合成氨弛放氣回收利用總結(jié)

張二興 何曉文 崔增濤

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng)453731)

0 前言

弛放氣是化工生產(chǎn)中不參與反應(yīng)的氣體或因品位過低不能利用、在化工設(shè)備或管道中積聚而產(chǎn)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(yīng)速度和進(jìn)度、降低生產(chǎn)效率等，弛放氣必須定期排放。目前，大多數(shù)氮肥企業(yè)設(shè)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(fēng)氣鍋爐作為燃料使用或用作民用生活煤氣，氨水作為副產(chǎn)品低價(jià)外售。這樣不僅造成有效組分氫的損失，同時(shí)也影響合成氨生產(chǎn)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(xiàn)具有年產(chǎn)合成氨260 kt、甲醇80 kt以及顆粒尿素430 kt的生產(chǎn)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(fēng)氣余熱鍋爐以及蒸氨等生產(chǎn)裝置對弛放氣中H2，NH3等有效成分進(jìn)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(biāo)態(tài))，其中φ(H2)約60.0%，φ(NH3)約3.5%]首先經(jīng)薄膜調(diào)節(jié)閥(原料氣進(jìn)口)減壓至10～12 MPa，然后進(jìn)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(jìn)入氣液分離器，使水洗過程產(chǎn)生的霧沫夾帶得到分離。氣液分離器出來的氣體進(jìn)入加熱器，防止原料氣進(jìn)入中空纖維膜分離器后產(chǎn)生水霧，影響分離性能。經(jīng)過水洗、加熱后的原料氣進(jìn)入膜分離器中進(jìn)行分離，分離后滲透氣重新返回合成氨系統(tǒng)，尾氣[氣量約2 100 m3/h(標(biāo)態(tài))，其中φ(H2)約25%，φ(CH4)約35%)]供吹風(fēng)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(biāo)態(tài))，φ(NH3)約15%]進(jìn)入等壓回收塔下段鼓泡層，在21組水箱換熱條件下進(jìn)行洗氨，出鼓泡層后，沒有吸收完氨的含氨氣體自下而上經(jīng)過冷卻層的等壓復(fù)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(jìn)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(jīng)中空纖維膜分離器將氫氣分離，滲透氣[氣量約2 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，其中φ(H2)≥85%]經(jīng)半水煤氣壓縮機(jī)提壓后，重新返回合成氨系統(tǒng)回收利用，尾氣[其中φ(H2)約5%，φ(CH4)約60%，φ(N2)約35%]送往吹風(fēng)氣余熱鍋爐燃燒生產(chǎn)蒸汽。

制得的濃氨水送往蒸氨裝置進(jìn)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(shè)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(shè)7層冷卻水箱；上段為回收段，塔盤為等壓復(fù)合吸收塔盤，共設(shè)14層塔盤，其中下部10層為等壓復(fù)合吸收冷卻塔盤，上部4層為等壓復(fù)合吸收非冷卻塔盤，塔內(nèi)件材質(zhì)為不銹鋼，塔體、冷卻水箱、層間冷卻盤管材質(zhì)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(shù)以萬計(jì)的中空纖維管組成。原料氣由分離器下端側(cè)口進(jìn)入，沿纖維束外表面向上流動，氣體接觸到中空纖維膜時(shí)便經(jīng)歷滲透、溶解、擴(kuò)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(dá)到了分離的目的。H2進(jìn)入每根中空纖維管內(nèi)，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?jǐn)?shù))，H2回收率達(dá)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(nèi)有26層塔板，板間距400 mm，塔體材質(zhì)為316L/304/碳鋼，操作溫度148～204 ℃，設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa(表壓)。其操作工藝指標(biāo)情況見表1。

表1 蒸氨裝置操作工藝指標(biāo)情況

項(xiàng) 目設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)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(jìn)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(zhì)量濃度一定程度上影響蒸氨的能耗，同時(shí)延長停留時(shí)間可以提高氨水的滴度，但滴度上升的同時(shí)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(fēng)險(xiǎn)。通過試驗(yàn)以及與生產(chǎn)企業(yè)溝通，氨水的質(zhì)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(jié)水、節(jié)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(jī)一段進(jìn)口，尤其冬季氣量最低時(shí)，負(fù)荷較輕，整體經(jīng)濟(jì)效益較差。自2010年二期吹風(fēng)氣余熱鍋爐投入使用，氣量不足，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化，目前低壓膜分離器提氫已停運(yùn)，弛放氣經(jīng)凈氨塔凈氨后直接送吹風(fēng)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(fù)荷運(yùn)行，故應(yīng)避免低負(fù)荷運(yùn)行。低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，需加大回流比?；亓髟龃箅m能提高產(chǎn)品品質(zhì)、降低廢水中氨含量，但也會增加蒸汽消耗。

(4)因?yàn)榘彼畬︿摬挠休^強(qiáng)的腐蝕性，原料氨水較混濁、雜質(zhì)多，對設(shè)備有較大的損害。應(yīng)在氨水進(jìn)料泵進(jìn)口和蒸氨塔進(jìn)料口加設(shè)過濾器過濾掉雜質(zhì)。

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

4 結(jié)語

該套合成氨弛放氣回收利用裝置自開車運(yùn)行以來，運(yùn)行穩(wěn)定，日產(chǎn)氨水(220 tt)約22 t，日多生產(chǎn)液氨約3.5 t。以年生產(chǎn)330 d、液氨2 800元/t、噸氨消耗360元計(jì)，年收益約為281.8萬元。裝置設(shè)計(jì)將凈氨、提氫、吹風(fēng)氣余熱鍋爐以及蒸氨工藝有機(jī)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。