毎週のテーマ：合成アンモニア生産における高生産性・低消費量についての議論

1、アンモニア合成塔の触媒層入口温度およびシステム圧力を最大限に低減するために、低活性・高活性のアンモニア触媒を選択する。 2、アンモニア分離器の構造形式を改良し、組み合わせ式のアンモニア分離構造を採用することで、液アンモニアのミスト混入を最大限に低減する。 3、資金に余裕がある場合は、アンモニア合成塔の交換を推奨する。軸方向型のアンモニア合成塔に交換することで、アンモニア合成塔の抵抗を0.6MPa未満に抑えることができ、アンモニアの純度も向上する見込みだ。これはエネルギー消費を削減する上で鍵となる

返信 1# TH373637 合成アンモニア アンモニアは重要な無機化学製品の一つであり、国民経済において重要な位置を占めています。液態アンモニアは直接肥料として使用できるほか、農業で用いられる窒素肥料、例えば尿素、硝酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、塩化アンモニウム、および各種の窒素系複合肥料もすべてアンモニアを原料としている。合成アンモニアは主要な化学製品の一つで、世界の年間合成アンモニア生産量は1億トンを超えており、そのうち約80％が化学肥料の製造に、20％がその他の化学製品の原料として使用されている。 ドイツの化学者ハーバーは1909年に工業的なアンモニア合成法、すなわち「循環法」を提唱しました。これが現在、工業界で広く用いられている直接合成法です。反応過程において、水素と窒素の合成転換率が低い問題を解決するため、アンモニア製品を合成反応後のガスから分離し、未反応ガスと新鮮な水素・窒素ガスを混合して再び合成反応に供する。合成アンモニアの反応式は次の通りです：N2+3H2≈2NH3。合成アンモニアの主な原料は、固体原料、液体原料、および気体原料に分けられます。約100年にわたる発展を経て、合成アンモニア技術は成熟し、それぞれ特徴を持つ多くの工程が確立されましたが、いずれも原料ガスの製造工程、精製工程、そしてアンモニア合成工程という3つの基本的部分から構成されています。 1. 合成アンモニアの工程フロー (1) 原料ガスの製造 石炭や天然ガスなどの原料を、水素と窒素を含む粗原料ガスにする。固体原料である石炭やコークスについては、通常、ガス化法によって合成ガスを製造する；残油は、非触媒部分酸化法によって合成ガスを得ることができる；気体状の炭化水素やナフサに対して、工業では二段蒸気変換法を用いて合成ガスを製造する。 (2) 処理 粗原料ガスを処理して水素と窒素以外の不純物を除去するもので、主に変換工程、脱硫脱炭工程、およびガス精製工程から構成される。 ① 一酸化炭素変換プロセス 合成アンモニアの製造において、さまざまな方法で得られる原料ガスにはすべてCOが含まれており、その体積分率は一般的に12％～40％である。合成アンモニアに必要な2つの成分はH2とN2であるため、合成ガス中のCOを除去する必要がある。変換反応は以下の通りである：CO + H2O → 2H2 + CO2　ΔH = -41.2 kJ/mol。COの変換過程は強い発熱反応であるため、反応熱を回収し、変換工程の出口における残留CO量を制御するために、段階的に行う必要がある。第一段階は高温変換で、COの大部分をCO2とH2に変えることです；第二段階は低温変換で、CO含有量を0.3％程度まで下げる。したがって、CO変換反応は原料ガスの製造を継続するものであり、同時に浄化のプロセスでもあって、後続の脱炭プロセスのための条件を整えるものである。 ② 脱硫・脱炭プロセス　各種原料から得られる粗原料ガスには、硫黄および炭素の酸化物が含まれている。アンモニア合成プロセスにおける触媒の中毒を防ぐため、アンモニア合成工程の前段階でこれらを除去する必要がある。天然ガスを原料とする蒸気改質法では、最初の工程が脱硫であり、これは改質触媒を保護するためのものである。重油や石炭を原料とする部分酸化法では、一酸化炭素の変換に耐硫性のある触媒を使用するかどうかによって、脱硫の位置が決定される。工業的な脱硫方法には多くの種類があり、通常は物理的または化学的吸収法が用いられる。一般的に使用されるのは、低温メタノール洗浄法（Rectisol）、ポリエチレングリコールジメチルエーテル法（Selexol）などである。 粗原料ガスをCO変換した後の変換ガスには、H2のほかにCO2、CO、CH4などの成分が含まれており、その中で最も含有量が多いのはCO2である。CO2はアンモニア合成触媒の毒物であると同時に、尿素や炭酸アンモニウムなどの窒素肥料を製造するための重要な原料でもある。したがって、変換ガス中のCO2除去には、これら両方の要件を考慮しなければならない。 一般的には、溶液吸収法によってCO2を除去する。吸収剤の性能によって、2つの大きなカテゴリーに分けられます。一つ目は物理吸着法で、例えば低温メタノール洗浄法（Rectisol）、ポリエチレングリコールジメチルエーテル法（Selexol）、アクリロイル炭酸エステル法などがある。一つ目は化学吸収法で、熱カリアルカリ法、低熱消費ベンフィールド法、活性化MDEA法、MEA法などがある。 4 ③ ガス精製工程 CO変換およびCO2除去を経た原料ガスには、依然として少量の残留COおよびCO2が含まれている。アンモニア合成触媒の毒性を防ぐため、COとCO2の総含有量は10cm3/m3（体積分率）を超えてはならないと規定されている。したがって、原料ガスは合成工程に入る前に、最終的な浄化、すなわち精製処理を行う必要がある。 現在、工業生産における最終的な精製方法は、深冷分離法とメタン化法に分かれています。深冷分離法は主に液体窒素洗浄法であり、深度冷却によって行われる

製ガス工程は、合成アンモニア製造においてエネルギー消費が最も多く、同時に余熱も最も発生する工程です。ガス製造における原材料、蒸気、電力の消費を削減し、余熱の回収利用を徹底することは、合成アンモニアの総合的なエネルギー消費量と生産コストを低減するための有効な手段である。1トンの合成アンモニアを生産するための理論的なエネルギー消費量は22.78×106KJですが、現状を見ると、比較的先進的な企業であっても、実際のエネルギー消費量はこの値を大幅に上回っています。したがって、理論的な分析であれ実践的な観点からであれ、合成アンモニアのエネルギー消費をさらに削減する余地は大きく、消費削減の潜在力を深く掘り下げ、生産コストを低減することが、小規模窒素肥料業界の存続と発展の鍵となる。 省エネ問題は工場のあらゆる工程に関わっており、本稿では製ガス工程において炭素の利用率を高め、蒸気使用量を削減し、電力消費を低減する方法について具体的に解説する。 1 燃料利用率を向上させる方法 燃料が気化する過程で、半水素ガスの組成に変換される炭素量を、有効消費量と呼ぶ。実際の気化生産においては、送風過程で燃焼する炭素、灰渣中に未燃焼のまま残る炭素、ガスと共に運ばれていく塵粒中の炭素など、他の形態でも大量の炭素が消費される。実際、半水素ガスに変換される炭素量は、ガス製造プロセス全体における原料消費量の一部に過ぎず、その比率が炭素の有効利用率となる。生産においては、総消費量に占める有効な消費の割合をできるだけ高くしたいため、燃料の利用率を向上させ、他の形態での炭素損失をできるだけ減らす努力が求められます。 原料が気化する過程で半水素ガス中に移行する炭素は、一酸化炭素と二酸化炭素の2つの形態で存在し、メタンが生成されるのは望ましくない副反応である。使用する気化原料の種類と気化条件が決まっていれば、半水素ガス中の一酸化炭素と二酸化炭素の合計量もそれに応じて一定値となる。現在のガス製造水準によると、半水素ガスの一酸化炭素含有量は一般的に28％～31％の範囲で、二酸化炭素含有量は7％～8％程度です。1トンのアンモニアを製造する際に消費される半水コークスガスの量をV半とする。半水コークスガス中の一酸化炭素と二酸化炭素の合計含有率は30％+7.5％＝37.5％であるため、1トンのアンモニアを製造するごとに半水コークスガス中に移行する炭素の量は次のようになる：0.375×12/22.4V半＝0.2009V半(kg/tNH3)。これを標準石炭換算すると：0.2009V半÷0.84=0.239V半(kg/tNH3)となる。ここで、0.375は半水コークスガス中のCO+CO2成分のパーセンテージである； 12——炭の原子量； 22.4——標準状態における、1千モルあたりの体積(Nm3) V半——トンのアンモニア・半水素ガス消費量(Nm3)； 0.84——トンの標準石炭の炭素含有量。 アンモニア1トンあたりに半水素ガス3200Nm3が消費される場合、CO含有率30％、CO2含有率7.5％の条件下で（CH4は考慮しない）、アンモニア1トンあたりの理論的な炭素消費量は：0.239×3200＝764.8（kg標準石炭）となる。実際の生産では、消費される炭素がすべて半水素ガスに転換されるわけではない。 炭素の有効利用率が65％の場合、1トンのアンモニアに必要な標準石炭量は：764.8÷0.65＝1176.6（kg）となる。炭素の利用率を70％に向上させると、1トンのアンモニアに必要な標準石炭量は：764.8÷0.7＝1092.6（kg）となる。炭素の有効利用率を65％から70％に高めることで、1トンのアンモニアに必要な標準石炭量は84kg削減できる。これにより、炭素の利用率を高めることが消費量を削減するための主要な手段であることがわかる。企業の経済的効率を高めるための鍵でもあります。例えば、年間10万トンの合成アンモニアを生産する企業で、ガス製造工程における炭素の利用率が65％から70％に向上した場合、年間で節約される金額は次の通りとなる：10×0.084×800=672（万円/年）。ここで、10は合成アンモニアの年間生産量である； 0.084——トンのアンモニアで標準石炭が節約される量、トン； 800——現在のトンあたり標準石炭の炉入り価格で、元。 炭素の有効利用率を高めるためには、以下の点に取り組む必要がある； (1)送風効率の向上 送風の目的は、気化層の温度を上げ、熱を蓄えることでガス製造プロセスのための条件を整えることである。送風効率とは、燃料層に蓄えられた熱量と消費される燃料の発熱量との比率です。その意味は次の式で表すことができる：E吹風＝100（Q反－Q気）/ Q燃　ここで：E吹風——吹風段階の効率％； Q燃——送風段階で消費される燃料が持つ発熱量（KJ）； Q反——送風時の反応によって放出される熱量(kJ)； Q気——送風によって運ばれる熱量(kJ)。 明らかに、送風効率（E送風）を向上させるためには、Q反を増大させ、Q気とQ燃を低減する努力をするしかない。送風段階の化学反応からわかるように、送風段階で1000モルの炭素が消費されるごとに放出される反応熱Q反は、生成物中の一酸化炭素と二酸化炭素の含有量に関連している。1000モルの二酸化炭素が生成されるときに放出される熱量は393.51×10³KJであり、1000モルの一酸化炭素が生成されるときに放出される熱量は110.52×10³KJに過ぎず、後者が放出する熱量は前者の28.1％に相当する。したがって、気化層の温度を適切な範囲に保ち、（炭層が吹き飛ばされない前提のもとで）空気流速を上げて送風ガス中の一酸化炭素含有量を低減することは非常に重要である。送風ガス中の一酸化炭素濃度が上昇する（送風ガス中の平均CO濃度は6.0％未満であるべき）か、または送風温度が過度に高くなると、Q気もそれに応じて上昇し、送風効率は低下する。実際の生産において、送風時間が長くなるにつれて、送風ガス中の一酸化炭素濃度が徐々に上昇するのは避けられない。気化層の温度を下げることで二酸化炭素が一酸化炭素に還元される反応を減少させることはできるが、炉温が低いとガスの品質が悪くなり、水蒸気の分解率も低下し、分解されなかった水蒸気が炉内から大量の熱を持ち去ってしまう。これは、石炭の消費量を削減したり、ガス化炉のガス化能力を向上させたりする上で不利である。明らかに、送風段階とガス生成プロセスは、気化層の温度に対する要求が矛盾している。気化層の温度を高く保ちつつ、送風ガス中の一酸化炭素含有量を減らすためには、ファンの風圧や風量を上げ、送風比率を低減する方法が用いられる。しかし、風圧や風量が過大になると、一つには送風段階で持ち出される物質が明らかに増え、二つには炉内の炭層が簡単に吹き飛ばされてしまい、長期にわたって安定して運転することが難しくなる。一方、風圧や風量が低すぎると、ガスストーブの気化強度が低下し、空気の流速が遅くなるため二酸化炭素が一酸化炭素に還元されやすくなります。その結果、送風効率が低下し、送風段階での炭素消費量が増え、炭素の利用率が下がります。したがって、各工場で使用される燃料の特性や粒度などの条件に応じて、適切な風圧や風量を持つ送風機、および循環時間や送風割合を選定し、適切な炭層の高さや気化層の温度・厚さ・位置を制御することで、熱損失を全面的に低減することは、炭素の利用率を向上させ、石炭消費量を削減するための主要な手段の一つである。 理論分析と実践的な検討に基づき、Ф2600mmシリーズのガスストーブでは、送風強度を3800～5000Nm3/m2hに制御する（高品質な原料の場合は上限値、低品質な原料の場合は下限値を採用する）。 F2600mmのガスストーブでは、通常の場合、送風効率は60％に満たず、ストーブの上部や下部からの排気温度が高い場合には約50％程度となる。そのため、ガス生成に必要な熱量を炭層内に蓄えるために、その熱量の2倍もの発熱量を持つ燃料を燃やさなければならないのである。したがって、炭層内の熱はできるだけガス製造に利用すべきであり、ガス製造反応に熱を供給するために炉内の蒸気や空気を過熱させるために使う熱よりも、その熱を用いて蒸気を生成する方が合理的である。言い換えれば、気化層から取り出されるあらゆる熱は、蒸気を生成して回収するために利用できるものの、気化層内に蓄積される熱の効率があまりにも低いため、常に非経済的となるのである。計算によると、送風時の炉内温度は450℃から250℃に下がり、送風効率は約6％向上する。理想的な送風効率を得るためには、まず第一に、気化層の温度を適切な範囲に保ち、適切な空速を選択して、送風ガス中の一酸化炭素含有量をできるだけ低減する必要がある。第二に、ガス炉の高径比が許容される場合には、適切な炭層の高さ、気化層の厚さ、灰渣層の厚さを制御し、（ファンの能力が許す限り）より高い上段予熱層の厚さを維持することで、ガス炉の燃料層の蓄熱能力を高め、ガス炉の気化効率を向上させるための好条件を創出する。 送風段階において、炭素と酸素の反応は燃焼反応である。実験により、この反応は800℃以上ではほぼ不可逆的に左から右へ進行し、かつ拡散制御であることが示された。したがって、一般的なガス発生炉の運転温度において、二酸化炭素生成の全反応速度にとって、酸素の拡散速度がこの反応の主要な制御因子となる。炭素と酸素の反応に関する研究によると、この反応は775℃未満では動力学的制御に属する。900℃を超えると拡散支配となり、その中間の温度域は遷移領域と見なすことができる。 固定層ガス炉の気化過程の特徴に基づくと、まず炭素と酸素の間で燃焼反応が起こり、その後、生成されたCO2が気化層上部の炭素原子と還元反応を起こすと考えられる。一般的に、炭素と二酸化炭素の間の反応速度は、炭素の燃焼速度よりもはるかに遅いと考えられている。2000℃以下では基本的に動力学的制御となり、反応速度もおおよそCO2の一次反応と見なされる。 ブロー工程の反応特性に基づき、適切なブロー強度と気化層温度を制御することは、ブロー効率の向上および原料石炭と蒸気の消費量削減において重要な意味を持つ。 (2)ガス製造効率の向上 ガス製造段階の効率E製気とは、得られる半水素ガスの発熱量Q気と、ガス化時に消費される燃料の発熱量Q燃、ガス化剤（蒸気）がもたらす熱量Q蒸、および送風段階で燃料層に蓄積される利用可能な熱量Q利用の3つの合計値の比率を指す。 E制気＝Q気/(Q燃+Q蒸+Q利用)×100%
Q利用＝Q反+Q気+Q損
Q反――制気反応が吸収する熱量、kJ/mol； Q気——水素ガスおよび未分解蒸気が持ち去る熱量、kJ/mol； Q損――ジャケットなどによる熱損失、kJ； Q利用——燃料層に蓄えられた熱量、KJ。 上式からわかるように、製ガス効率を向上させるためには、Q気を高める必要があり、つまり単位製ガス量および水素ガス中の有効成分である一酸化炭素と水素の含有量を高める必要がある。ガス製造過程において、Q燃の消費と気化剤の蒸気がもたらす熱量Q蒸が一定であるという前提の下で、ガス製造効率を向上させるとは、送風時に燃料層内に蓄えられる利用可能な熱量Q利用の有効利用率を高めることである。 送風時に燃料層内に蓄えられた利用可能な熱量Qは、気化反応時に吸収される熱量、反応後の水素ガスと未分解の水蒸気が持ち去る熱量、および損失熱の合計に相当しなければならない。言い換えれば、ジャケットによる熱損失が一定である場合、ガス製造効率を向上させるには適切な気化層温度を制御し、水蒸気による分解率を高め、炉の上部および下部の温度を下げて熱損失を減らし、水素炭化水素の量と品質を向上させることが必要である。 炭素と水蒸気の間の反応は、400℃～1000℃の温度範囲でも反応速度が非常に遅いため、動力学的制御となる。温度が1100℃を超えると、反応速度は速くなり、拡散制御となる。 高温下で水蒸気と炭素の反応が平衡に達すると、残留する水蒸気量は少なくなり、すなわち水蒸気の分解率が高くなり、水素ガスと一酸化炭素の含有量が多くなる。同じ温度で、圧力が上昇するにつれて、気体中のH2O、CO2、CH4の含有量は増加し、一方でH2およびCOの含有量は減少する。したがって、COとH2の含有量が高い水素ガスを製造するには、平衡の観点から、低圧高温度下で行うべきである。 間欠式固定層ガス製造の実践から見ると、活性の高い冶金コークスを原料として使用する場合、同じ温度で気化剤の炉内への供給速度を適切に上げることで、ガスの品質（ガス中のCO含有量が減少しない）に影響を与えることなく、気化強度を高めることができる。一方、反応性が低い無煙塊炭を使用する場合、同じ温度でガス化剤の炉内への供給速度を上げると、ガスの質およびガス化強度は急速に低下する。特に、炉内温度がわずかに下がっただけでガスの質とガス化強度が大きく低下することから、前者の反応速度は拡散または過渡領域にあり、後者は動力学的制御領域にあると考えられる。 したがって、ガス製造時に高い気化層温度と低い気化剤の流速を制御することは、ガス製造効率、ガスの品質、および蒸気の分解率を向上させるための重要な手段である。 (3)灰渣中の返炭率の低減　灰渣中の炭素含有量と灰分量の比率を、返炭率と呼ぶ。灰渣中の再炭化率が高いのは、主にガス炉の底部の漏れ防止装置に欠陥があるか、操作工程が不適切であること、またはガス炉の気化が不十分であることが原因である。粒径が大きい還元炭は再利用可能だが、既に一部の熱が奪われており、一定の熱損失が生じる；灰渣中の微粒子の還元炭は回収が困難で、灰と一緒に処分される。再利用は可能だが、その価値は低い。したがって、灰分中の可燃物を低減することは、炭素利用率を向上させるための重要な要素である。 灰渣の可燃物含有量が高くなる原因は、大まかに以下のようなものがあります。ガスストーブの底部にある漏れ防止装置が不適切に選ばれたり、使用中に故障したりすることで、灰の排出が均一でなくなったり、炭が漏れ出したり崩れたりして、結果として炭の戻り率が高くなるのです；投入方法が不適切であるため、炭層の周辺部と中央部の高さが要求基準に合わず、気化剤の分布が均一でなくなり、炉内の一部が過熱してスケールや塊ができ、灰層の厚みにもバランスの乱れが生じ、両側の灰の排出も均一でない；上面・下面の吹き込み比率または上面・下面の蒸気使用量の設定が不適切；原料の粒度が大きすぎ、気化層の温度が低く、燃焼が不完全；炉条機の排灰速度が、燃料が気化した後に生成される灰の量に合っておらず、排灰量が過大である；排灰が適時に行われないため、灰箱内に灰が溜まり、ガスストーブ内の灰層が局部的に上昇し、気化層が破壊される；炉温の制御が不適切であるため、スケールや塊が発生し、気化剤の分布が均一でなくなり、気化が不十分になる。または炉温の制御が低すぎるため、蒸気の使用量が過多となり、燃料の反応が完全に行われずに排出されてしまう。 要するに、返炭率が高くなるのは多くの要因によるものです。日常の運用においては、それぞれの実情に応じて、炭化率が高くなる主な要因を正確に把握し、適切な改善策を講じることで、灰渣の炭化率を15％未満に抑える必要があり、理想的には10％前後を目指すべきである。 (4)送風およびガス制御による排出物の低減 風速を上げることで、二酸化炭素が一酸化炭素に還元される確率を低下させることができる。しかし、風速が上がるにつれて、運ばれ出る物質は必然的に増える。したがって、風速の選定は、持ち出される物質を少なくし、炭層を吹き飛ばさないことを原則として行うべきである。 持ち出し物を減らすために、製造工程では以下の対策を講じることができる。適切なファンを選定し、Ф2600mmシリーズのガス炉を使用し、ファンは450m3/min～550m3/minの範囲で、風圧は25kPa～28kPaの範囲とする；原料の特性に応じて適切な風量を把握し、ファンに適した炭層の高さを制御する；機械的強度と熱安定性に優れた燃料を選択する；炉内へ投入する燃料の加工品質を厳格に管理し、粉末の炉内投入を削減する；層間抵抗を均一にすることを目指す；合理的に設計された炉床を選ぶ際には、スラグの排出・破砕能力が高く、気化剤が均一に分布するだけでなく、下方からの流出量も減らす必要がある；灰の品質を適切に管理し、灰中のスラグ化率を65％以上に保ち、灰中の微細な灰の量を減らす；適切な気化強度を選択する。ガスストーブの負荷が大きく、気化剤の流速が速いと、持ち去られる物質の量も多くなる。特に下向きにガスを送る場合、蒸気の使用量が多く流速も速くなるため、下向きで持ち去られる物質の量もそれに応じて増える；適切な措置を講じて上向きの排気方式を改善し、炉内の除塵効率を向上させる。 (5)熱損失の低減 熱損失を低減するためには、まずファンに適した炭層の高さを選定する必要がある（一般的にはフードの頂部から上の炭層の高さを1800mm～2400mmとする）。次に、適切な運転プロセスおよびガス化条件を選択し、炉内のガスが良好な蓄熱状態になるようにする。つまり、ガス化層の温度を高く保ちつつ、炉の上部および下部の温度は比較的低い範囲に抑えるのである。現在、自動連続加炭方式を採用し、炭層の高さ、気化層の位置、灰渣層の厚さ、ガス炉の負荷などを適切に制御しているメーカーでは、炉頂と炉底からの排気温度の合計が460℃未満となっており、炉内で消費されるアンモニアの量も1100kg～1150kgの範囲でコントロールされており、非常に高い水準に達している。 気化層が上昇するか部分的に上昇すると、必然的に炉頂の温度が上がり、気流によって運ばれる熱量も増加することになる。反応熱の損失が多く、気化効率が低下する。気化層の位置制御が不適切で、灰渣層が過度に薄いか厚さが均一でない場合、必然的に炉底からの排気温度が上昇し、多くの熱が持ち去られるため、気化効率が低下する。 また、蒸気の使用量が過多であることも、熱損失を引き起こす重要な要因です。蒸気の使用量が過剰で、大量の未分解蒸気が炉内の熱を持ち去り、気化層の温度が低下する。これにより気化効率が低下するだけでなく、蒸気も無駄になり、ガス洗浄塔の熱負荷も増加する。その結果、ガス洗浄塔からの排気温度が上昇し、ある程度、後工程の有効な送気量に影響を与える。 2 蒸気消費量を削減する方法 合成アンモニア製造システムにおいて、ガス製造に必要な蒸気の消費量は工場全体の65％以上を占めている。したがって、蒸気消費量を削減することは、ガス製造工程における重要な課題の一つである。 製ガス工程における蒸気消費量は、次の式で計算できる：QT=V半×H2%/100×100/Q×18/22.4 ここで、QTは製ガス時の蒸気消費量で、単位はkg/t(NH3)である； V半——半水素ガス消費定格 Nm3/t(NH3)； H2——半水素ガス中のH2含有量、％； Q——製気工程における平均蒸気分解率、％。 上式からわかるように、製ガス工程における蒸気使用量は半水炭素ガスの消費量と正比例する；蒸気分解率に反比例する。半水ガスの消費量が同じであっても、蒸気の分解率の違いにより、製ガス工程で使用される蒸気量には大きな差が生じる。 例えば、半水素ガスの消費量はアンモニア1トンあたり3200Nm3です。半水素ガスに含まれる水素の割合が40％の場合、水蒸気の分解率は40％となり、必要な水蒸気量は次のようになります：QT=3200×40/100×100/40×18/22.4=2571。もし水蒸気の分解率を50％に上げると、必要な水蒸気量はQT=3200×40/100×100/50×18/22.4=2057となります。以上の計算式からわかるように、水蒸気の分解率を40％から50％に上げることで、アンモニア1トンあたり514kgの水蒸気を節約できます。 年間10万トンの合成アンモニアを生産する工場で、蒸気の価格を100元/トンとすると、年間に節約できる金額は：10×0.514×100＝514万元/年です。 これにより、蒸気分解率を向上させることが、蒸気使用量を削減するための主要な手段であり、企業の経済的効率を高める上での鍵となることがわかる。 間欠式ガス炉におけるガス製造過程において、炭素と水蒸気の反応は基本的に動力学的制御領域に属し、より高い炉温を維持することで反応速度を向上させることができる。 気化操作において、蒸気の分解率に影響を与える主な要因は、一つに気化層の温度と厚さである。二、ガス製造時の蒸気の流速。三、炉上、炉下の空間体積。四、炉内蒸気温度。 理論的な検討から、実際の気化過程における気化効率は、蒸気の使用量が増加するにつれて低下することがわかる。主な原因は、動力学的制御の影響が過大で反応が不完全になり、蒸気使用量が増えると吸熱反応が増加し、その結果気化層の温度が低下し、さらに蒸気の分解率が下がることです。これが蒸気消費量が増加する重要な原因の一つです。日常の生産においては、気化層の温度に応じて適切な蒸気の供給量を制御し、できるだけ蒸気の流速を下げて安定させることで、赤熱した炭素と蒸気の接触時間を長くし、蒸気の分解率を向上させる必要がある。 過熱蒸気を用いてガスを製造することは、蒸気の分解率とガス製造効率を向上させる有効な手段である。過熱蒸気によって炉内に入る蒸気中の水分が防がれるだけでなく、炉内蒸気のエンタルピーが高まるため、炉内温度の変動も減少する。一部の製造業者による実測値によると、一般的に200℃以上の過熱蒸気を用いてガスを製造する場合、蒸気の分解率は5％向上し、蒸気の消費量は約250kg/t(NH3)減少する。 3 電力消費を削減する方法　製ガス工程の電力消費は、主に空気送風機の使用によるものである。空気送風機の電力消費を削減する主な方法は2つある。一つ目は、適切なパラメータ（風量、風圧）を持つ送風機を選定し、送風機とガスコンロの台数を科学的に適切にマッチングさせることである。二、送風段階のシステム抵抗を低減する。以下、2つの観点から説明する。省エネ対策の一つ：適切な空気送風機を選び、適正な台数のガスコンロと組み合わせること。 現在、合成アンモニア製造業者では、Ф2600mmシリーズのガス炉にはD400～D700（またはC400～C700）のファンが使用されており、風圧は25kPa～30kPaの範囲です。メーカーの実践から理論的な計算に至るまで、各工程の指標を適切に管理しているメーカーでは、1トンのアンモニアを製造する際の送風段階での空気消費量は1900Nm3～2300Nm3の範囲であり、1トンのアンモニアに必要な半水素ガスの消費量は3200Nm3/hと見積もられる。したがって、空気と半水素ガスの比率は0.594：1～0.719：1となる。Ф2600mmの炉の気化強度が1320Nm3の場合、つまり1時間あたり半水素ガスを7000 Nm3生成すると、1時間あたりの空気消費量は4158Nm3/h～5033Nm3/hとなる。空気と半水素ガスの比率を0.65とすると、アンモニア1トンあたりに必要な半水素ガス量は3200Nm3であり、アンモニア1トンあたりに必要な空気量は0.65×3200＝2080(Nm3)となる。Ф2600炉では1時間あたりに2.19tのNH3が生成され、送風に必要な空気量は2.19×2080＝4555(Nm3/時)となる。実際の状況では、ファンによる送風量は24000Nmm3/時で、循環時間は150秒であり、送風比率は20％、つまり30秒間で24000/3600×30×(3600/150)=1800(Nm3/時)となる。計算によると、Ф2600mmのガス炉で日産ガス量が2.19×24=52t(NH3)/dの場合、実際の風量24000Nm3/hのファンを選定すれば、生産要件をほぼ満たすことができる。 調査によると、ほとんどの製造システムでは1台の送風機で4基の炉に空気を供給しており、通常は送風段階が上位の炉で行われる上向き窒素注入プロセスと重なるため、Ф2600mmのガス炉の経済的な負荷要求を満たすためには、風圧25kPa～28kPaのD450～D550クラスの送風機が適している。ファンの風圧や風量が過大になると、ガスコンロが頻繁に吹き飛ばされてしまい、風量を調整するために入口または出口のバルブを使って流量を制御せざるを得なくなる。入口での制御であれ出口での制御であれ、どちらも効率を損ない、結果として電力消費が増加する。 省電力対策その2：送風段階のシステム抵抗をできるだけ低減し、ファンの最大性能を十分に発揮させる。 システムの抵抗を下げることは、送風機の電力消費を削減するための主要な対策です。ファンが運転中に実際の風量が定格風量に達しない原因は、ファンの設計パラメータが実際の気化条件に適合していないことに加え、主にファンの入口から空気・ガスの出口までの間の抵抗が大きすぎることによるものです。 システム内の抵抗には2つの部分がある。—一部は機器やガスコンロの炭層による抵抗で、もう一部は配管やバルブによる抵抗です。 肥料工場のプロセス配管は、高圧部と低圧部の2つに分かれており、そのうちガス製造システムは低圧で、銅の洗浄・合成は高圧です。これまで、各工場では2種類のシステムの配管網に対して区別を設けず、一律に配管の配置において「横は水平、縦は垂直」を重視してきた。一部のメーカーは、製ガスシステムの配管系統の抵抗を低減することの特別な意義を十分に理解していない。 ガスコンロの送風段階における低圧システムの配管処理については、高圧配管のように整然とした計画を求めることはできず、配管システムやバルブの抵抗を低減することに重点を置くべきである。さもなければ、エネルギー消費が多くなるだけでなく、何よりもファンの動作特性に影響を与えることになる。 送風段階でのシステム抵抗が過度に高くなると、2つの深刻な問題が生じます。一方では、図1に示すように風量の増加が制限されます。システム抵抗の上昇により、ファンの風量はQ2からQ1へと減少します。もう一方では電力消費が増加し、配管損失△Pは電力消費N損として次の式で計算できます： N抵抗損＝Qs△P/102η(Kw) ここでηはファンの効率であり（一般的なファンの効率は約75％）、N損は電力消費量を表します； N抵抗損失――異なる抵抗を電力消費に換算； Qs——P抵抗損に対応する1秒間の風量、m3/s； 102——単位換算定数（1kw=102kg·m/s）。 下表は、異なるP抵抗損失における換算電力消費N抵抗損失を示しています。システムの抵抗が低い場合は、風圧が低いファンを選択できます。例えば、システム全体の抵抗は対策を講じた後に3kPa低下し、ファンによる送風圧は28kPaから25kPaまで下がります。システムの抵抗を低減し、自社の工程要件に適した空気送風機を適切に選定することは、重要な省エネ対策です。 4 主要な工程指標と消費量の関係　製ガス工程における主要な工程指標の管理の良し悪しは、アンモニアの生産量や消費量の指標に大きな影響を与える。注目を集めるため、この節ではいくつかの簡単な計算を通して説明する。 4.1 水素窒素比 半水素ガス中の水素窒素比は、アンモニア合成製造における重要な管理指標である。水素と窒素の体積比が3：1のとき、アンモニアの平衡濃度は最大になる。水素と窒素のいずれか一方が過剰になると、反応に関与する窒素水素ガスの全ガス中での割合は減少する。一般的に、水素と窒素は合成塔内のガスの約80％を占めている。循環ガス中の不活性ガスやアンモニアを除き、残った水素と窒素を3：1の比率で合成反応に用いる場合、水素はその75％、窒素は25％となる。水素が3％過剰だと、水素と窒素の混合ガス中の水素含有量は78％、窒素含有量は22％となり、22％の窒素と反応するのは水素の66％のみである。したがって、反応に関与する水素と窒素のガスは全体のガスの88％を占めることになる。水素と窒素の混合ガスにおいて窒素の含有量が3％過剰だと、その組成は窒素28％、水素72％となり、72％の水素は24％の窒素としか結合できないため、反応に参加する水素と窒素は96％となる。明らかに、窒素の過剰の方が水素の過剰よりもはるかに良い。 また、アンモニア合成反応の速度から見ると、非平衡状態において窒素の分圧を適切に上昇させることは、触媒による窒素の吸着速度に有利である。なぜなら、窒素の活性吸着がアンモニア合成反応過程における制御ステップだからである。水素と窒素のガス比率を「3」よりわずかに低くすることで、ガス中の窒素の分圧を高め、より多くの窒素が触媒表面に拡散し、吸着の機会が増えて合成率が向上する。合成率の向上により、圧縮機の電力消費もそれに応じて減少する。 水素と窒素の比率が高すぎると、合成反応に非常に悪影響を与えます。循環ガス中の水素が75％、不活性ガスが20％、窒素が5％の場合、5分の窒素は15％の水素としか反応せず、つまり反応に関与する成分は20％のみで、残りの80％のガスは反応しない。そのため合成率は著しく低下し、合成圧力は上昇し、排出量も増加する。大量の水素が放出されることでアンモニアの生産量に影響を及ぼすだけでなく、各種消費指標も上昇する。したがって、循環ガス中の水素と窒素の比率は2.4～2.8の間に抑えるのが適切である。しかし、水素と窒素のガスは3：1の比率でアンモニアに合成されるため、補充ガスの水素と窒素の比率も「3」が適している。 4.2 有効ガス含有量　有効ガスとは、一般的に半水素ガス中の一酸化炭素と水素を指す。アンモニア1トンあたりの消費ガス量が一定の場合、アンモニア1トンあたりに消費される半水素ガスの量は有効ガス含有量と直接的な関係がある。 半水素ガスの理論的利用率(n)は、次の式で表すことができる。ここで、CO2半、O2半、CO半は——半水素ガス中の各気体の体積パーセンテージである； X——変換率； α——再生水回収率。 半水ガスの成分を、CO2が7.8％と仮定する；O2、0.3%；CO、30%； H2、40%；N2、21.5%o、変換率Xは95%、再生ガス回収率αは90%。したがって、アンモニア1トンあたりに必要な精製ガスの量が2900である場合、半水素ガスの消費量は次のようになります：2900/0.9115=3182Nm3。また、半水素ガスの成分がCO2で12.3％であるとすると…；O2、0.7%；CO、26%； H2、40%；N2、21%。 変換率Xは90％、再生ガスは回収しないα＝0。上式に代入すると、半水素ガスの理論的な利用率が得られる。したがって、1トンのアンモニアを製造するのに必要な半水素ガスの量は、2900/0.83＝3494Nm3となる。後者の場合、1トンのアンモニアを製造するのに312Nm3多くの半水素ガスが必要となる。見ての通り、半水ガス中の有効成分の変化は、半水ガスの消費に顕著な影響を与える。 4.3 酸素含有量　半水ガス中の酸素は非常に有害なガスである。それは変換工程に入り、触媒と酸化還元反応を起こす。1体積の酸素が2体積の有効成分を消費し、大量の熱が発生する。変換処理が適時に行われないと触媒が焼損してしまう。触媒層の温度上昇を抑制するために蒸気量を増やすと、低変換触媒の再硫化が起こり、変換触媒の活性に影響を与える。したがって、半水素ガス中の酸素含有量をできるだけ低減することは、安全な生産とコスト削減において重要な意味を持つ。 酸素と変換触媒の反応は次の通りである。式からわかるように、1モルの酸素分子が2モルの一酸化炭素分子を消費し、変換反応の13倍もの熱量が放出される。半水ガス中の0.1％（乾燥基準）の酸素は、一般的な蒸気条件の下で変換炉内で発生する反応熱により、ガスの温度を6℃～7℃上昇させるため、この熱量を取り除くために過剰な蒸気を加える必要がある。計算によると、半水素ガスの酸素含有量が0.1％増加すると、1トンのアンモニアを生産するのに約100kgの蒸気が余分に必要になる。もし1トンの煙炭から7トンの蒸気を得られるとすれば、年間10万トンの合成アンモニアを生産する工場では、年間100000×0.1÷7＝1429トンの煙炭が余分に消費されることになる。煙炭1トンあたり450元とすると、年間の利益減少額は1429×450＝64.28万元となる。 半水素ガス中の酸素含有量について、変換工程で有効成分である一酸化炭素が消費される理論計算：1トンのアンモニアに必要な有効成分（CO）の量は、3200×0.001×2＝6.4Nm3/トンアンモニアとなる。6.4×100000＝640000Nm3/年。もし1トンのアンモニアに2000Nm3の有効成分が消費されるとすると、年間に生産できるアンモニアの量は、640000/2000＝320トンとなる。上式において、3200Nm3は1トンのアンモニアに必要な半水素ガスの量を示している。Nm3； 2000Nm3は、トンのアンモニアに必要な水素量で、単位はNm3です。 単位体積の一酸化炭素は、変換によって同じ体積の水素を生成することができる。 また、半水素ガスの酸素含有量が一定値に達すると、爆発性のガスが生成され、安全な生産を直撃する危険があります。したがって、有効な措置を講じて半水素ガスの酸素含有量を低減することは、ガス製造における重要な課題である。 半水素ガスの酸素含有量を制御し低減するための措置：ガス化層の適切な分布を維持し、均一なガス化を図るとともに、炭層の吹き飛びや風洞現象が発生しないようにする；下降用ガスバルブと送風バルブの安全連動装置が正常に機能し、感度も良好であることを確認し、下降用ガスバルブが気密性を保ち漏れがないようにする；上吹き窒素注入バルブは二重構造となっており、閉止状態でも漏れがないようにしています；炉底の「デッドゾーン」（下降弁や送風弁から炉底までの距離）を縮小し、蒸気による清掃措置を講じることで、炉下部のデッドゾーンに溜まった空気を除去し、下方から送風する際に空気がガスタンク内に押し込まれるのを防ぐ；送風バルブと安全遮板の安全連動を敏感かつ正常に機能させる；下吹き窒素添加を採用する場合、下吹き窒素添加バルブの漏れがないようにしなければならない；また、下方からの窒素吹き込みが終了した後には、十分な蒸気による洗浄時間が確保されている。 4.4 メタン含有量 メタンはアンモニア合成における不活性ガスであり、触媒を毒害することもなく、合成反応にも関与しないが、除去しにくい。合成システム内でメタンが徐々に蓄積すると、水素と窒素の分圧が低下し、アンモニアの生成率が下がる。また、メタンは反応に関与しないため、合成塔を通過する際に塔内の熱を奪い、触媒の温度が下がる。さらに、圧縮機や循環機に無駄な仕事を強いることにもなる。システムのバランスを保つために強制的に排出され、一部の水素と窒素ガスが同時に失われる。 1トンのアンモニア循環ガスを製造する際の排出量は、次の式で計算できる：V排出＝V補充×ί補充÷ί排出 ここで、V排出は1トンのアンモニア排出ガスの体積で、単位はNm3である； V補充——アンモニアトン数による補充混合気の体積、Nm3； 補足――雰囲気中の不活性ガス含有量の補充、％； ί放空——放空中の不活性ガス含有量、％。 実際には、液体アンモニアに一部の不活性ガスが溶解しているため（約3分の1）、実際の放出ガス体積は上記の計算値よりも小さくなる。 上式からわかるように、補充ガス量が一定の場合、トンアンモニアあたりの循環ガス排出量は、補充ガス中の不活性ガスの含有量に比例する。補充ガス中の不活性ガスは半水炭素ガスから供給され、循環ガス中の不活性ガス含有量を15％に維持すると仮定すると、トン当たりのアンモニアに対する補充ガス量は2900Nm3となる。補充ガス中の不活性ガス含有量が1％の場合、トン当たりのアンモニアの放出量は：2900×1％÷15％＝193.3Nm3となる。 ガス中の不活性ガス含有量を1.5％に増加させると、放流量は2900×1.5％÷15％＝290Nm3となる。 つまり、アンモニア1トンを生産するごとに、96.7Nm3の循環ガスを多く排出できる。見ての通り、半水素ガス中のメタン含有量を低減することは非常に意義がある（循環ガス中の不活性ガス成分は主にメタンとアルゴンである）。 半水素ガス中のメタン含有量は、主に燃料の揮発分の多さによって決まり、次いで炉温の高さが影響する。メタン生成反応は次の通りです。メタンの生成は体積が縮小する発熱反応であり、圧力を下げ、温度を上げることでメタンの生成を抑制するのに有効です。 4.5 空気の湿度 大気は乾いた空気と水蒸気の混合物であり、この混合物を湿った空気と呼ぶ。湿った空気中の水分量は、ガス製造工程の運転や消費量に一定の影響を与える。湿った空気中において、単位質量の乾燥空気が持つ水蒸気量を、湿潤含有量または絶対湿度と呼び、略して湿度という。全圧が一定のとき、空気中の水蒸気分圧と同温度における水の飽和蒸気圧との比を相対湿度という。相対湿度は空気の不飽和度を示します。空気の湿度は一般的に30％～80％の範囲で、地域や気温、季節、天候によって変わります。 例1：夏の気温が30℃のとき、表によると空気の湿度が80％の場合、1Nm3の湿った空気中の水蒸気量は0.02432kgである；アンモニア1トンを吹き飛ばすのに2300Nm3の空気が必要だとすると、供給される水蒸気量は次の通りとなる：2300×0.02432÷18＝3.11×103mol。気化層における水蒸気と炭素の反応式は次の通りである。したがって、供給される水蒸気が吸収する熱量は：3.11×103×131.3＝408.343×103KJとなる。標準石炭の低位発熱量を29.19×103KJ/kgとすると、消費される実質的な石炭量は：408.3/29.19×84/72＝16.32となる。ここで72は実際の燃料の固定炭素量である； 84は標準石炭の固定炭素です。 送風効率が55％の場合、実際に消費される石炭量は：16.32/0.55=29.67となる。
例2：冬の気温が0℃で、空気の湿度が50％の場合、表から湿った空気中の水蒸気含有量は0.0049kg/m3であることがわかる。
2300Nm3×0.0049×50％=5.6となる。
推定すると、冬の0℃で湿度が50％の場合に含まれる水蒸気量は、夏の30℃（湿度80％）の場合の約10％に相当する。1日に300トンのアンモニアを生産する装置では、夏は気温が高く湿度も高いため、冬の気温や湿度が低い時期と比べて、1日あたり約5トン多くの実物質炭が消費される。 5 ガス炉の負荷（送風率の大きさ）と燃料石炭、蒸気消費量との関係 ガス炉の負荷とは、ガス炉の生産能力（Nm3/hまたはトンアンモニア/炉日）を指す。炉の形状によって、負荷の高低は一般的にガス化強度（すなわち単位面積あたりの生産量Nm3/m2h）で定められる。日常の運転において、送風量が一定の場合、一般的には送風時間を長くしたり短くしたりすることでガスストーブの負荷の大きさを調整します。ガス化強度を適切に高め、1基あたりの生産負荷を増加させることで、ガス炉の運転台数を減らし、製ガス工程全体の熱利用効率を向上させることが、ガス生産従事者の取り組むべき方向性である。しかし、単炉負荷を高く設定し過ぎると送風時間が長くなり、理論的解析および実践の両面から、原料石炭量と蒸気量の削減には不利であることが証明されている。 設定：エアブロワーの風量は24000Nm3/h； 循環時間は150秒； トンのアンモニアに対し蒸気2000kg； トンのアンモニアに対し半水素ガス3200Nm3； 送風空気と半水コークスガスの体積比は0.65：1； 燃料層の空隙率は0.3； 気化層温度は平均1100℃、蒸気の比重は0.25kg/m3とする； 2.6—F2600型ガスストーブ； 23—(24-1)、1時間あたり1台の循環スラグ除去および清掃装置を確保する必要があることを考慮して。 上記の設定条件に基づき、以下の2つの運転方式を比較する：送風・上面送風・下面送風・2回目上面送風・完全吹き抜き 方案（1）100% 25 24 39 8 4 150秒 37.5 36 58.5 12 6 方案（2）100% 20 26.5 41.5 8 4 150秒 30 40 62 12 6

半水素ガス生成に必要な蒸気量は：2000kg/3200Nm3＝0.625kg/Nm3
送風用空気量は：24000Nm3/3600秒＝6.67Nm3/秒
空気1m3あたりに必要な蒸気量は：0.625/0.65＝0.962(kg/m3)

上面送風＋下面送風＋2回目上面送風で必要な総蒸気量は：
方案（1）37.5×6.66×0.962＝240.5(kg/サイクル)
方案（2）30×6.66×0.962＝192(kg/サイクル)

ガス生成量：
方案（1）37.5×6.66÷0.65×23＝8845Nm3/時
方案（2）30×6.66÷0.65×23＝7076Nm3/時

ガス生成時の蒸気流速の比較：
方案（1）1サイクルあたりのガス生成時間：36+58.5+12＝106.5秒
ガス生成時の気化層内の蒸気流速：÷(1.32×3.14×0.3)＝5.66(m/s)
方案（2）1サイクルあたりのガス生成時間：40+62+12＝114秒
ガス生成時の気化層内の蒸気流速：÷(1.32×3.14×0.3)＝4.23(m/s)

大まかな計算によると、方案（1）の利点は気化効率が高いことだが、欠点としては上面および下面からの送風により気化層内の蒸気流速が速くなり、その結果蒸気の分解率が低下する。平均温度が一定の場合でも蒸気消費量が増加し、分解されない水蒸気が気化層の熱を持ち去ってしまうため、気化層内の熱の有効利用率が低下し、燃料や蒸気の消費量が増えてしまう。 ガスコンロの送風率は一定で、送風時間の長短による炉温の変動を図2に示す。説明：図2は、循環時間を150秒とし、送風時間を40秒および30秒に設定した場合の炉温の変動を比較したものである。 以上のことから、適切なガスストーブの運転負荷を選定することは、燃料炭および蒸気消費量を削減するための重要な対策の一つである。実践によると、送風機とその他の気化条件が適切にマッチしている場合、送風率を20％前後に抑える方が経済的である。 6 循環時間と二つの石炭消費量の関係 所謂循環時間とは、一つのサイクルにおける各段階の時間の合計を指す。ガスコンロ内の温度の1サイクルにおける変動範囲は、循環時間の長さによって一定の差がある。比較を容易にするため、180秒と120秒の2つの循環形態を比較したものが図3である。ガスストーブの負荷が一定の場合、短い循環時間によって炉内温度の変動を小さくでき、ガスストーブの安定化に寄与する。これが長年にわたり提唱されてきた「三高－短」運転法の理論的根拠の一つである。しかし、短いサイクル時間というのは相対的な概念に過ぎず、サイクル時間をあまりにも短く設定するといくつかの弊害が生じます。ここでは、120秒および150秒のサイクル時間について簡単に分析します。近年、小型窒素肥料製造装置のガス炉の直径は、Ф1980mmから徐々にФ2260mm、Ф2400mm、Ф2600mm、Ф2650mm、Ф2800mmへと拡大してきています。高径比の要求に対応するため、炉体の高さは4025mmから徐々に上昇し、4500mm～5200mm、あるいはそれ以上になっている。上向き配管の内径もФ500mmから700mm～900mmに太くなっている。下降管はФ400mmから600mm～700mmに太くなっており、その他の付属機器もそれに応じて太く大型化している。これによりシステムの抵抗が低減し、気化強度が向上するが、一方でいくつかの欠点も生じる。一つ目は炉頂のデッドゾーンであり、すなわち炉内の炭層表面から炉頂の大きな蓋までの空間で、この部分には下向きに送られるガスが蒸気で満たされている。上昇管から上昇バルブまでの空間も、下向きに蒸気を送る際の貯留部となる（下向き送風時の炉頂圧力が上向き送風時よりも高いため）。二次的な上向き送風に切り替わると、この部分の蒸気はガス洗浄塔に送られて凝縮され、無駄になってしまう。炉底の配管が太くなると「デッドゾーン」もそれに応じて拡大し、上吹き段階で残った蒸気が下吹き時にガス洗浄塔に流れ込むため、ガス洗浄塔の熱負荷と蒸気の無駄遣いが増加する。次に、拡大された下降管が下降弁の配管設備空間（下降集塵器）まで延びることで、送風や上方からの窒素注入時の空気の滞留量が増加する。もし上方からの窒素注入後の蒸気による清掃時間が短すぎるか、または上方からの蒸気管の炉内への接続位置が不適切で炉内に残った空気を十分に除去できない場合、下方からの送風段階に移行した際にその空気がガスタンク内に押し込まれ、半水素ガスの酸素含有量が高くなり、変換工程での有効成分の損失や蒸気消費量の増加を招く。 循環時間が150秒の場合、ガスストーブは1時間に24回循環する；循環時間が120秒の場合、ガスストーブは1時間に30回循環します。120秒と150秒を比較すると、1時間あたり6回多くサイクルが行われることになり、つまり上下のブローデッドゾーン内の蒸気の無駄遣いや、ガス中の酸素含有量の増加による損失が6回分増えることになる。また、複合廃熱ボイラーを採用したシステムフローでは、ガス総弁と送風回収弁（または煙突弁）の開閉に一定の時間（通常3秒～4秒）がかかるため、ガス総弁の外側の圧力が送風回収弁付近の圧力よりも高くなります。その結果、開閉中に有効なガスが送風回収システムや煙突弁へ逆流し、放出されてしまいます（その損失量は弁の開閉速度や圧力差に依存します）。これにより、さらに6回分のガスが無駄になる可能性が高まります。三つ目の欠点は、油圧バルブの開閉回数が6回増え、バルブの使用寿命が短くなることです。また、各段階での圧力差により、切り替え過程において所定の作業圧力に達するまでに一定の時間がかかり、ガスストーブの無負荷時間が長くなる。したがって、循環時間が短いことには炉温の変動が少ないという利点はあるものの、上述のように生じる無駄も見過ごせないものである。要するに、ガスコンロの拡径・高さアップや配管機器の太径化後は、循環時間を短く設定しすぎない方が良い。高品質燃料の場合は循環時間を150秒とするのが適切で、低品質な原料の場合は適宜短縮できる。 要するに、ガス製造用の原料である石炭、蒸気、電力の消費を削減するには、影響要因が多く、関わる範囲も広いため、実際の生産現場では以下の方法によって対応する必要がある。 (1) 設計において、科学的かつ合理的な工程と設備を選定する。 (2)自社の特性に合ったガスストーブの運転工程および気化条件を策定すること。 (3)厳格な炉投入原料の品質管理体制を策定する。 (4)効果的な措置を講じ、送風によって持ち去られる熱損失（潜熱および顕熱）を最大限に低減する。 (5)適切な灰渣層の厚さを制御し、できるだけ灰渣の固化率を高め、炭素含有量を低減する。 (6) 上行・下行ガスの持ち出し量をできるだけ減らすこと。 (7)適切な炭層高さを選定し、上下のガス温度を下げるよう努めて熱損失を減らし、炭の有効利用率を向上させる。 (8) より経済的な蒸気分解率を得るために、適切な循環時間、気化層温度、および炉内への蒸気供給量を選定する。 (9)半水素ガスの品質を向上させ、アンモニア1トンあたりの半水素ガス消費量を削減する。 (10)新しい工程や新しい設備を導入し、工程条件や設備の技術的改良を継続的に行うことで、設備の使用寿命を延ばす。 (11) 従業員の研修を強化し、ガス生産従事者の業務能力を継続的に向上させる。 (12)科学的かつ合理的なガス生産管理・評価体制を確立し、従業員の積極性を十分に引き出すことで、ガス炉の安全かつ安定した経済的運用を確保する。

私はアンモニア合成装置を扱っているため、この分野についてのみ知識があります。以下に、私個人の見解を述べます。

1. 合成塔には、軸方向に3層の触媒層を持ち、その間に2層の熱交換器を設置することを推奨します。また、3層の触媒層に充填される触媒の量は順次増やしていくべきです（理由：合成ガスと触媒の接触面積が大きくなり、単位時間あたりの反応量が増えるためです）。層間熱交換器を設置することで、1層目と2層目で発生した反応熱を迅速に除去し、次の層の入口温度を下げることができます。同時に、塔に入る新鮮なガスも加熱され、熱が効率的に利用されます。

2. 前置型の廃熱ボイラーを使用することを推奨します。これにより熱を効率的に回収でき、得られる蒸気の品質も高くなります。また、一度で分離することも可能です。

3. 装置の許容範囲内で、できるだけ空速を高めるべきです。合成器と触媒との接触時間は短いものの、単位時間あたりに合成塔を通過する合成ガスの量が多くなるため、それによって生成されるアンモニアの量も多くなります。 4 アンモニア冷却器のアンモニア冷却温度とアンモニア分離器の液面を適切に管理し、可能な限り合成塔の入口におけるアンモニア含有量を低減することで、塔から出るアンモニアの純度を向上させることができる。5 冷却水システムには専用の水処理施設を設けることを推奨する。これにより水を連続的に循環利用でき、水冷却器内にスケールが付着しにくくなり、不必要なトラブルも減少する。

合成アンモニアの大量生産かつ低消費を議論する際には、アンモニア合成工程だけに目を向けてはいけません。消費量というのは主に電力消費と石炭消費を指し、全体のシステムを視野に入れる必要があります。最も重要なのは、科学的かつ合理的な生産プロセスを持つことです。個人的にまとめた点を以下に挙げますので、ご指摘をお願いします。まずは電力消費についてです：1.調整担当者がシステム内の各機械の点検を適切に計画し、従業員に節電の習慣を身につけさせるよう指導します。天候の変化などに応じて、関連する工程指標やシステム全体の冷却量のバランスをタイムリーに調整し、稼働すべき機器はしっかり稼働させ、稼働不要な機器は絶対に稼働させないようにします； 2.タービンなどの動力の一部を回収再利用し、余剰能力のある動力機器にはインバータ式省エネ装置を装備する：ロータリー機、送風機、合成メタノール用循環機、高出力ポンプなど； 3.圧縮機の送気量の向上：各ステージの吸排気側の冷却量を確保し、各ステージのバルブを良好な状態に保ち、圧縮機内外での漏れを防ぐことでガスの循環や損失を減らす（オイル漏れ、1回目・7回目・7回目の3回目の漏れ、また6・7ステージのシリンダー平衡室からの戻り気など）； 4.ガスタンクの出口にあるロータリー式ポンプの送気量を増やし、入口と出口のガスの温度を下げることが一つの方法です； 5. 生産システムを安定させ、わずかな圧力上昇によるガイド切断事故（ガスの大循環）を厳しく防ぐ； 6. 合成反応や触媒の活性を良好に保ち、システム圧力は高くすべきではない（合成システムの圧力が高すぎると、前段の各工程のシステム圧力も非常に高くなる）； 7. 銅洗浄システムを備えている場合は、銅洗浄の負荷をできるだけ低減し、過剰な再生ガスが循環するのを防ぐべきである； 8. 醸素製造を出発点とし、醸素製造の各システムにおける抵抗を低減し、生成ガス量を向上させる； 9. 水素と窒素の比率、一酸化炭素など、ガスの性状を保証する。性状が悪すぎると、システムの不要な負荷が増大するだけである。 石炭消費量については、1.ガス製造炉の頂部温度を厳格に管理し、潜熱と顕熱の損失を防ぐ； 2. 石炭の品質変化に注目し、タービンガス炉の負荷を適時調整する； 3.製鉄用ストーブの蒸気利用率の向上； 4. 酸素発生炉の消化性向上：炉床や灰受けなどは適切に設計し、炭の流下を防がなければならない； 5.科学的かつ合理的な余熱回収システムの構築； 6. ボールコークスの場合は、持ち出し物が過剰にならないよう、必ずその品質を確保しなければならない； 7.型煤用の石炭置き場およびボイラー用石炭（およびスラグ）の場所における防雨対策を確保し、水が入って湿潤にならないようにする；

石炭企業はガス化から取り組み、消費量を削減すべきだ

単一の合成アンモニア装置において、高生産性かつ低消費を実現するためには、以下の点から考えることができる（ケロッグプロセスを例に）。1.水素と窒素の比率を適切に制御する（つまり、合成塔内での反応を良好に保つ）。2.システム内のメタン含有量を適切に制御する。3.システム内の一酸化炭素含有量を適切に制御する。4.循環ガスの量を適切に制御する。5.冷却量を適切に制御し、分離を良好に保つ。6.第1段炉内の酸素含有量を適切に制御し、外部への熱損失を減らして燃料ガスの消費を抑える。 以上は工程調整の観点からのみです。

1. システム内のメタン含有量を適切に管理する。2. 循環ガス量を適切に管理する。3. 冷凍能力を適切に管理する。4. 合成圧力を下げて電力消費を削減する。

返信 1# TH373637 当社は石炭ガス製造を行っており、省エネ・コスト削減のためにはまずガス製造システムをしっかり整える必要があります。1つ目は、各炉のガス発生量を最適化すること、2つ目は炉の状態を安定させることです。3、後工程の気質と気量を確保する。4、できるだけ低硫黄の高品質な石炭を使用する。5、コールバーまたはコールボールを作ってみることができます。6、製ガス余熱の回収

高い生産性は一般的に低い消費量をもたらします。もし生産量を増やすことができない場合は、低消費量を考えるしかありません。二つの観点から検討し、適切な工程調整を行えば、高い生産性は必然的に消費量の削減につながります。既存の工程条件の下でアンモニアや尿素の生産量を増やすには、どうすればよいのか。もちろん、誰もがそれぞれ独自の経験を持っているでしょう。しかし、これらはすべて合理的な消費量を前提としているのであり、盲目的に行われるわけではありません

1. 水素と窒素の比率は2.5～2.8が最適である。
2. 空気流量および新鮮ガスの供給量を増やす。
3. 合成回路の圧力が最大15MPAの場合、圧力差を1.2MPA以下に抑え、適切に圧力を上げることで反応速度を高めることができる。
4. 放出ガスを適切に処理し、水素を回収する。
5. 前段階のシステム内のCOやCO2の含有量をコントロールし、CH4の生成を減らす。
6. アンモニア冷却器および水冷器の温度を適切に管理する（冷却条件を最適化する）。
7. 合成塔の温度を適切に管理する。
8. 入口側のアンモニア含有量をできるだけ低くし、アンモニアの純度は一般的に15％前後に保つ

この投稿に積極的に回答すれば報酬があります。皆さんの実際の操作の参考になればと思います

長周期こそが最も大きな省エネ方法だと思います。高生産性かつ低消費量という問題を別の言い方で表すと、1.どうやって長周期を実現するか、2.どうやって操作スキルを向上させるか、ということになります合成アンモニアは今日に至るまで、エネルギー消費量が絶えず低下し、いくつかのプロセスはほぼ同じである。アンモニア消費量に大差はなく、長い運転サイクルこそが最大の省エネとなる。数日前、ノルウェーのある合成アンモニア工場の話をした報道があった。その工場の運転サイクルは1000日以上も続く。彼らの長期運転サイクルという考え方とは、合成塔内の触媒が作用し続け、絶えずアンモニアが生成されるというものだ。英語で書かれた報道だが、信じられない

返信 14# shfuchenko それは「故障の削減」「安全な運転」とも呼ばれ、つまり効率性のことです。フル負荷で長期間運転できるということです。含まれる内容は非常に多く、学ぶ価値が大いにあります*

返信 1# TH373637 能源消費を削減するには、やはり熱損失から取り組むべきです。 合成塔の耐火材の断熱性能が鍵です！