技術前沿

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合成氨弛放氣中氨的凈化吸收新技術開發成功

氨是化肥工業和基本有機化工的主要原料,我國目前合成氨年產量達5500萬噸左右,占世界總產量的40%以上。農業和化工行業的發展對氨氣、尿素、磷酸銨、硝酸銨等需求量的增加,促使我國合成氨工業快速發展,年生產量持續上升。在氨的合成過程中,為使氫氮氣催化生成氨的反應有效地進行,需保持合成循環氣中甲烷、氬等惰性氣的含量在17%-25%的范圍內,因此要從氨合成氣中排出一定數量的循環合成氣,此部分氣體被稱作合成弛放氣。噸氨弛放氣排放量約300-400立方米,其中氨含量體積百分比為3%-6%。此外,還有一部分弛放氣來自冷凍系統。這些弛放氣,若直接排放或燃燒,將會造成嚴重的環境污染,并浪費了大量有經濟價值的氫資源。針對合成氨弛放氣,目前工業普遍采用水洗工藝回收氨,以水作為吸收劑,對弛放氣中的氨進行洗滌吸收。該技術存在水和提濃蒸汽消耗大、能耗高、腐蝕性強、經濟效益較差等問題。因此,急待開發凈化效率高、能耗低的清潔工藝技術。

離子液體被稱為“綠色可設計溶劑”,是指在室溫或接近室溫下呈現液態的、完全由陰陽離子所組成的鹽,也稱為低溫熔融鹽。由于離子液體本身所具有的許多傳統溶劑所無法比擬的優點及可作為綠色溶劑應用于有機及高分子物質的合成,因而受到越來越多的化學工作者的關注,被廣泛應用于化學研究的各個領域中。特別是離子液體作為反應溶劑已被應用到氫化反應、傅-克反應、Heck反應、分離提純、電化學研究等多種類型反應中。與傳統的有機溶劑相比,離子液體具有熔點低、酸堿性范圍可調、無毒高極性、化學穩定性好、不易揮發和燃燒等特點,能夠取代有機溶劑進行化學反應,從而實現反應過程的綠色化。

中國科學院過程工程研究所離子液體清潔過程與節能創新團隊基于在離子液體基礎及應用方面的長期研究積累,提出了采用離子液體為吸收劑,回收合成氨弛放氣中氨的新技術。在國家“863”計劃、中國科學院院地合作、國家自然基金委等項目的支持下,系統研究了離子液體微觀結構對弛放氣中的氨、氫、氮、甲烷等氣體的作用機理和分離性能的影響規律,獲得相關氣體在離子液體中的傳遞和放大規律,通過物質和能量優化集成,研發了合成氨弛放氣中氨回收的成套工藝和裝備。

采用該工藝凈化處理合成氨弛放氣可直接得到純氨產品、不需消耗水、能耗低、流程簡單、無含氨廢水排放,回收氨后的凈化弛放氣,經膜分離后可提取得到較高純度氫氣。川化股份有限公司應用該工藝在合成氨系統建成了首套1000立方米/小時工業性試驗裝置,并連續穩定運行6個月,回收氨的純度達到95%以上,弛放氣中氨的凈化率達到99%,能耗較現有水洗工藝降低約30%,降低了合成氨生產成本。

2014年1月13日,由中國科學院過程工程研究所、中國科學院成都有機化學有限公司和川化股份有限公司合作完成的“合成氨弛放氣中氨的凈化吸收新技術”項目,順利通過了中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定。鑒定委員會一致認為:項目開發的離子液體回收利用氨的新技術及成套裝置,具有自主知識產權,達到國際先進水平,推廣應用前景廣闊。

離子液體回收合成氨弛放氣中氨新技術的成功應用,證明了離子液體新介質在氣體分離工業應用領域的可行性和先進性,為以離子液體為核心的氣體分離回收利用新技術的研發奠定了科學依據和工程基礎,開辟了氣體分離技術創新的新途徑。該技術不僅能用于合成氨弛放氣中氨的回收,同時也可推廣應用到尿素造粒塔的排放尾氣、焦爐煤氣、氨冷凍儲罐排氣、硝酸裝置尾氣等其他含氨氣體中氨的回收凈化處理,為石油和化工企業實現清潔生產、綠色生產,完成國家“十二五”節能減排目標,提供了一種先進適用的新技術。

(汪家銘)