【文章內(nèi)容簡介】 年代的 下降到 左右，而且以天然氣為原料的大型氨廠的所需動力約有 85%可由余熱供給 [3]。 (四 ) 生產(chǎn)自動化 合成氨生產(chǎn)特點之一是工序多、連續(xù)性強。 20世紀 60年代以前的過程控制多采取分散方式，在獨立的幾個車間控制室中進行。自從出現(xiàn)單系列裝置的大型氨廠，除泵類有備用外，其它設備和機器都是一臺。因此，某一環(huán)節(jié)的失調(diào)就會影響生產(chǎn)，為了保證長周期的安全生產(chǎn)，對過程控制提出更高的要求，從而發(fā)展到把全流程的溫度、壓力、流量、物位和成分五大參數(shù)的模擬儀表、報警、連鎖系統(tǒng)全部集中在中央控制室顯示和監(jiān)視控制。 自從 20世紀 70年代計算機技術應用到合成氨生產(chǎn)以后，操作控制上產(chǎn)生了飛躍。 1975 年美國霍尼威爾公司開發(fā)成功 TCP2021 總體分散控制系統(tǒng)（ Totol Distributed Control System），簡稱集散控制系統(tǒng)（ DCS）。 DCS 是現(xiàn)代計算機技術、控制技術、數(shù)據(jù)通訊技術和熒光顯示技術（ CRT）相結合的產(chǎn)物。在 CRT 操作平臺上可以存取、顯示多種數(shù)據(jù)和畫面，包括帶控制點的流程，全部過程變量、控制過程變量，以及其參數(shù)的動態(tài)數(shù)值和趨勢圖，從而實現(xiàn)集中監(jiān)視和集中操作。操作人員對于人一控制點、控制單元、生產(chǎn)設備、車間以及全廠的運作情況進行隨機或定勢的觀察，只要通過鍵操作調(diào)出相應的畫面，即可把所需內(nèi)容顯示在 CRT上，以便監(jiān)視、控制和修改某些參數(shù)。需要的數(shù)據(jù)、流程都 可隨機或定時在打印機上打印和彩色硬拷貝機上拷貝。與此同時，報警、連鎖系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)，采用了微機技術的可編程序邏輯控制器（ PLC）代替過去的繼電器，采用由用戶編寫的程序，實現(xiàn)自動或手動的“開”或“?！焙蛷碗s程序不同的各種邏輯控制，計時、計數(shù)、模擬控制等。近年由于機電一體化需要邏輯控制和模擬控制計時、計數(shù)、運算等功能相結合，各儀表廠家的產(chǎn)品已從單一的邏輯控制，趨向多種控制功能結合為一體。因此，用“可編程序控制器”（ PC）這一名稱較為確切。 此外，若配置有高一級管理、控制功能的上位機系統(tǒng)，還能進行全廠綜合優(yōu)化控制和管理，這種新穎的過程控制系統(tǒng)不僅可以取代常規(guī)模擬儀表，而且還可以完成局部優(yōu)化控制以及模擬儀表難以實現(xiàn)的復雜自控系統(tǒng)。若能用仿真技術進行操作人員的模擬培訓只需在一臺高性能的計算機上配合相應的軟件以代替實際生產(chǎn)裝置的控制、運作設備，這樣就可以在較短的時間內(nèi)學習開停車、正常操作和事故狀態(tài)操作。這些都表示氨生產(chǎn)技術自動化進入新的階段，改變了幾十年合成氨生產(chǎn)控制的面貌。 中國合成氨工業(yè)的發(fā)展概況 中國合成氨生產(chǎn)是從 20世紀 30年代開始 的，但當時僅在南京、大連兩地建有氨廠，一個是由著名愛國實業(yè)家范旭東先生創(chuàng)辦的南京永利化學工業(yè)公司铔廠 —— 永利寧廠，現(xiàn)南京化學工業(yè)公司的前身；另一個是日本占領東北后在大連開辦的滿洲化學工業(yè)株式會社，最高年產(chǎn)量不超過 50Kt（ 1941 年）。此外在上海還有一個電解水制氫生產(chǎn)合成氨、硝酸的小型車間。 中華人民共和國成立以來，化工部門貫徹為農(nóng)業(yè)服務的方針，把發(fā)展化肥生產(chǎn)放在首位。經(jīng)過 50多年的努力，中國已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠 1000 多個， 1999年總產(chǎn)量為 氨， 已 躍居世界第 1 位， 已掌握 了以焦炭、無煙煤、褐煤、焦爐氣、天然氣及油田氣和液態(tài)烴等氣固液多種原料生產(chǎn)合成氨的技術，形成中國大陸特有的煤、石油、天然氣原料并存和大、中、小生產(chǎn)規(guī)模并存的合成氨生產(chǎn)格局。 中國合成氨工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個階段。 第一、恢復老廠和新建中型氨廠 20世紀 50年代初，在恢復和擴建老廠的同時，從原蘇聯(lián)引進以煤為原料、年產(chǎn) 50kt 的三套合成氨裝置，并創(chuàng)建了吉化、蘭州、太原三大化工基地，后又自行設計、制造了 萬噸合成氨系統(tǒng)，以川化的創(chuàng)建為標志。到 60 年代中期中氮已投產(chǎn)了 15家。 20世紀 60年代隨著石油、天 然氣資源的開采，又從英國引進一套以天然氣為原料的加壓蒸汽轉(zhuǎn)化法年產(chǎn) 100kt合成氨裝置 (即瀘天化 )；從意大利引進一套以重油為原料的部分氧化法年產(chǎn)50kt 合成氨裝置，從而形成了煤油氣原料并舉的中型氨廠生產(chǎn)系統(tǒng)，迄今為止，已建成 50 多座中型氨廠。 第二、小型氨廠的發(fā)展 從 20 世紀 60 年代開始在全國各地建設了一大批小型氨廠， 1979 年最多時曾發(fā)展到 1539 座氨廠。 第三、大型氨廠的崛起 20世紀 70年代是世界合成氨工業(yè)大發(fā)展時期。由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性， 1972年 2 月中國作出 了成套引進化學肥料技術和設備的決定。 1973年開始，首批引進 13 套年產(chǎn) 300kt 合成氨的成套裝置 (其中 10 套為天然氣為原料，建在川化、瀘天化、云南、貴州等地 )，為了擴大原料范圍， 1978 年又開始第二批引進 4 套年產(chǎn) 300kt 合成氨裝置。 中國是世界上人口最多的農(nóng)業(yè)大國，為了在 2021 年氮肥產(chǎn)量達到基本自給自足，最近十年先后陸續(xù)引進 14套具有 20世紀 90年代先進水平的年產(chǎn) 300kt 合成氨成套設備， 同時從 20 世紀 70 年代起，我國開始了大型合成氨成套裝置的自行設計、自行制造工作，第一套年產(chǎn) 30 萬噸的合成氨裝置于 80年在上海建成投產(chǎn)。特別是于 90 年代初在川化建成投產(chǎn)的年產(chǎn) 20 萬噸合成氨裝置達到了當時的國際先進水平。 從而掌握了世界上幾乎所有先進的工藝和先進技術如低能耗的凱洛格工藝、布朗工藝等，通過對引進技術的消化吸收和改造創(chuàng)新，不但使合成氨的技術水平跟上了世界前進的步伐，而且促進了國內(nèi)中小型氨廠的技術發(fā)展。 至今，在 32 套引進裝置中，原料為天然氣、油田氣的 17 套，渣油 7套，石腦油 5 套，煤 2 套和尤里卡瀝青 1 套，加上上海吳涇，成都的兩套國產(chǎn)化裝置，合成氨總能力為 。中國潛在的天然氣資源十分豐富，除新勘探的新疆塔里 木盆地有大量的天然氣可以通過長距離的管線東輸外，對海南鶯歌海域蘊藏的天然氣已決定在新世紀初新建一套引進的年產(chǎn)450kt 合成氨裝置，這將是中國規(guī)模最大的一套合成氨裝置 [1]。 1． 3 設計產(chǎn)品所需的主要原料規(guī)格、來源 主要原料來源 生產(chǎn)合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣。 氮氣來源于空氣，可以在低溫下將空氣液化、分離而得，或者在制氫過程中直接加入空氣來解決。 氫氣來源于水或含有烴類的各種燃料，它取決于用什么方法制取。最簡便的方法是將水電解，但此法由于電能消耗大、成本高而受到限制?，F(xiàn)在工業(yè)上普遍采用以焦炭 、煤、天然氣、重油等原料與水蒸汽作用的氣化方法。 主要原料規(guī)格 (1) 合成塔進口氣體組成 合成塔進口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。當氫氫比為3 時，對于氨合成反應，可得最大平衡氨含量，但從動力學角度分析，最適宜氫氨比隨氨含量的不同而變化。如果略去氫及氨在液氨中溶解損失的少量差異，氨合成反應氫與氮總是按 3： 1 消耗，新鮮氣氫氮比應控制為 3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會積累起來，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調(diào)。 惰性氣體 (CH Ar)來源于新鮮原料氣，它們不參與反應因而在系統(tǒng)中積累。惰性氣體的存在，無論從化學平衡還是動力學上考慮均屬有弊。但是，維持過低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導致原料氣消耗量增加。如果循環(huán)氣中惰性氣體含量一定，新鮮氣中惰性氣體含量增加，根據(jù)物料平衡關系，新鮮氣消耗隨之增大。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應根據(jù)新鮮氣惰性氣體含量、操作壓力、催化劑活性等條件而定。由于原料氣制備與凈化方法不同，新鮮氣中惰性氣體含量也各個相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。 當其它條件一定時，進塔氣體中氨含量越高，氨凈值越小，生產(chǎn)能力越 低。初始氨含量的高低取決于氨分離的方法。對于冷凍法分離氨，初始氨含量與冷凝溫度和系統(tǒng)壓力有關。為過分降低冷凝溫度而過多地增加氨冷負荷在經(jīng)濟上也并不可取。操作壓力 300atm 時，一般進塔氨含量控制在 ～ ％； 150atm 時，為 ～ ％。 (2) 硫化物和碳氧化物含量 無論那一種原料所得原料氣，都含有一定數(shù)量的硫化物。雖然原料氣中硫化物含量不高，但對合成氨生產(chǎn)危害卻很大。硫化物是各種催化劑的毒物，硫化氫能腐蝕設備管道。以烴類為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化法制取原料氣，鎳催化劑對硫含量限制十分嚴格，要求烴原料中 總硫含量為 (重量 )以下。 為防止 CO和 CO2對催化劑的毒害，規(guī)定 CO和 CO2總含量不得多余 20ppm[5]。 生產(chǎn)中產(chǎn)生有害物質(zhì)和處理措施 中小型合成氨廠在生產(chǎn)過程中，常見的有毒有害物質(zhì)種類很多，多以氣體、蒸氣、霧、粉塵等狀態(tài)存在，其中有毒有害氣體是合成氨生產(chǎn)中最常見的。 氨氣和液氨 氨氣是一種具有強烈刺激臭味的無色氣體 , 易被液化成藍色液體。車間空氣中氨的最高容許濃度為 30 毫克／米 3。它對人的眼睛和呼吸器官有較大的傷害作用。氨中毒的癥狀首先是服粘膜和呼吸道粘膜受到刺激、胸感 抑郁、胃痛、打噴嚏、流口水、周身有不舒服感。如在氨氣濃度不大的環(huán)境中，停留時間不長，而且能及時離開環(huán)境，到空氣新鮮的地方去，上述的癥狀可漸漸消失。中毒嚴重時，會引起肺部腫脹導致死亡。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。因氨有氣味，故較好預防。 合成氨生產(chǎn)中合成工段經(jīng)常接觸的液體毒物有液氨、氨水等。液氨或氨水濺入眼內(nèi)，可造成眼睛嚴重損傷，出現(xiàn)眼瞼水腫，眼結膜迅速充血水腫，眼劇痛，角膜混濁，甚至因角膜潰瘍、穿孔而失明。接觸液氨和高濃度氣氨，可使皮膚引起類似強堿的嚴重灼傷，出現(xiàn)紅斑、水泡，甚至因吸收水分，使皮膚脂肪皂化而壞 死。 在正常生產(chǎn)過程中，有很少一部份氣態(tài) NH3 無法回收，通過放空火炬燃燒掉就不會對環(huán)境造成影響。對于成品氨罐放空的氣態(tài) NH3 可引入冰機中進行加壓冷凝，不僅回收了 NH3，同時也不會造成環(huán)境的污染 [3]。 合成氨廢水 合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水是 COD 的主要來源。比如，隔油池中廢水就含有 COD。如果含有 COD 的廢水排放出去就會繁衍菌類、藻類，污染水源和土壤，更嚴重的是會造成污染滋生源，對環(huán)境造成更大的破壞。 要減少廢水和工藝冷凝液中的 COD 的排放，可改進生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設特生化處理裝置，進行廢水處理，使廢水中的 COD 含量達到國家控制標準 [6]。 生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方法的確定 合成氨生產(chǎn)的特點 氨的合成工段，其主要任務是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經(jīng)過精制的氫氮混合氣體，在合成塔內(nèi)直接合成為氨。然后將所得的氣氨，從氫氮混合氣中經(jīng)冷卻冷凝成為液態(tài)氨分離出來。液氨由氨罐進入氨冷器蒸發(fā)為氣氨，送碳化崗位制取碳酸氫銨；或送硝酸車間制取硝酸和硝銨；或送硫銨車間制取硫酸銨；或?qū)⒁喊彼湍蛩剀囬g制取尿素等。未合成為氨的氫 氮混合氣體繼續(xù)在合成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)使用。 合成氨生產(chǎn)的特點，概括起來有如下幾方面 [7]： (1)工藝流程長、設備管道多； (2)生產(chǎn)過程有高度的連續(xù)性； (3)各工序生產(chǎn)操作相互影響； (4)生產(chǎn)是在高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒、易灼傷的情況下進行的。 在整個合成氨生產(chǎn)過程中，合成氨生產(chǎn)比較復雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險因素，各種控制條件比較嚴格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。同時，因生產(chǎn)工藝流程長、連續(xù)性強，設備長期承受高溫和高壓，還有內(nèi)部介質(zhì)的沖刷、滲透和外部環(huán)境的腐蝕等，各類事故發(fā)生率比較高，尤其是火災、爆炸和重大設備事故經(jīng)常發(fā)生。但是，只要我們能充分認識這一客觀規(guī)律并掌握這一客觀規(guī)律就能做到安全生產(chǎn)，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。 因此，合成氨生產(chǎn)必須滿足高溫、高壓、高純度要求。在生產(chǎn)過程中有一系列化學反應、傳熱、燃燒、分離等過程 ,溫度、壓力、濃 度等因素都影響反應的進行 ,這些因素又受到設備質(zhì)量、水質(zhì)、煤質(zhì)、季節(jié)、氣候、操作水平、調(diào)度與管理的影響 ,這樣就形成了合成氨生產(chǎn)工藝過程、設備結構、操作管理與生產(chǎn)技術的復雜性。 氨合成過程的基本工藝步驟 實現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個步驟 [4]：氮氫原料氣的壓縮并補入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對未反應氣體補充壓力并循環(huán)使用，排放部分循環(huán)氣以維持循環(huán)氣中惰性氣體的平衡等。 由于采用壓縮