我国中、小型合成氨装置的原则流程分别如图 1和图 2所示^[1]。

图 1

中型合成氨装置原则流程

图 2

生产碳酸氢铵的小型合成氨装置原则流程

我国中、小型合成氨装置包括采用间歇式固定层块煤气化、半水煤气湿法脱硫、CO变换、变换气脱硫、脱碳、精脱硫、原料气精制、氨合成等工序，其中每一个工序都与其前后工序紧密相联，牵一发而动全身，使整个合成氨工艺控制要求严格。同时，每一个工序又有多种选择，使整个合成氨工艺显得十分复杂，在全国数百家中、小型合成氨企业中，几乎找不出工艺与设备完全相同的。氨合成在压力30~32 MPa下进行，电动往复式压缩机是整个合成氨的“心脏”，1套中型合成氨装置往往需要配置10台往复式压缩机并联运行，由于设备故障率高，影响了合成氨装置运行的稳定性和连续性。吨氨能耗高达55~60 GJ，约为先进的大型气头合成氨装置的2.0倍，约为先进的大型煤头合成氨装置的1.5倍，这是我国合成氨技术总体上远落后于发达国家、能耗上远高于发达国家的主要原因。

我国以煤为原料的大型合成氨装置的原则流程如图 3所示^[1]。

图 3

以煤为原料的大型合成氨装置原则流程

大型煤头合成氨装置采用粉煤或水煤浆富(纯)氧连续气化工艺制取加压水煤气，原料气净化只有耐硫变换、低温甲醇洗和液氮洗3个主要工序，使原料气净化过程大大简化；原料气压缩采用汽动离心式压缩机，氨合成压力15 MPa，压缩仅是合成氨过程中一个普通的单元操作。

在大型煤头合成氨装置中，由于汽动离心式压缩机打气量大、运行平稳，使整个合成氨装置运行的连续性和稳定性都得到大大提高；由于进气压力较高、总压缩比小，使吨氨能耗下降至33~38 GJ，达到或接近世界煤头合成氨装置的先进水平。

(1) 采用间歇式固定层块煤气化工艺制取半水煤气时，1个工作循环包括吹风、一次上吹、下吹、二次上吹、空气吹净5个步骤，而且必须在3 min内完成转换，在此期间阀门位置需改变6次(每次4~6只阀门)。由于气化过程中约有1/3的时间用于吹风和倒换阀门，因此，有效制气时间少，热量和有效气体的损失十分严重，原料气化率和利用率仅70%左右，且存在爆炸隐患^[1]。

富氧或纯氧连续气化工艺由于采用高温、加压气化，故热效率很高。采用粉煤连续气化工艺时，操作压力为2~4 MPa，操作温度为1 400~1 600 ℃，碳转化率可达99%，合成气对原料煤的能源转化率达80%~83%，另有15%左右的能量以高品质蒸汽的形式加以回收。水煤浆气化工艺的操作压力为6.4 MPa，操作温度为1 300~1 400 ℃，碳转化率达96%~97%，副产的中、高压蒸汽完全可满足汽动离心压缩机对动力蒸汽和变换过程对工艺蒸汽的需求。

(2) 间歇式固定层块煤气化工艺的气化温度在800~1 200 ℃呈周期性变化，总体温度低，可利用余热少；同时，蒸汽分解率低，吹风气排放造成物耗和能耗均很高，且制得的煤气中含有较多的焦油、萘、酚、硫化物、甲烷等有害杂质^[1]。

对于富(纯)氧连续气化工艺，粉煤颗粒小、氧气浓度高，尽管煤粉在气化炉中停留时间极短，但气化反应进行得相当充分，影响环境的副反应很少，水煤浆气化工艺制得的煤气中有效成分φ(CO+H₂)可以达到80%~90%，壳牌粉煤气化工艺制得的煤气中有效成分φ(CO+H₂)可以达到90%。

(3) 间歇式固定层气化工艺采用焦炭、块状无烟煤或型煤制取半水煤气，对燃料要求苛刻，对煤的大小、机械强度、热稳定性、灰熔点等指标要求严格，其中任一项达不到要求，都会造成操作困难^[1]。

富(纯)氧连续气化工艺对煤种适应性强，能够处理高灰分、高水分和高硫煤，也能够气化无烟煤、石油焦、烟煤、褐煤等，并对煤的反应活性、结焦性等不敏感，可采用劣质粉煤和水煤浆作为原料，原料成本可降低33%~50%。

(4) 间歇式固定层气化工艺制取半水煤气的单炉生产能力低且不易大型化，单炉日投煤量仅200~400 t，单炉产气量仅6 000~10 000 m³/h，通常1套中型合成氨生产装置需10多台煤气发生装置并联生产^[1]。大型合成氨装置的单炉日投煤量可达3 000 t以上，单炉产气量可达100 000~200 000 m³/h，年产300 kt总氨的合成氨装置只需1~3台气化炉即可。

(5) 间歇式固定层煤气炉造气过程会产生大量的三废。中、小型合成氨装置通常采用常压固态排渣，废渣中含碳质量分数在10%~20%，经水洗后可回收用作民用燃料，但会产生大量有毒有害废水，另有部分废水来源于洗气箱和洗涤塔对半水煤气的喷淋、洗涤与冷却，其所含主要污染物有煤粒类悬浮物、氰化物、重金属、硫化物、挥发性酚、氨氮等^[2]。以年产100 kt合成氨的中型装置为例，吨氨需排放50~80 m³造气废水^[3]，年废水排放量达5 000~8 000 kt；生产1 t合成氨实际煤耗一般在1.1~1.4 t，如果废渣中平均含灰分20%(质量分数，下同)，残碳量平均取15%，则年产生废渣38.5~49.0 kt；吹风气的平均生成量取吨煤1 420 m³(标态)^[3]，则年排放吹风气量达(1.56~1.85)×10⁸ m³(标态)，其中CO₂(假定CO经余热回收装置全部转化为CO₂)体积分数约为24%，CO₂排放量(3.75~4.43)×10⁷ m³/a(标态)，即73.7~87.1 kt/a，相当于每年浪费标煤20.1~23.8 kt，即合成氨工艺的煤耗提高了近20%。由此可见，即使不考虑生产成本与盈亏问题，在两型社会建设、低碳经济、节能减排和雾霾治理的国家大战略下，广大中、小型煤头合成氨生产企业也身处困境之中。

富(纯)氧连续气化工艺采用液态熔渣排渣，灰渣呈玻璃状，无污染、易堆放，可作为水泥配料或制砖原料；只在煤气洗涤除尘时排放少量废水，由于几乎不含有机气体，因此也易于净化和循环回收；由于没有吹风气，所以气化过程几乎没有废气排放。

(1) 中、小型合成氨装置通常采用高压、高温、高空速、轴向合成塔为特征的氨合成技术。从化学平衡的角度来看，虽然提高氨合成压力可提高合成塔的生产强度与生产能力、平衡氨含量以及氨合成反应速率，简化了氨分离流程，但温度的提高将减小氨合成反应的平衡常数，不利于延长催化剂的使用寿命；而高空速虽然也能提高合成塔的生产强度与生产能力，但是降低了合成塔的氨净值，增大了高压机和冷冻机的动力消耗，不利于反应过程的余热回收。文献表明^[1]，温度为360 ℃、压力为10 MPa时的平衡氨含量与温度为450 ℃、压力为30 MPa时的相当，可见，反应温度提高90 ℃，就抵消了反应压力提高2倍对平衡氨含量的影响，高温、高压的反应条件并不能有效提高氨转化率。

(2) 大型煤头氨合成装置采用低温、低压、低空速、径向合成塔为特征的大型氨合成技术，采用低温高活性的催化剂，通过成倍加大合成塔有效容积和催化剂装填量，并对反应热充分回收与综合利用，达到了提高氨合成生产能力和降低氨合成能耗的目的。氨合成反应压力和温度的不同是大型合成氨装置与中、小型合成氨装置吨氨能耗相差悬殊的又一个主要原因。

据中国氮肥工业协会的统计数据，近年来我国碳酸氢铵产量变化情况如表 2所示。

从目前情况看，碳酸氢铵产量下降的速度比预期要快^[6]。除了保留30家左右、约1 000 kt/a产能生产工业碳酸氢铵和食品级碳酸氢铵的小型合成氨企业外，碳酸氢铵这个我国特有的、曾经为农业生产和粮食增产做出过重大贡献的化肥品种将退出历史舞台。

我国现有中型合成氨装置产能15 000 kt/a左右，占我国合成氨总产能的1/4。部分中型合成氨企业已破产或被兼并，其原因并不完全是技术问题，更多的是经营理念和管理机制方面的问题。如原湖南省的资江氮肥厂和湘江氮肥厂被兼并后，其工艺技术、生产能力和产品质量并没有质的突破，但通过转变经营理念、改进管理机制、精简机构和解决冗员，就实现了企业的暂时生存^[7]。在低碳经济、两型社会、雾霾治理的国家战略之下，预计10年后将难觅生产合成氨和尿素的煤头中型合成氨企业的踪迹，但生产硝酸铵和三聚氰胺的中型企业仍将有一席之地。

有专家建议，将中、小型合成氨装置的中高压合成氨流程改为低压流程^[5]，但笔者认为这是不现实的。因改低压流程后，不只是简单地将管线增粗、合成塔放大、多装催化剂、改用汽动离心式压缩机就行了，必须新建空分装置，采用富(纯)氧连续气化装置代替间歇式固定层气化炉，净化工序以耐硫变换、低温甲醇洗、液氮洗等代替原湿法脱硫、中温变换、变脱、脱碳、有机硫转化、精脱硫、铜洗或甲烷化等。在大型低压氨合成工艺流程中，合成塔大小、内件结构与中压流程完全不同，装填的催化剂几乎是中压氨合成塔的5~10倍，氨分离需采用三级氨冷，余热回收方式也不同。总之，中、小型合成氨装置原有的设备、管线和厂房几乎完全没有用武之地，与其伤筋动骨地修修补补，还不如推倒重来，虽然耗资较大，但现代社会缺乏的恰恰不是资金，而是人才、技术和市场。

中、小型煤头合成氨企业的根本出路在于：以其拥有的人才资源、市场资源和原料资源为撬杆(股份)，以金融资本为纽带，以发展低碳经济、产能置换的国家政策为推力，搭上大型煤头合成氨装置发展的快车，才能浴火重生。

近年来，我国大型煤头合成氨装置的发展呈井喷之势，其根本原因在于无烟煤和褐煤的成本比例较低。2014年，我国在运的大型合成氨装置估计已达60套以上，接近合成氨总产能的1/3以上。不同燃料的成本比例如表 3所示。

由表 3可知，天然气的单位热值价格是无烟煤的4倍以上，是褐煤的6倍以上。目前，市场上石油和煤炭价格一直处于下跌或低价徘徊，这既与世界经济增长乏力有关，也与国际政治有关，这不是一种常态。目前，我国天然气还不是市场机制定价，虽然近年来分别与土库曼斯坦、俄罗斯等国家签订了大宗天然气合同，但仍将优先用作民用燃料，仍然难以满足我国合成氨工业对天然气的庞大需求，部分气头合成氨装置主要起供气调峰作用而保留，天然气作为合成氨原料在我国是不可能有光明前景的。

随着石油时代逐步转入煤炭时代，煤头合成氨等煤化工技术的开发不仅是中国的热点，也将再度成为世界合成氨技术开发的热点，煤在未来的合成氨原料份额中将再次占举足轻重的地位。我国的能源结构本来就是富煤、少油、缺气，煤的储量是天然气与石油储量总和的10倍，进行油改煤、气改煤为核心的原料结构调整势在必行。数十年来，我国持续专注于煤头合成氨技术的发展，恰好契合了目前合成氨工业的发展趋势，将使我国大型煤头合成氨工业迎来蓬勃发展的春天^[7]。可以预言，10年后，全国将建成约200套大型煤头合成氨装置，总产能将基本稳定在80 000 kt/a，将占我国合成氨总产能的90%以上；油头合成氨企业将完全被淘汰，只有少数生产硝酸铵、三聚氰胺、工业和食品专用碳酸氢铵的煤头中、小型合成氨企业才能生存，而气头合成氨装置的存在主要起供气调峰作用。