【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(dòng)力約有 85%可由余熱供給 [3]。 (四 ) 生產(chǎn)自動(dòng)化 合成氨生產(chǎn)特點(diǎn)之一是工序多、連續(xù)性強(qiáng)。 20世紀(jì) 60年代以前的過(guò)程控制多采取分散方式，在獨(dú)立的幾個(gè)車間控制室中進(jìn)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(shè)備和機(jī)器都是一臺(tái)。因此，某一環(huán)節(jié)的失調(diào)就會(huì)影響生產(chǎn)，為了保證長(zhǎng)周期的安全生產(chǎn)，對(duì)過(guò)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(bào)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(jì) 70年代計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)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(guó)霍尼威爾公司開(kāi)發(fā)成功 TCP2021 總體分散控制系統(tǒng)（ Totol Distributed Control System），簡(jiǎn)稱集散控制系統(tǒng)（ DCS）。 DCS 是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和熒光顯示技術(shù)（ CRT）相結(jié)合的產(chǎn)物。在 CRT 操作平臺(tái)上可以存取、顯示多種數(shù)據(jù)和畫面，包括帶控制點(diǎn)的流程，全部過(guò)程變量、控制過(guò)程變量，以及其參數(shù)的動(dòng)態(tài)數(shù)值和趨勢(shì)圖，從而實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視和集中操作。操作人員對(duì)于人一控制點(diǎn)、控制單元、生產(chǎn)設(shè)備、車間以及全廠的運(yùn)作情況進(jìn)行隨機(jī)或定勢(shì)的觀察，只要通過(guò)鍵操作調(diào)出相應(yīng)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(jī)或定時(shí)在打印機(jī)上打印和彩色硬拷貝機(jī)上拷貝。與此同時(shí)，報(bào)警、連鎖系統(tǒng)，程序控制系統(tǒng)，采用了微機(jī)技術(shù)的可編程序邏輯控制器（ PLC）代替過(guò)去的繼電器，采用由用戶編寫的程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)的“開(kāi)”或“停”和復(fù)雜程序不同的各種邏輯控制，計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、模擬控制等。近年由于機(jī)電一體化需要邏輯控制和模擬控制計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)算等功能相結(jié)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(jié)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(jí)管理、控制功能的上位機(jī)系統(tǒng)，還能進(jìn)行全廠綜合優(yōu)化控制和管理，這種新穎的過(guò)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?jī)?yōu)化控制以及模擬儀表難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜自控系統(tǒng)。若能用仿真技術(shù)進(jìn)行操作人員的模擬培訓(xùn)只需在一臺(tái)高性能的計(jì)算機(jī)上配合相應(yīng)的軟件以代替實(shí)際生產(chǎn)裝置的控制、運(yùn)作設(shè)備，這樣就可以在較短的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)開(kāi)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(shù)自動(dòng)化進(jìn)入新的階段，改變了幾十年合成氨生產(chǎn)控制的面貌。 中國(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展概況 中國(guó)合成氨生產(chǎn)是從 20世紀(jì) 30年代開(kāi)始 的，但當(dāng)時(shí)僅在南京、大連兩地建有氨廠，一個(gè)是由著名愛(ài)國(guó)實(shí)業(yè)家范旭東先生創(chuàng)辦的南京永利化學(xué)工業(yè)公司铔廠 —— 永利寧廠，現(xiàn)南京化學(xué)工業(yè)公司的前身；另一個(gè)是日本占領(lǐng)東北后在大連開(kāi)辦的滿洲化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社，最高年產(chǎn)量不超過(guò) 50Kt（ 1941 年）。此外在上海還有一個(gè)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(guó)成立以來(lái)，化工部門貫徹為農(nóng)業(yè)服務(wù)的方針，把發(fā)展化肥生產(chǎn)放在首位。經(jīng)過(guò) 50多年的努力，中國(guó)已擁有多種原料、不同流程的大、中、小型合成氨廠 1000 多個(gè)， 1999年總產(chǎn)量為 氨， 已 躍居世界第 1 位， 已掌握 了以焦炭、無(wú)煙煤、褐煤、焦?fàn)t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(shù)，形成中國(guó)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(guó)合成氨工業(yè)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。 第一、恢復(fù)老廠和新建中型氨廠 20世紀(jì) 50年代初，在恢復(fù)和擴(kuò)建老廠的同時(shí)，從原蘇聯(lián)引進(jìn)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(shè)計(jì)、制造了 萬(wàn)噸合成氨系統(tǒng)，以川化的創(chuàng)建為標(biāo)志。到 60 年代中期中氮已投產(chǎn)了 15家。 20世紀(jì) 60年代隨著石油、天 然氣資源的開(kāi)采，又從英國(guó)引進(jìn)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(jìn)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(jì) 60 年代開(kāi)始在全國(guó)各地建設(shè)了一大批小型氨廠， 1979 年最多時(shí)曾發(fā)展到 1539 座氨廠。 第三、大型氨廠的崛起 20世紀(jì) 70年代是世界合成氨工業(yè)大發(fā)展時(shí)期。由于大型合成氨裝置的優(yōu)越性， 1972年 2 月中國(guó)作出 了成套引進(jìn)化學(xué)肥料技術(shù)和設(shè)備的決定。 1973年開(kāi)始，首批引進(jìn) 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(kuò)大原料范圍， 1978 年又開(kāi)始第二批引進(jìn) 4 套年產(chǎn) 300kt 合成氨裝置。 中國(guó)是世界上人口最多的農(nóng)業(yè)大國(guó)，為了在 2021 年氮肥產(chǎn)量達(dá)到基本自給自足，最近十年先后陸續(xù)引進(jìn) 14套具有 20世紀(jì) 90年代先進(jìn)水平的年產(chǎn) 300kt 合成氨成套設(shè)備， 同時(shí)從 20 世紀(jì) 70 年代起，我國(guó)開(kāi)始了大型合成氨成套裝置的自行設(shè)計(jì)、自行制造工作，第一套年產(chǎn) 30 萬(wàn)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(wàn)噸合成氨裝置達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平。 從而掌握了世界上幾乎所有先進(jìn)的工藝和先進(jìn)技術(shù)如低能耗的凱洛格工藝、布朗工藝等，通過(guò)對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和改造創(chuàng)新，不但使合成氨的技術(shù)水平跟上了世界前進(jìn)的步伐，而且促進(jìn)了國(guó)內(nèi)中小型氨廠的技術(shù)發(fā)展。 至今，在 32 套引進(jìn)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(guó)產(chǎn)化裝置，合成氨總能力為 。中國(guó)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(guò)長(zhǎng)距離的管線東輸外，對(duì)海南鶯歌海域蘊(yùn)藏的天然氣已決定在新世紀(jì)初新建一套引進(jìn)的年產(chǎn)450kt 合成氨裝置，這將是中國(guó)規(guī)模最大的一套合成氨裝置 [1]。 1． 3 設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需的主要原料規(guī)格、來(lái)源 主要原料來(lái)源 生產(chǎn)合成氨，首先必須制備氫、氮原料氣。 氮?dú)鈦?lái)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(guò)程中直接加入空氣來(lái)解決。 氫氣來(lái)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(jiǎn)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(jìn)口氣體組成 合成塔進(jìn)口氣體組成包括氫氮比、惰性氣體含量與初始氨含量。當(dāng)氫氫比為3 時(shí)，對(duì)于氨合成反應(yīng)，可得最大平衡氨含量，但從動(dòng)力學(xué)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(yīng)氫與氮總是按 3： 1 消耗，新鮮氣氫氮比應(yīng)控制為 3，否則循環(huán)系統(tǒng)中多余的氫或氮就會(huì)積累起來(lái)，造成循環(huán)氣中氫氮比的失調(diào)。 惰性氣體 (CH Ar)來(lái)源于新鮮原料氣，它們不參與反應(yīng)因而在系統(tǒng)中積累。惰性氣體的存在，無(wú)論從化學(xué)平衡還是動(dòng)力學(xué)上考慮均屬有弊。但是，維持過(guò)低的惰氣含量又需大量排放循環(huán)氣導(dǎo)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(guān)系，新鮮氣消耗隨之增大。因此，循環(huán)氣中惰性氣體含量應(yīng)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(gè)相同，循環(huán)氣中所控制的惰性氣體含量也有差異。 當(dāng)其它條件一定時(shí)，進(jìn)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(duì)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(guān)。為過(guò)分降低冷凝溫度而過(guò)多地增加氨冷負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上也并不可取。操作壓力 300atm 時(shí)，一般進(jìn)塔氨含量控制在 ～ ％； 150atm 時(shí)，為 ～ ％。 (2) 硫化物和碳氧化物含量 無(wú)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(duì)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(shè)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(duì)硫含量限制十分嚴(yán)格，要求烴原料中 總硫含量為 (重量 )以下。 為防止 CO和 CO2對(duì)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(guò)程中，常見(jiàn)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(jiàn)的。 氨氣和液氨 氨氣是一種具有強(qiáng)烈刺激臭味的無(wú)色氣體 , 易被液化成藍(lán)色液體。車間空氣中氨的最高容許濃度為 30 毫克／米 3。它對(duì)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(shí)間不長(zhǎng)，而且能及時(shí)離開(kāi)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(yán)重時(shí)，會(huì)引起肺部腫脹導(dǎo)致死亡。氨氣刺激眼睛能引起角膜炎。因氨有氣味，故較好預(yù)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(yán)重?fù)p傷，出現(xiàn)眼瞼水腫，眼結(jié)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(qiáng)堿的嚴(yán)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(guò)程中，有很少一部份氣態(tài) NH3 無(wú)法回收，通過(guò)放空火炬燃燒掉就不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。對(duì)于成品氨罐放空的氣態(tài) NH3 可引入冰機(jī)中進(jìn)行加壓冷凝，不僅回收了 NH3，同時(shí)也不會(huì)造成環(huán)境的污染 [3]。 合成氨廢水 合成氨生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水是 COD 的主要來(lái)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(huì)繁衍菌類、藻類，污染水源和土壤，更嚴(yán)重的是會(huì)造成污染滋生源，對(duì)環(huán)境造成更大的破壞。 要減少?gòu)U水和工藝?yán)淠褐械?COD 的排放，可改進(jìn)生產(chǎn)工藝，使廢水排放減少，建設(shè)特生化處理裝置，進(jìn)行廢水處理，使廢水中的 COD 含量達(dá)到國(guó)家控制標(biāo)準(zhǔn) [6]。 生產(chǎn)流程及生產(chǎn)方法的確定 合成氨生產(chǎn)的特點(diǎn) 氨的合成工段，其主要任務(wù)是在適宜的溫度、壓力和有觸媒催化的條件下，將經(jīng)過(guò)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(lái)。液氨由氨罐進(jìn)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(diǎn)，概括起來(lái)有如下幾方面 [7]： (1)工藝流程長(zhǎng)、設(shè)備管道多； (2)生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行的。 在整個(gè)合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，合成氨生產(chǎn)比較復(fù)雜，始終存在著高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒等危險(xiǎn)因素，各種控制條件比較嚴(yán)格，稍有疏忽就可能發(fā)生事故。同時(shí)，因生產(chǎn)工藝流程長(zhǎng)、連續(xù)性強(qiáng)，設(shè)備長(zhǎng)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(zāi)、爆炸和重大設(shè)備事故經(jīng)常發(fā)生。但是，只要我們能充分認(rèn)識(shí)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(shí)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(guò)程中有一系列化學(xué)反應(yīng)、傳熱、燃燒、分離等過(guò)程 ,溫度、壓力、濃 度等因素都影響反應(yīng)的進(jìn)行 ,這些因素又受到設(shè)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(guò)程、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作管理與生產(chǎn)技術(shù)的復(fù)雜性。 氨合成過(guò)程的基本工藝步驟 實(shí)現(xiàn)氨合成的循環(huán)，必須包括如下幾個(gè)步驟 [4]：氮?dú)湓蠚獾膲嚎s并補(bǔ)入循環(huán)系統(tǒng)；循環(huán)氣的預(yù)熱與氨的合成；氨的分離；熱能的回收利用；對(duì)未反應(yīng)氣體補(bǔ)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