浅谈合成氨生产中的降本增效措施

宋建峰

(山西晋丰煤化工有限责任公司闻喜分公司　山西闻喜　043800)

我国合成氨工业历经几十年的发展，在不断吸收国外先进工艺技术的基础上，进行了积极的整合和改良，逐步形成了适合我国国情的合成氨工业模式，其整体生产水平逐步提高。近年来，我国合成氨生产工艺技术取得了快速发展，随着一些高度自动化、现代化、低能耗、大型化的合成氨生产装置的建成投产，给一些中、小型合成氨生产企业带来强烈冲击；另外，国家对小氮肥企业的电价优惠政策取消后，中、小型合成氨企业由于电耗较高，生产成本高的压力越发突出。是通过积极的节能技术改造、降本增效以提高自身的竞争力，在逆境中求生存，还是在行业整合的浪潮中惨遭淘汰，这是昔日曾有过辉煌历史的中、小型合成氨企业所面临的抉择。正如物择天华、适者生存的自然进化理论所展现的那样，昔日的中、小型合成氨企业在激烈的行业竞争中，有的固步自封而破产倒闭，有的积极引进新技术并加以吸收改进，逐渐增强壮大。在这些能够适应时代潮流的企业中，无不是在充分利用企业自有的人才优势、抓好生产过程管理的基础上，积极进行技术革新和改造，采用先进的生产工艺技术取代落后的生产工艺，采用先进的集成工艺实行多元联产，通过积极的技术革新和改造逐步降低单位产品能耗，发展低碳经济以适应行业激烈竞争的客观现实，从而实现企业的可持续发展。

1　我国合成氨生产现状

目前，我国合成氨生产企业的生产装置水平参次不齐，大、中、小型生产装置并存，有的生产企业是从20世纪70年代的小氮肥装置建成投产，逐步进行技术改造发展起来的；有的是在20世纪80年代引进国外生产技术而建成的大型合成氨生产装置；有的是在21世纪初，化肥市场行情较好的大背景下，一些大型国有企业或一些有经济实力的部门通过资源整合而投资上马的“18·30”、“40·60”或规模更大的生产装置。我国的合成氨生产装置就原料来源分类，主要有煤、石油、天然气三大类，但因我国煤炭资源丰富而石油及天然气资源相对短缺，以煤为原料的合成氨生产能力占总产能的80%以上。近段时期以来，由于合成氨生产规模越来越大，造成我国氮肥产能激增、产量过剩、供大于求，各氮肥企业间的竞争越发激烈。目前，我国化肥市场已全面开放，基本实行了市场竞争的调节手段，地区间的行政保护价已不复存在，化肥价格已由市场决定，价格差异已经很小。因此，以合成氨生产为基础的各氮肥企业，行业内的竞争越发加剧，企业间的竞争主要依靠的是生产经营成本的竞争，企业为了求生存和谋发展，必须积极内部挖潜，从降低生产经营成本上下工夫。

2　合成氨生产成本

以合成氨为基础的氮肥生产企业的成本主要包括原材料(煤、石油、天然气等)成本、动力电成本、燃料煤成本(主要用于生产蒸汽)、固定资产折旧及维修费用、化工辅料费用、财务费用(主要为银行贷款本息的偿还)、采购和销售费用(包括长、短途运输及销售损耗等)、安全环保治理费用、生产工人工资及附加。各企业的各项成本所占比例因企业自身情况不同略有差异，但是两煤一电(原料煤、燃料煤、动力电)成本所占比例均在80%以上，因此，企业为降低生产制造成本，降低两煤一电的单位产品消耗无疑是重中之重。同时，企业在生产经营过程中还须兼顾其他生产过程的控制管理，要有集小流以成江海的思想和全方位管理的思维，才能在日趋激烈的行业竞争中站稳脚跟，不断发展。

3　节能降耗、降本增效的主要措施

目前，我国合成氨生产企业大都是以煤为原料，因此，重点探讨煤基合成氨生产企业的节能降耗措施。

3.1　从源头上降低原料煤成本

降低原料煤成本主要从使用原料煤的种类(煤种不同，价格差异很大)和降低单位产品原料煤消耗上进行。

3.1.1降低原料煤成本

在煤基合成氨生产过程中，原料煤种主要是根据煤气化工艺的不同而选取。对于固定层气化工艺，要求使用灰熔点和硬度较高的优质无烟煤、焦炭或特制的型煤；对于水煤浆加压气化工艺，要求使用灰熔点较低、可磨性较好、成浆性能较优的烟煤等为原料；对于气流床粉煤气化工艺，则可使用价格较低的褐煤或烟煤为原料。当前，由我国自行设计和研发的、适合我国国情的水煤浆加压气化和气流床粉煤气化工艺生产装置相继建成投产并很快达到设计产能，单位产品的原料煤成本大幅降低，如采用水煤浆连续气化工艺所用烟煤含税市场价为560元/t(山西省2016年下半年统计价格)，而同时期优质无烟块煤价在815元/t左右，水煤浆气化工艺吨氨醇煤耗在1.5 t左右，固定层气化工艺为1.2 t左右，采用水煤浆气化工艺吨产品原料煤成本可降低约140元，展现出了良好的经济效益。

需要说明的是，煤的气化工艺技术是随着行业技术的不断发展和操作经验的不断提高而逐渐进步的，各种气化工艺有其各自的优缺点。固定层气化工艺经过几十年的摸索总结，技术比较成熟，国产化程度较高，生产操作经验较为丰富，气化装置的制造和维修成本较低，但其所用原料优质无烟块煤和焦炭价格相对较高，造成生产单位产品经济成本也高。近年来，生产企业通过加工型煤，逐步拓宽了固定层气化工艺原料煤的使用范围，其原料煤成本略有下降，但其单位产品经济成本仍较高。水煤浆加压气化工艺技术和气流床粉煤气化工艺技术最初是从国外引进的专利技术，如德士古水煤浆加压气化技术和Shell粉煤气化技术等，其原料的使用突破了固定层气化工艺必须使用优质无烟煤的局限性，可以使用价格相对较低的煤种，仅从所使用的原材料来说，单位产品成本有较大幅度的降低。但引进的气化工艺一次性设备投资费用较大，是同等规模固定层气化工艺的2倍甚至数倍，还需支付大笔外汇作为专利技术费用；同时，由于当时国内对水煤浆等气化工艺技术和操作技能的掌握程度较低，大投入后达不到预期的生产能力，造成生产经营过程中财务费用成倍提高，故在引进水煤浆等加压气化技术之初，生产企业的单位产品生产成本整体降幅并不大。近几年来，随着我国煤化工科技人员对水煤浆加压气化技术及气流床粉煤气化工艺的探索和研究不断深入，开发出了具有自主知识产权的水煤浆水冷壁气化炉、航天炉以及一次性投资相对较低、规模较小、适合企业改造使用的高浓度废水制水煤浆气化炉等，使得水煤浆加压气化工艺和气流床粉煤气化工艺实现了国产化，一次性投资降低；同时，随着对水煤浆及气流床粉煤气化工艺技术研究的逐步深入，生产操作技术的掌握程度逐步提高，使得这2种较为先进、节能的煤气化技术的应用范围得到进一步拓展。

因此，合成氨生产企业在节能技术改造过程中进行煤气化工艺的选择时，应根据行业发展水平、工艺技术的进步和操作熟练程度以及企业实际情况，选取既适合企业实际情况又符合行业发展方向的生产工艺，才能实现降低企业生产成本、增强企业竞争力和可持续发展的目的。

3.1.2降低原料煤消耗

生产工艺确定后，欲实现单位产品原料煤耗的降低，首先在原料煤的采购时，应从价格、质量上进行对比分析，在运输和储存上合理调配，做到质好价廉并减少运输损耗，求取最佳效益。其次，在生产工艺允许范围内，合理调整原材料种类。如固定层气化工艺可采用价格较低的型煤取代无烟块煤，或按一定比例将烟煤与无烟煤掺烧，或按一定比例将半焦与焦炭掺烧。有条件的企业，可利用当地其他企业排放的废气(高炉气、焦炉气、电石炉尾气等)为原料气，经气体成分的加工和调整后生产合成氨。在制气过程中采用新技术，如采用自动加煤和出渣、DCS寻优控制、增氧制气工艺、蒸汽自动调节技术、常压夹套改为加压夹套、小加氮技术等，均可降低原料煤的消耗，采用上述技术后吨氨煤耗可降低100～200 kg。对于年产300 kt合成氨企业，通过以上措施按吨氨降低煤耗150 kg、煤价800元/t计算，全年可节约资金3 600万元，其经济价值是相当可观的。对于采用水煤浆气化技术或流化床气化技术的企业，需了解各种煤的物化特性，根据生产的需要选择能满足工艺要求且价格相对较低的原料煤进行组织生产，必要时可组织中小型试验以寻求合理的原料配比，以达到降本增效的目的。

3.2　降低燃料煤成本

3.2.1合理利用造气炉渣

合成氨生产企业的燃料煤主要是用于生产蒸汽，因此降低燃料煤成本就需从减少燃料煤用量、增加生产过程中废热利用、降低燃料煤价格、高低位热能合理利用方面综合考虑。

合成氨企业的生产工艺路线及产能确定后，其生产过程中所需蒸汽量就基本确定。根据能量守恒原理，由水加工成蒸汽所需能量是一定的，因此生产蒸汽的理论耗煤量是一定的。但在蒸汽生产的实际过程中，能量的来源是可以不同的。如在固定层气化工艺中，原料煤的使用往往是不完全的，原料煤气化后的炉渣中含碳质量分数一般在15%～20%，若不加以利用，是极大的损失和浪费。三废混燃炉的开发和应用，可将造气炉渣中的残碳燃用殆尽，用于生产一定量的蒸汽。对于年产300 kt合成氨的企业，用三废混燃炉燃用造气炉渣生产蒸汽，每年可节约燃料煤75 kt左右，按燃料煤价格260元/t计算，年节约资金近2 000万元，具有相当可观的经济价值。

3.2.2减少生产过程中的蒸汽消耗量

采用水煤浆加压气化技术后，气化所用蒸汽来源于气化炉内高温高压状态下水的汽化，无需外来蒸汽的加入即可满足煤的气化条件，故采用先进的水煤浆加压气化工艺可节约大量的蒸汽。同时，CO变换采用耐硫催化剂后，进变换装置的工艺气体对硫含量的要求放宽，较高压力、较高温度的煤气可携带大量的饱和蒸汽直接进入变换工段，煤气中所携带的蒸汽即可满足CO变换所需，因此变换过程也无需外来蒸汽的加入。由此可见，采用水煤浆加压气化工艺技术后，合成氨生产过程中制H2阶段就不需要外加蒸汽了，可从源头上降低燃料煤的使用量。

3.2.3充分利用反应热

在合成氨生产过程中，CO变换、甲醇合成、氨合成等都是放热反应，可充分利用反应热生产蒸汽。如采用水煤浆加压气化工艺，变换工段可设置废热锅炉，吨氨变换过程可副产1.2 t左右的蒸汽；采用水管式甲醇合成塔，吨甲醇可以副产约1.0 t的蒸汽；采用废热锅炉回收氨合成反应热，吨氨可副产约1.2 t的蒸汽。以年产300 kt合成氨装置为例，上述几项副产的蒸汽在700 kt/a左右，相当于1台80 t/h的锅炉所产蒸汽量，按生产1 t蒸汽所需燃料煤成本60元计算，每年可节省资金4 200万元。在采用水煤浆加压气化技术后，合成氨生产过程中的蒸汽不但能满足自用，还有部分蒸汽外供甲醇精制、尿素生产、溴化锂制冷、蒸汽驱动、发电等。充分利用生产过程中的反应热，可极大地减少燃料煤的使用量，是降低生产成本的重要措施之一。

3.2.4高低位热能的合理利用

高低位热能的合理利用指在生产管理过程中，根据生产系统各环节对蒸汽品位要求的不同，提供不同品位的蒸汽。生产装置在设计和安装过程中应根据生产各环节的需要设计和安装高、中、低不同品位的蒸汽管道，以备不同生产环节的需要。如固定层常压造气系统只需要低压过热蒸汽，CO变换系统、尿素系统需要中压饱和蒸汽，甲醇精馏、硫黄回收、脱盐水除氧、某些设备管道的伴热等只需低压饱和蒸汽。将高品位蒸汽用至只需低品位蒸汽的场合，就会造成能量的浪费，从而增加燃料煤的消耗。因此，企业应根据装置的工艺及设备状况，从生产管理上抓起，了解自身的蒸汽使用和可供情况，合理设计工艺管线，依靠严密的生产组织合理利用能源，达到降低燃料煤消耗的目的。

3.3　降低动力电的消耗

在合成氨生产中，动力电主要消耗于各种工艺流体的输送过程中。目前，我国合成氨生产工艺中动力电的消耗差别是相当大的，节电潜力是巨大的。

3.3.1采用加压煤气化工艺取代常压气化工艺

对于采用常压固定层气化工艺生产合成氨的企业，生产1 t合成氨所需的动力电耗在1 200～1 500 kW·h，平均在1 350 kW·h左右。采用加压气化工艺技术后，合成氨生产的电耗可明显降低，如：煤气化压力提高至2.5 MPa，吨氨醇电耗比常压气化可降低200 kW·h左右；采用4.0 MPa加压气化后，吨氨醇电耗比常压气化可降低350 kW·h左右。因此，目前的合成氨生产企业制气工艺大都向加压煤气化的方向发展。

3.3.2压缩机组大型化，电机高效节能化

工艺气体的压缩是合成氨生产过程的主要耗电环节，占合成氨生产总电耗的65%左右。采用大型高效压缩机组取代小型机组，同时采用高效节能电机，吨氨工艺气体压缩电耗可以降低50～60 kW·h。罗茨风机、鼓风机、液体输送泵等设备在满足工艺要求的基础上选用大型节能型设备以及高效节能电机，吨氨可以节电20 kW·h左右。

3.3.3降低能量损耗和电力消耗

(1) 采用等温变换工艺取代传统的绝热变换工艺，可降低变换工段阻力约0.05 MPa，可在一定程度上降低压缩机功耗。

(2) 变换工段与脱碳工段采用同一压力等级，工艺气体中占体积分数25%以上的CO2无需消耗压缩功即可在脱碳装置中脱除，吨氨醇可节电50 kW·h以上。

(3) 在生产工艺流程中设置低压联醇工艺，工艺气体中的一部分CO、CO2和H2在较低压力(5.5 MPa或8.0 MPa)下合成甲醇，既可初步净化合成气，又能降低氨合成系统压力，吨氨可以节电80 kW·h左右，同时还能通过调节氨醇生产负荷以优化产品结构。

(4) 采用抽真空变压吸附技术取代碳丙、NHD等湿法脱碳工艺，吨氨醇可以节电50～60 kW·h；而采用两段吹扫法变压吸附脱碳技术取代碳丙、NHD等湿法脱碳工艺，吨氨醇可节电约90 kW·h。

(5) 采用溴化锂制冷技术，利用生产过程中的低位热能生产较低温度的冷却水并用于降低氮氢压缩机进口煤气温度，可增产2%左右；或用于降低氨合成循环气温度，降低冰机电耗。采用溴化锂制冷技术，吨氨可节电40 kW·h左右。

(6) 随着低压氨合成技术的逐渐成熟，采用高效氨合成内件和催化剂，将氨合成压力降至18～20 MPa，吨氨可节电50 kW·h左右。

(7) 采用高效蒸发冷凝器取代传统的水冷器或冷却塔，吨氨可节电30 kW·h左右。

(8) 采用氨水喷射吸收制冷技术取代冰机制冷机组制冷，吨氨可节电50 kW·h左右。

(9) 采用热功联产节电技术，即利用高温高压的过热蒸汽的高位热能驱动汽轮机高速转动以带动生产过程中的运转设备，从而取代电机，达到降低电耗的目的。热功联产技术的应用须根据企业的蒸汽产量及蒸汽品位综合考虑，做到高品位热能利用后，稍低品位的热能也能得到合理利用，切不可一味追求节电而致使蒸汽利用率降低，否则将造成生产过程中蒸汽无法平衡，进而影响合成氨生产系统的稳定。该技术的节电效果需根据所驱动运转设备的功率计算，各企业的生产状况不同，节电效果有所差别。

3.4　提高生产效率

生产过程中的工艺管理、设备管理及安全环保管理工作对生产成本的影响也是较大的。如生产设施中存在“大马拉小车”现象，就会使电耗增大；严重的跑、冒、滴、漏会使煤耗、电耗及各种辅料消耗上升；设备出现故障会造成生产出现波动，不仅影响产量，而且造成消耗增加；生产设施前后工段不匹配，会造成设备效率降低，从而使各项消耗增加；生产过程中因工艺气体中有效成分降低、无效成分增高，如煤气中CO2含量增高、合成气氢氮比不合适、甲烷含量增高等都会造成综合产量的减少，各项消耗增加；生产系统冷却设施对工艺气体冷却效果差，会造成压缩机打气量减小，吨氨电耗增加；压缩机活门漏气将造成压缩机有效功降低，电耗增加；如果出现安全事故、环保事故后，造成减量生产甚至停产整顿等，对生产影响更大。因此，加强生产过程中各项基础管理工作，对企业节能降耗是具有积极意义的。

3.5　降低生产运行费用

固定资产折旧费用和财务费用主要与各企业在投资建设时的资金来源、银行贷款金额、贷款利率、投资过程中设备选型购置费用、基建周期、基建安装费用等相关，各企业的情况不尽相同。但是企业在建设过程中应注意：设备的设计选型能满足安全环保要求、符合生产工艺要求、能达到安全生产目的即可，切不可一味追求高、大、上，否则会使建设安装费用增高，造成投产后生产费用的增大；在基建过程中应严把采购设备质量关、基建施工质量关、设备安装质量关，严防在基建过程各环节中出现偷工减料、降低施工设计标准要求的现象，否则在装置建成投产后，会形成重大安全隐患，给生产带来不安全因素，从而造成生产成本的增大。

3.6　降低采购和销售费用

采购和销售费用主要与企业所在地理位置、当地物流输送能力、企业的货物采购与营销网络、供销人员的业务素质、国内外市场行情等因素有关，企业应在保证产品质量和销售渠道畅通的基础上，尽量降低采购和销售费用。

3.7　综合治理三废，变废为宝

随着国家对安全生产和环境保护重视程度的不断提高，企业投入的安全环保治理费用会逐渐增多，但企业在三废治理过程中可回收有效资源、降低污染物排放量，达到节能降耗的目的。企业应正确对待环保投入，只要找到治理污染的合适方法，环保设施的投入是能得到经济回报的，对企业的不断发展是大有益处的。这就要求企业深入了解和认识并加强研究和探讨三废治理和回收再利用的相关知识，达到污染治理、变废为宝、增强企业经济效益的目的。

4　结语

近年来，我国以合成氨生产为基础的氮肥工业取得了快速发展，适合我国合成氨工业生产路线、具有我国自主知识产权的先进节能工艺不断涌现，生产规模大型化、原料使用多元化、产品结构多联化的市场化格局已逐步形成，企业间的竟争已不是简单的产能规模的竞争，而是成本的竞争、效益的竞争，是企业综合赢利能力的竞争。因此，合成氨生产企业的经营者必须转变经营理念，在节能降耗、降低生产成本、追求生产经济效益上做文章，既要从采用新技术、新工艺以提升企业硬件设施着手，加强节能技术改造力度，又要靠细化、量化、科学化、合理化的生产管理过程来提升企业的管理水平，加强过程控制管理，全方位提升企业的经营水平，才能适应日益激烈的市场竞争，为企业赢得生存和发展的空间。