淺談合成氨廠兩氣氫回收工藝技術

孫炎彬，楊 軍（.北京華福工程有限公司武漢分公司，湖北武漢 4303；.中船重工環境工程有限公司，湖北武漢 403）

合成氨與尿素Ammonia and Urea

淺談合成氨廠兩氣氫回收工藝技術

孫炎彬1，楊 軍2
（1.北京華福工程有限公司武漢分公司，湖北武漢 430223；2.中船重工環境工程有限公司，湖北武漢 420223）

簡述了合成氨廠兩氣氫回收變壓吸附法、膜分離技術、深冷分離法三種工藝技術的原理方法及其特點，并對這三種工藝技術進行了對比分析。

氫回收工藝；變壓吸附法；膜分離技術；深冷分離法

合成氨生產過程產生一定量的合成放空氣和液氨貯罐弛放氣（簡稱兩氣），大多數合成氨廠設有等壓回收裝置以回收氨，回收后含大量氫和甲烷的兩氣一般或直接放空，或送鍋爐房作燃料，或用作生活煤氣，這樣既造成了有用氣體的損失，又造成了環境污染。眾所周知，氫不僅是合成氨的主要原料，也是生產其它重要化工產品（如雙氧水等）的原料，將含有大量氫的兩氣用作燃料或放空顯然是極不經濟的。若將兩氣中的氫加以分離回收返回系統，不僅具有較好的經濟效益，而且還減少了環境污染。

1　工藝技術方案

氨合成尾氣主要由合成放空氣和液氨貯槽馳放氣兩部分氣體組成，放空氣組分、馳放氣組分以及經過氨洗后的氣體中均含有大量的NH3和H2。現在工業上氫回收方法大體流程為：加壓下用水吸收氣體中的氨，預處理后得到氨水；出高壓水洗塔的氣體經氣水分離器后送加熱器加熱，然后送到氫分離器用于回收尾氣中的氫。目前常用的氫回收技術主要有深冷分離法、變壓吸附法和膜分離法等。

1.1深冷分離法

深冷分離法的工作原理是根據混合氣體中各組分冷激液化溫度的差異，將混合氣體降溫，使冷凝溫度高于此溫度的氣體液化而達到氣體分離的目的。深冷分離法回收氫流程（見圖1）大致為：弛放氣經過氨洗塔用水將氨脫除后再通過分子篩吸附器，氣體通過分子篩時壓力下降到較低壓力后進入冷箱，尾氣與產品進行對流冷交換后溫度下降到-190℃左右，在此溫度下冷凝并分離除去CH4等雜質。離開第一分離器的氣體含有約92%的H2，在進入最終分離器前，氣體通過另外兩個換熱器，在最終分離器得到純度為98%的H2，返回第三和第二換熱器進行冷卻后通過膨脹透平冷卻端，膨脹后氣體通過換熱器提供整個裝置所需的主要冷凍量。

圖1　深冷分離法回收純氫流程

深冷分離法的特點是：產品回收率及純度高。但在操作及管理上比較麻煩，停車后再開車時間長，開車時氣量不足、壓力較低，操作比較困難，并且投資較比較高，故未能廣泛應用。

1.2變壓吸附法

變壓吸附法是用分子篩為吸附劑，利用分子篩能選擇性吸附尾氣中的N2、Ar、CH4等組分實現氫分離。基本原理是利用在不同壓力下各個氣體組分在分子篩上的吸附與解吸能力不同而達到分離的目的。由于氫氣在吸附劑上的吸附能力遠遠低于CH4、N2、CO、CO2等常見的其它組分，當合成尾氣通過分子篩層床時，所有的雜質都被分子篩吸附，從而得到高純度的氫氣，當吸附床飽和后，便將壓力降低使雜質釋放。

變壓吸附分離具有過程操作簡單，能耗較低，氫純度高，自動化程度高，設備不需要特殊材料等優點。但缺點在于該流程再生速度快，操作周期短，對程序控制閥門的質量要求高，切換復雜，氫回收率較其它氫回收法要低。

1.3膜分離法

膜分離法即中空纖維分離技術，基本工作原理是利用一種高分子聚合物（通常是聚酰亞胺或聚砜）薄膜來選擇“過濾”進料氣而達到分離的目的。當兩種或兩種以上的氣體混合物通過高分子膜時，由于各種氣體在膜中的溶解度和擴散系數的不同，導致不同氣體在膜中相對滲透速率有差異。由此，可將氣體分為“快氣”（如H2O、H2、He等）和“慢氣”（如N2、CH4及其它烴類等）。當混合氣體在膜兩側相應組分分壓差的作用下，滲透速率相對快的氣體優先透過膜而被富集；而滲透速率相對較慢的氣體則在膜的滯流側被富集，從而實現混合氣體分離。

膜分離法的工藝流程（見圖2）大致為：高壓水泵將軟水打到水洗塔塔頂，尾氣首先進入高壓水洗塔進行水洗。設置氨水循環泵用于氨水循環洗滌，使氨水中NH3含量達到較高濃度。離開水洗塔塔頂的尾氣溫度較高且帶有少量液沫，為更好除去尾氣中的霧沫，設置冷卻器，并在水洗塔下游安裝氣液分離器用于除去夾帶的霧沫。離開氣液分離器的尾氣送入加熱器將尾氣加熱升溫，然后進入膜分離器進行分離，在滲透氣側得到高濃度氫氣，另一側得到非滲透氣。

膜法氣體分離技術具有技術先進、工藝設計合理、占地少、開動靈活、膜壽命長、運行及維護費用低、性能穩定等特點，且投資省、投資回收期短，經濟效益極為顯著。該方法產品回收率與變壓吸附相當，但產品純度則不及變壓吸附。

2　三種工藝技術的比較

結合國內合成氨廠氫回收裝置的生產業績，現綜合比較三種氫回收工藝技術見表1。

圖2　膜分離法回收氫流程圖

3　結論

綜合比較氫回收三種方法后可知，變壓吸附和膜分離均可作為常規選擇方案，從投資、設備占地等方面而言，膜分離均占優勢；在操作可靠性方面，兩者相當。變壓吸附由于切換閥動作頻繁，因而對其性能要求較高，國內供貨廠方保證其切換閥壽命可達10～15a；而膜分離法由于無轉動設備和頻繁的閥門切換，可保證其運行可靠性和穩定性極高。

Ammonia Plant of Two Hydrogen Recovery Technology

Sun Yan-bin，Yang Jun

Three methods of hydrogen recovery from purge gas in Ammonia plant are analysed and compared in this paper，such as pressure swing adsorption，membrane separation，and cryogenic separation.

hydrogen recovery process；pressure swing adsorption；membrane separation technique；cryogenic separation

表1　氫回收工藝的比較

TQ113.29

B

1003-6490（2016）05-0001-02