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(fā)成功

氨是化肥工業(yè)和基本有機化工的主要原料,我國目前合成氨年產(chǎn)量達5500萬噸左右,占世界總產(chǎn)量的40%以上。農(nóng)業(yè)和化工行業(yè)的發(fā)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(yè)快速發(fā)展,年生產(chǎn)量持續(xù)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(huán)氣中甲烷、氬等惰性氣的含量在17%-25%的范圍內(nèi),因此要從氨合成氣中排出一定數(shù)量的循環(huán)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(tǒng)。這些弛放氣,若直接排放或燃燒,將會造成嚴重的環(huán)境污染,并浪費了大量有經(jīng)濟價值的氫資源。針對合成氨弛放氣,目前工業(yè)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(jīng)濟效益較差等問題。因此,急待開發(fā)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(xiàn)液態(tài)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(tǒng)溶劑所無法比擬的優(yōu)點及可作為綠色溶劑應用于有機及高分子物質(zhì)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(tǒng)的有機溶劑相比,離子液體具有熔點低、酸堿性范圍可調(diào)、無毒高極性、化學穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)和燃燒等特點,能夠取代有機溶劑進行化學反應,從而實現(xiàn)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(jié)能創(chuàng)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(tǒng)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(guī)律,獲得相關氣體在離子液體中的傳遞和放大規(guī)律,通過物質(zhì)和能量優(yōu)化集成,研發(fā)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(chǎn)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(jīng)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(tǒng)建成了首套1000立方米/小時工業(yè)性試驗裝置,并連續(xù)穩(wěn)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(xiàn)有水洗工藝降低約30%,降低了合成氨生產(chǎn)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(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定。鑒定委員會一致認為:項目開發(fā)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(chǎn)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(zhì)在氣體分離工業(yè)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(fā)奠定了科學依據(jù)和工程基礎,開辟了氣體分離技術創(chuàng)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(yè)實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、綠色生產(chǎn),完成國家“十二五”節(jié)能減排目標,提供了一種先進適用的新技術。

(汪家銘)