煤化工生产尿素设备中能效优化的技术创新与实践

摘要：本文探讨了煤化工生产尿素设备中能效优化的重要性，并分析了技术创新在提升能效中的关键作用。文章首先介绍了尿素生产的基本原理和过程，接着讨论了当前煤化工尿素生产中存在的能效问题，然后详细阐述了通过技术创新实现能效优化的策略和实践，最后强调了这些技术创新对于促进煤化工行业可持续发展的重要意义。

关键词：煤化工；尿素生产；能效优化；技术创新；可持续发展

引言

随着能源危机的加剧和环保要求的提高，煤化工行业面临着能效提升和节能减排的双重挑战。尿素作为一种重要的化肥和化工原料，在农业生产和工业领域有着广泛的应用。因此，提高尿素生产的能效，不仅能够降低生产成本，还能减少环境污染，符合可持续发展的要求。本文将探讨煤化工生产尿素设备中能效优化的技术创新与实践，旨在为行业提供可行的解决方案。

一、煤化工尿素生产的基本过程与能效现状

1.1 尿素生产的基本原理与工艺流程

尿素生产主要基于合成氨工艺，即通过煤炭或天然气等原料制备氢气和氮气，然后在高温高压条件下反应生成氨气，这一过程通常采用哈柏-博什过程或斯特劳斯-博什过程。接着，合成氨与二氧化碳反应生成尿素，这个过程称为哈柏-博什法，氨气和二氧化碳通过催化剂反应生成尿素。尿素溶液经过结晶和分离过程，将尿素从溶液中分离出来，通常采用蒸发和结晶的方法，将尿素溶液中的水蒸发掉，得到固体尿素。最后，固体尿素进行精制和包装，以供应和使用。

1.2 煤化工尿素生产中的能效问题与挑战

煤化工尿素生产中的能效问题主要体现在能源消耗高和产出量低。尿素生产过程中，合成氨阶段需要大量的能源投入，尤其是电力和蒸汽消耗。此外，由于部分尿素生产企业建厂时间早、生产技术落后、产量低、能耗高、设备陈旧等原因，造成电力、蒸汽等能源的浪费，导致尿素产品单位能耗较高，达不到国家要求的尿素产品单位能耗。同时，煤化工产业链碳排放量居我国三大能源产业链之首，为实现碳中和目标，各省已出台了相应政策，通过政策梳理可以看出煤化工行业未来新增项目的审批将更为严格。

1.3 能效现状对环境与经济的影响评估

煤化工尿素生产过程中的高能耗和高碳排放对环境和经济都产生了显著影响。环境方面，尿素生产过程中会排放部分二氧化碳，同时在电力和热力供应上会使用燃料煤，进而会有能耗排放。经济方面，尿素价格是影响其利润的重要因素，由于市场竞争激烈、行业集中度较低等因素影响，当前我国尿素企业对下游客户的价格传导能力较弱。此外，原材料价格对于尿素生产成本的敏感性很大，在不同原材料价格下，煤头气流床装置的成本优势显著；在原材料价格大幅上涨的情况下，气流床四喷嘴炉装置的成本优势更为明显。电力成本也是尿素生产成本的重要影响因素，在当前“限电限产”以及煤炭价格处于高位的情况下，气流床装置的生产成本优势显著。

二、技术创新在尿素生产能效优化中的应用

2.1 工艺流程优化技术与实践

工艺流程优化技术在尿素生产中的应用主要体现在对传统工艺的改进和新技术的引入。例如，CO2汽提法工艺因其较低的能耗和物耗，逐渐取代了能耗和物耗较高的水溶液全循环工艺。这种工艺通过外部供热使氨气与二氧化碳分压，将不能完全分解的甲铵分解，从而提高了能源的利用效率，并减少了有害气体的排放。此外，工艺流程优化还包括原料供应、尿素的高压合成、含尿素溶液的分离等环节的改进，以实现更高的能效和更低的排放。实践表明，通过优化工艺流程，可以显著降低尿素生产中的能耗和物耗，提升生产效率。

2.2 能源回收与利用技术的创新

能源回收与利用技术的创新在尿素生产中的应用，主要体现在对生产过程中产生的废热、废水和废气的回收再利用。这种技术的应用可以显著提高能源的利用效率，减少环境污染，符合可持续发展的要求。具体来说，废水余热回收再利用技术可以通过废水蒸发器回收废水中的显热和潜热，用于工艺加热或发电，实现能耗优化。例如，尿素废水中含有丰富的热能，通过利用废水蒸发器，可以回收废水中的显热和潜热，用于工艺加热或发电，实现能耗优化。废水蒸发器主要包括预热器、蒸发器和冷凝器，通过液-液热交换、沸腾换热和蒸汽冷凝等过程，将废水中的热量传递给外部介质，实现废热回收。

2.3 自动化与智能化控制系统的升级

自动化与智能化控制系统的升级在尿素生产中的应用，涉及到从DCS到SCADA和PLC的技术演进，这些控制系统通过网络整合，形成更加强大的控制系统网络，满足现代工业对自动化、智能化的更高要求。智能化控制系统能够实现自动控制和优化，减少原料和能源浪费，提高生产效率和产品质量。例如，通过采用先进的控制系统，可以实现对生产过程的实时监控和预警，利用人工智能技术进行设备故障诊断和预测性维护，减少停机时间，降低生产成本。这些技术的升级不仅提高了尿素生产的自动化水平，也为行业的可持续发展提供了技术支持。

三、技术创新对煤化工尿素生产能效优化的影响

3.1 技术创新对生产成本的影响分析

技术创新在降低煤化工尿素生产成本方面发挥了重要作用。通过引入新的工艺技术和设备，企业能够提高资源的利用效率，减少能源消耗，从而降低生产成本。例如，采用先进的汽提法工艺技术替代落后的水溶液全循环工艺，可以显著降低尿素产品的中压蒸汽消耗，从最高1t尿素产品不高于750kg降至800kg以下。此外，技术创新还包括开发高性能耐腐蚀新材料，提高设备的耐腐蚀性能和使用寿命，减少维护成本，同时降低合成转化过程中的能耗和原料消耗。技术创新还涉及到生产过程的自动化和智能化，减少人工成本，提升生产效率，进一步降低生产成本。

3.2 技术创新对环境影响的评估

技术创新对环境的积极影响主要体现在减少污染物排放和提高资源的综合利用率。通过颠覆性改造气化工艺，如采用航天粉煤气化、低温甲醇洗和液氮洗技术，可以显著提升煤炭的利用率，降低综合能耗和污染物排放。例如，山东联盟化工股份有限公司的“40·60工程”通过技术升级改造，实现了自动化、智能化操作，煤炭利用率提高到99.5%，综合能耗降低22%，每年减少污染物排放110余吨。这些技术创新不仅提升了节能环保水平，还全面提高了资源的综合利用率，对环境的改善起到了积极作用。

3.3 技术创新对行业可持续发展的贡献

技术创新对煤化工尿素行业的可持续发展具有重要意义。通过技术创新，企业能够提高生产效率和产品质量，降低生产成本，增强市场竞争力。同时，技术创新还有助于解决行业面临的环保和能耗问题，实现绿色生产。例如，通过技术创新，尿素企业能够实现更高效、更环保的生产方式，减少对环境的影响，符合国家对能源消耗总量的控制要求。此外，技术创新还促进了产品结构的优化，如将尿素和甲醇转化为高附加值的碳酸二甲酯，为行业转型升级提供了新的方向。这些技术创新不仅提升了企业的经济效益，也为行业的可持续发展做出了贡献。

四、结论

通过对煤化工生产尿素设备中能效优化的技术创新与实践的分析，可以看出技术创新在提升能效、降低成本、减少环境污染和促进可持续发展方面发挥了重要作用。未来，煤化工行业应继续加大技术创新力度，不断探索和应用新的技术，以实现更高效、更环保的尿素生产。

参考文献：

[1]石磊.煤化工企业尿素生产过程中的节能与降耗研究[J].化工设计通讯，2017，43（07）：5+14.

[2]李伟.煤化工企业尿素生产过程中的节能与降耗研究[J].山西化工，2017，37（03）：102-103+110.

[3]丁雷.煤化工企业尿素生产过程中的节能与降耗研究[J].化工管理，2013，（22）：207.