合成氨弛放氣回收利用總結

張二興 何曉文 崔增濤

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉453731)

0 前言

弛放氣是化工生產中不參與反應的氣體或因品位過低不能利用、在化工設備或管道中積聚而產生的氣體。氨庫弛放氣是指液氨貯罐中減壓閃蒸出來的氣體，其主要成分為NH3，H2，N2以及CH4，Ar等惰性組分。由于弛放氣影響傳熱效果、反應速度和進度、降低生產效率等，弛放氣必須定期排放。目前，大多數氮肥企業設有高壓及等壓氨回收裝置，以回收弛放氣中的氨，回收后剩余的含大量H2和CH4的弛放氣送往吹風氣鍋爐作為燃料使用或用作民用生活煤氣，氨水作為副產品低價外售。這樣不僅造成有效組分氫的損失，同時也影響合成氨生產的能耗以及增加成本。

河南心連心化肥有限公司二分公司現具有年產合成氨260 kt、甲醇80 kt以及顆粒尿素430 kt的生產能力，先后配套了高壓凈氨塔、等壓凈氨塔、高低壓膜提氫、吹風氣余熱鍋爐以及蒸氨等生產裝置對弛放氣中H2，NH3等有效成分進行合理回收。

1 工藝流程

1.1 合成氨塔后放空氣流程

來自氨塔后放空氣[壓力為28.0 MPa，氣量約3 700 m3/h(標態)，其中φ(H2)約60.0%，φ(NH3)約3.5%]首先經薄膜調節閥(原料氣進口)減壓至10～12 MPa，然后進入高壓凈氨塔，氣體在高壓凈氨塔中與高壓水泵打入的軟化水在填料層中逆流接觸，氣相中的氨氣被水吸收后變成稀氨水，由塔底排至等壓凈氨塔。脫氨后的原料氣[φ(NH3)<200×10-6]由塔頂排出后進入氣液分離器，使水洗過程產生的霧沫夾帶得到分離。氣液分離器出來的氣體進入加熱器，防止原料氣進入中空纖維膜分離器后產生水霧，影響分離性能。經過水洗、加熱后的原料氣進入膜分離器中進行分離，分離后滲透氣重新返回合成氨系統，尾氣[氣量約2 100 m3/h(標態)，其中φ(H2)約25%，φ(CH4)約35%)]供吹風氣余熱鍋爐燃燒。

1.2 氨庫弛放氣流程

來自氨庫的弛放氣[2.5 MPa，30 ℃，氣量約2 700 m3/h(標態)，φ(NH3)約15%]進入等壓回收塔下段鼓泡層，在21組水箱換熱條件下進行洗氨，出鼓泡層后，沒有吸收完氨的含氨氣體自下而上經過冷卻層的等壓復合吸收式塔盤，先后與來自高壓凈氨塔稀氨水或軟水混合，將氣體中的氨進一步吸收，使氣體中φ(NH3)降至<20×10-6出塔。出塔的合格凈化氣經中空纖維膜分離器將氫氣分離，滲透氣[氣量約2 000 m3/h(標態)，其中φ(H2)≥85%]經半水煤氣壓縮機提壓后，重新返回合成氨系統回收利用，尾氣[其中φ(H2)約5%，φ(CH4)約60%，φ(N2)約35%]送往吹風氣余熱鍋爐燃燒生產蒸汽。

制得的濃氨水送往蒸氨裝置進一步精制成液氨，送至尿素工段利用。合成氨弛放氣回收利用工藝流程見圖1。

2 主要設備

2.1 高壓凈氨塔

高壓凈氨塔塔徑Φ1 000/Φ2 000 mm，塔高18 m，下段為鼓泡吸收段，設7層冷卻水箱；上段為回收段，塔盤為等壓復合吸收塔盤，共設14層塔盤，其中下部10層為等壓復合吸收冷卻塔盤，上部4層為等壓復合吸收非冷卻塔盤，塔內件材質為不銹鋼，塔體、冷卻水箱、層間冷卻盤管材質均為碳鋼。

2.2 中空纖維膜分離器

中空纖維膜分離器采用了5根膜分離器組成，分為低壓膜分離器和高壓膜分離器，是該裝置的核心，芯部由數以萬計的中空纖維管組成。原料氣由分離器下端側口進入，沿纖維束外表面向上流動，氣體接觸到中空纖維膜時便經歷滲透、溶解、擴散、解吸過程。由于中空纖維膜對各種氣體的選擇性不同，從而達到了分離的目的。H2進入每根中空纖維管內，匯集后從膜分離器上口排出，未滲透的尾氣從膜分離器的下口排出。H2純度可以控制在85%～98%(體積分數)，H2回收率達90%。

圖1 合成氨弛放氣回收利用工藝流程

2.3 蒸氨裝置

蒸氨裝置塔體Φ800×16 200 mm，為板式塔，內有26層塔板，板間距400 mm，塔體材質為316L/304/碳鋼，操作溫度148～204 ℃，設計壓力2.5 MPa(表壓)。其操作工藝指標情況見表1。

表1 蒸氨裝置操作工藝指標情況

項 目設計參數運行參數進料流量/(m3·h-1)5.22.8～3.2塔底工作壓力/MPa1.6～1.81.3～1.5廢液中w(NH3)/(×10-6)<10030～60噸氨水耗蒸汽/kg500400～450頂冷凝器溫度/℃43～4437～42進料氨水中C(NH3)/(g·L-1)179～196183～201

3 問題與不足

(1)凈氨塔氨水的質量濃度一定程度上影響蒸氨的能耗，同時延長停留時間可以提高氨水的滴度，但滴度上升的同時也提高了高壓凈氨塔出口氣體中的含氨量，有損害中空纖維膜的風險。通過試驗以及與生產企業溝通，氨水的質量濃度控制在 187 g/L 比較合理。通過充分利用高壓凈氨塔稀氨水吸收等壓凈氨塔的氨氣，一定程度上起到了節水、節能的作用。

(2)由于氨庫弛放氣中的H2含量比合成氨塔后放空氣中的H2含量低，且氣量偏小，而且低壓膜分離器提氫出來的滲透氣只能送往壓縮機一段進口，尤其冬季氣量最低時，負荷較輕，整體經濟效益較差。自2010年二期吹風氣余熱鍋爐投入使用，氣量不足，為了實現經濟效益最大化，目前低壓膜分離器提氫已停運，弛放氣經凈氨塔凈氨后直接送吹風氣余熱鍋爐燃燒。

(3)因使用了垂直篩板塔盤，蒸氨裝置更適宜高負荷運行，故應避免低負荷運行。低負荷運行時，需加大回流比。回流增大雖能提高產品品質、降低廢水中氨含量，但也會增加蒸汽消耗。

(4)因為氨水對鋼材有較強的腐蝕性，原料氨水較混濁、雜質多，對設備有較大的損害。應在氨水進料泵進口和蒸氨塔進料口加設過濾器過濾掉雜質。

(5)在該蒸氨裝置運行中，液氨屏蔽泵設計時選型不合理，揚程偏小，不能滿足液氨輸送，其壓力<1.65 MPa時，啟運1臺液氨屏蔽泵送不出液氨，只能用2臺屏蔽泵串聯后連續向尿素工段送液氨，沒有備泵。安裝高揚程液氨泵后，系統壓力降至1.20 MPa，降低了蒸汽消耗。

4 結語

該套合成氨弛放氣回收利用裝置自開車運行以來，運行穩定，日產氨水(220 tt)約22 t，日多生產液氨約3.5 t。以年生產330 d、液氨2 800元/t、噸氨消耗360元計，年收益約為281.8萬元。裝置設計將凈氨、提氫、吹風氣余熱鍋爐以及蒸氨工藝有機融合在一起，使弛放氣中有效成分逐一分離，并合理利用，取得了較好的效果。