说，恒氢法较为实用，在生产中应用较多的有如下调节方法。
（1）以循环氢和脱硫氢为反馈信号，采用预估算法和常规PID 算法相结合的控制规律，以调节上吹加氮时间和回收时间，控制含氮量，从而实现氢氮比的自动调节。
（2）将合成补充氢、循环氢、气柜出口氢、气柜高度、气柜出口流量5 个电信号，经过毫伏转换器转换成脉冲数字信号后，再经过数据处理。并根据各造气炉的工况，准确无误地向造气微机输出控制信号，改变回收时间或加氮时间，实现超前调节。
（3）仅用变换氢、合成氢这2 个信号来自动调节加氮量，以实现氢氮比的自动控制。该方法对稳定炉况起到了较好的作用。从整个操作过程来看，通过稳定炉况来稳定氢氮比不失为两全其美的方法。
1.2 氢氮比的选择
当氢气与氮气的体积比为3∶1 时，氨的平衡浓度最大。如果氢气和氮气中任一组分过量，参加反应的氮氢气体在总气体中的百分率就要减少。一般情况下，氢气和氮气约占入合成塔气体的80％左右，如果扣除循环气中惰性气体和氨气，把剩余的氢氮气按3∶1 的比例参与合成反应，则氢气的体积分数应为其中的75％，氮气为25％。如若氢气过量3％，则氢氮气中氢气的体积分数为78％，氮气的体积分数为22％，而与22％氮气发生反应的只有66％氢，那么，参与反应的氢氮气体则占总气体的88％。如若氢氮混和气中氮气的体积分数过剩3％，则其组分为氮的体积分数28％，氢的体积分数72％，72％的氢气只能与24％的氮气化合，则参与反应的氢氮为96％。显然，氮的过量要比氢的过量好得多。
另外，从氨合成反应速度看，在非平衡的状态下，适当增加氮的分压，有利于催化剂吸附氮的速度。原因是氮的活性吸附是氨合成反应过程中的控制步骤。氢氮气体之比例稍低于3，有利于提高气体中氮的分压，使更多的氮扩散到催化剂表面，增加吸附机会，提高合成率。
2 炉箅的优化与选择
专用炉箅是根据各企业的炉型、原料性质、加煤方式、炭层高度以及各部位阻力等参数设计的一种专门炉箅。优选炉箅应从炉型、通风面积、布风性能、破渣排渣能力和带出物情况等方面综合考虑。
（1）布风设计专用炉箅优化中，最关键的部位是布风设计。合理布风的原则应是控制中心风量，加大外环区风量。布风强度的优化设计与原料的种类、性质、粒径、气孔率、所用风机的风量与风压、加煤的形式、燃料层总高度以及各部位阻力等有关。
（2）炉型的优选为了防止生产过程中煤气炉炭层下降不均匀，出现塌炭、返焦率上升等现象，直径＜3 000mm 煤气炉采用六边形均布型炉箅，以克服以上不良现象。
（3）减少带出物的优化设计要注意内风道间隙和上下层重叠面的设计是否合理，以使下吹带出物量与通风阻力之间达到最优化，既可减少下吹带出物，又不会影响制气效果。
合成氨企业中根据造气炉的不同通常采用五边炉箅或六边炉箅，相比之下，六边炉箅有更多的优点：①布风均匀。六层六边布风比五层布风均匀性提高20％，炉况稳定，操作弹性大，返焦率降低；②破渣能力强。炉箅向上翘起的破渣角老型号为18 个，新型号为24 个，通过下渣情况看，无大块死疤现象；③下吹带出物少。各层风道间隙减少了，在通风面积相等时，六层风道比五层风道间隙减少15％～20％，下吹带出物减少，减轻了对下行煤气管道的冲刷；④煤种适应性强。无论使用山西煤、贵州煤、宁夏煤，使用新型炉箅的炉子炉况变化不大，较易控制。
3 吹风系统
在造气炉的操作中，吹风阶段促使燃料燃烧，蓄积热量，为制气阶段碳与蒸汽的反应创造条件。吹风阶段除要求在尽可能短的时间内将炉温提高到气化过程所需要的温度外，还应尽量减少热损失，降低燃料消耗。从吹风阶段所发生的化学反应来分析，碳与氧的反应速度常数相当大，反应属扩散控制，因此提高吹风速度是强化以扩散控制为主的碳的燃烧反应的有效措施。而在还原层里发生的碳与二氧化碳的吸热还原反应则属于动力学控制，气流速度高又正好缩短了二氧化碳在还原层的停留时间，降低了吹风气中一氧化碳的含量，故减少了热损失。因此，提高吹风速度，并使生成的吹风气迅速离开系统，是减少热损失的关键。从上面的分析可见，配用大流量、高风压风机是提高吹风效率的首要条件，而同时降低吹风系统阻力是提高吹风效率的关键。系统中的阻力包括设备和煤气炉碳层的阻力，以及管路和阀门的阻力。对于像煤气炉吹风阶段低压系统管路的处理，不能像对待高压管路那样要求整齐规划，而应着重考虑减少管路系统以及阀门的阻力，否则，不仅耗能大，而且影响风机的工作特性。
（1）风机的改造：扩径改造后的造气炉其附属
设备必须配套才能发挥效益，其中风机是关键。造气炉的最佳工况是在短的时间内使炉温提高，蓄存足够的热量，供制气用。这就要求单位时间内风机必须具备高风速、大风量的性能，所以，把所有风机改为C800-1.28 型风机。在高炭层操作时，制气强度可提高到1 300m3/m2・h，有利于提高炭层和炉温，同时也实现了1 台风机供4 台Φ2 610mm造气炉生产，达到节能降耗、经济运行的目标。
（2）改造入炉风管，降低阻力：我公司入炉风管原设计为DN500mm，由于风机改型，风量提高，经检测，阻力近2 750Pa。为此，入炉风管及阀门全部更换为DN600mm，阻力降低到1 050Pa。（3）改造制气系统，降低阻力：造气系统阻力的大小，直接影响到造气炉的正常运行和造气炉的出力。针对制气系统阻力，采取了简化工艺流程、管道扩径、减少弯头等措施。
4透平循环机工艺流程
4.1、主气体工艺流程从高压机来的新鲜气少部分进入保护气系统，大部分经过滤油器滤油后与从氨分出来的气体混合，经冷凝塔、氨冷器、再进入冷凝塔分离氨后，从冷凝塔二次出口出来，分两路从机身两侧对称进入高压筒体内，气体从电机与高压筒体的环隙纵向流过，带走电机散发的热量，然后再经中间接筒的气孔与保护气汇合进入叶轮，经压缩后送至合成塔。从合成塔出来的气体经水冷器冷却（Ⅱ系统先经中锅），再经氨分离器分离氨后与高压机来的新鲜气混合进入冷凝塔，依此循环。
4. 2.、保护气工艺流程从高压机岗位来的少量新鲜气经小氨冷器冷却后进入气水分离器分离掉其中的水和油，再经硅胶干燥器吸收气体中残存的水份，干燥后的气体进入透平机电机的定子与转子间的环隙，直接带走电机的热量，与循环气在中间接筒汇合后再进入透平机的叶轮压缩。
4.3.、硅胶再生工艺流程由高压机送来的少量新鲜气或事故氮气（500-700Nm3/h）经氨冷器冷却、气水分离器分离水和油后，进入电加热器提高温度（≤180℃）后进入需再生的硅胶干燥器，依靠气体的热量将硅胶吸附的水份蒸发并进行干燥，出干燥器的气体由放空管放空或回收，同时将水份带走。当干燥器气体出口温度达100-120℃后表明再生合格。
结论
本文对合成氨造气中多个重要部分进行了优化改进，不仅能更进一步降低了造气工段的能耗，同时优化了工艺操作，实现了企业的安全、高产、低耗，提高了企业的经济效益和竞争力。
关键词：合成氨 造气炉
中图分类号：TQ113文献标识码： A
引言:氮肥企业对能源的消耗非常大，面对市场冲击如何能更好的优化工艺条件进行技术改造，最大限度的降低生产成本以及搞好装置的挖潜工作，是企业长期发展的关键，笔者拟从吹风系统、炉箅改造以及氢氮比的调节上进行阐述。
1 氢氮比氢氮比是合成氨生产中的一个重要指标，是与造气、变换、合成等工段有关的控制参数，它直接影響到后工段的产量。
1.1 氢氮比的自动控制
由于氢氮比的调节是一个多变量的复杂调节系统，较难建立起被控对象的理想数学模型，而且采用人工手动调节时，波动大、合格率低、滞后时间长，严重影响合成氨产量。氢氮比的控制一般有恒氢法、差减法及色谱氢氮比法三种方法。对中小氮肥企业来说，恒氢法较为实用，在生产中应用较多的有如下调节方法。
（1）以循环氢和脱硫氢为反馈信号，采用预估算法和常规PID 算法相结合的控制规律，以调节上吹加氮时间和回收时间，控制含氮量，从而实现氢氮比的自动调节。
（2）将合成补充氢、循环氢、气柜出口氢、气柜高度、气柜出口流量5 个电信号，经过毫伏转换器转换成脉冲数字信号后，再经过数据处理。并根据各造气炉的工况，准确无误地向造气微机输出控制信号，改变回收时间或加氮时间，实现超前调节。
（3）仅用变换氢、合成氢这2 个信号来自动调节加氮量，以实现氢氮比的自动控制。该方法对稳定炉况起到了较好的作用。从整个操作过程来看，通过稳定炉况来稳定氢氮比不失为两全其美的方法。
1.2 氢氮比的选择
当氢气与氮气的体积比为3∶1 时，氨的平衡浓度最大。如果氢气和氮气中任一组分过量，参加反应的氮氢气体在总气体中的百分率就要减少。一般情况下，氢气和氮气约占入合成塔气体的80％左右，如果扣除循环气中惰性气体和氨气，把剩余的氢氮气按3∶1 的比例参与合成反应，则氢气的体积分数应为其中的75％，氮气为25％。如若氢气过量3％，则氢氮气中氢气的体积分数为78％，氮气的体积分数为22％，而与22％氮气发生反应的只有66％氢，那么，参与反应的氢氮气体则占总气体的88％。如若氢氮混和气中氮气的体积分数过剩3％，则其组分为氮的体积分数28％，氢的体积分数72％，72％的氢气只能与24％的氮气化合，则参与反应的氢氮为96％。显然，氮的过量要比氢的过量好得多。
另外，从氨合成反应速度看，在非平衡的状态下，适当增加氮的分压，有利于催化剂吸附氮的速度。原因是氮的活性吸附是氨合成反应过程中的控制步骤。氢氮气体之比例稍低于3，有利于提高气体中氮的分压，使更多的氮扩散到催化剂表面，增加吸附机会，提高合成率。
2 炉箅的优化与选择
专用炉箅是根据各企业的炉型、原料性质、加煤方式、炭层高度以及各部位阻力等参数设计的一种专门炉箅。优选炉箅应从炉型、通风面积、布风性能、破渣排渣能力和带出物情况等方面综合考虑。
（1）布风设计专用炉箅优化中，最关键的部位是布风设计。合理布风的原则应是控制中心风量，加大外环区风量。布风强度的优化设计与原料的种类、性质、粒径、气孔率、所用风机的风量与风压、加煤的形式、燃料层总高度以及各部位阻力等有关。
（2）炉型的优选为了防止生产过程中煤气炉炭层下降不均匀，出现塌炭、返焦率上升等现象，直径＜3 000mm 煤气炉采用六边形均布型炉箅，以克服以上不良现象。
（3）减少带出物的优化设计要注意内风道间隙和上下层重叠面的设计是否合理，以使下吹带出物量与通风阻力之间达到最优化，既可减少下吹带出物，又不会影响制气效果。
合成氨企业中根据造气炉的不同通常采用五边炉箅或六边炉箅，相比之下，六边炉箅有更多的优点：①布风均匀。六层六边布风比五层布风均匀性提高20％，炉况稳定，操作弹性大，返焦率降低；②破渣能力强。炉箅向上翘起的破渣角老型号为18 个，新型号为24 个，通过下渣情况看，无大块死疤现象；③下吹带出物少。各层风道间隙减少了，在通风面积相等时，六层风道比五层风道间隙减少15％～20％，下吹带出物减少，减轻了对下行煤气管道的冲刷；④煤种适应性强。无论使用山西煤、贵州煤、宁夏煤，使用新型炉箅的炉子炉况变化不大，较易控制。
3 吹风系统
在造气炉的操作中，吹风阶段促使燃料燃烧，蓄积热量，为制气阶段碳与蒸汽的反应创造条件。吹风阶段除要求在尽可能短的时间内将炉温提高到气化过程所需要的温度外，还应尽量减少热损失，降低燃料消耗。从吹风阶段所发生的化学反应来分析，碳与氧的反应速度常数相当大，反应属扩散控制，因此提高吹风速度是强化以扩散控制为主的碳的燃烧反应的有效措施。而在还原层里发生的碳与二氧化碳的吸热还原反应则属于动力学控制，气流速度高又正好缩短了二氧化碳在还原层的停留时间，降低了吹风气中一氧化碳的含量，故减少了热损失。因此，提高吹风速度，并使生成的吹风气迅速离开系统，是减少热损失的关键。从上面的分析可见，配用大流量、高风压风机是提高吹风效率的首要条件，而同时降低吹风系统阻力是提高吹风效率的关键。系统中的阻力包括设备和煤气炉碳层的阻力，以及管路和阀门的阻力。对于像煤气炉吹风阶段低压系统管路的处理，不能像对待高压管路那样要求整齐规划，而应着重考虑减少管路系统以及阀门的阻力，否则，不仅耗能大，而且影响风机的工作特性。
（1）风机的改造：扩径改造后的造气炉其附属
设备必须配套才能发挥效益，其中风机是关键。造气炉的最佳工况是在短的时间内使炉温提高，蓄存足够的热量，供制气用。这就要求单位时间内风机必须具备高风速、大风量的性能，所以，把所有风机改为C800-1.28 型风机。在高炭层操作时，制气强度可提高到1 300m3/m2・h，有利于提高炭层和炉温，同时也实现了1 台风机供4 台Φ2 610mm造气炉生产，达到节能降耗、经济运行的目标。
（2）改造入炉风管，降低阻力：我公司入炉风管原设计为DN500mm，由于风机改型，风量提高，经检测，阻力近2 750Pa。为此，入炉风管及阀门全部更换为DN600mm，阻力降低到1 050Pa。（3）改造制气系统，降低阻力：造气系统阻力的大小，直接影响到造气炉的正常运行和造气炉的出力。针对制气系统阻力，采取了简化工艺流程、管道扩径、减少弯头等措施。
4透平循环机工艺流程
4.1、主气体工艺流程从高压机来的新鲜气少部分进入保护气系统，大部分经过滤油器滤油后与从氨分出来的气体混合，经冷凝塔、氨冷器、再进入冷凝塔分离氨后，从冷凝塔二次出口出来，分两路从机身两侧对称进入高压筒体内，气体从电机与高压筒体的环隙纵向流过，带走电机散发的热量，然后再经中间接筒的气孔与保护气汇合进入叶轮，经压缩后送至合成塔。从合成塔出来的气体经水冷器冷却（Ⅱ系统先经中锅），再经氨分离器分离氨后与高压机来的新鲜气混合进入冷凝塔，依此循环。
4. 2.、保护气工艺流程从高压机岗位来的少量新鲜气经小氨冷器冷却后进入气水分离器分离掉其中的水和油，再经硅胶干燥器吸收气体中残存的水份，干燥后的气体进入透平机电机的定子与转子间的环隙，直接带走电机的热量，与循环气在中间接筒汇合后再进入透平机的叶轮压缩。
4.3.、硅胶再生工艺流程由高压机送来的少量新鲜气或事故氮气（500-700Nm3/h）经氨冷器冷却、气水分离器分离水和油后，进入电加热器提高温度（≤180℃）后进入需再生的硅胶干燥器，依靠气体的热量将硅胶吸附的水份蒸发并进行干燥，出干燥器的气体由放空管放空或回收，同时将水份带走。当干燥器气体出口温度达100-120℃后表明再生合格。
结论
本文对合成氨造气中多个重要部分进行了优化改进，不仅能更进一步降低了造气工段的能耗，同时优化了工艺操作，实现了企业的安全、高产、低耗，提高了企业的经济效益和竞争力。