“變廢為寶”
——PNG裝置論述

史保峰

(晉煤天源化工有限公司，山西 高平 048400)

晉煤天源化工有限公司(以下簡稱天源化工)是以山西晉城高平地區(qū)無煙煤為原料，采用成熟、先進(jìn)、合理的工藝技術(shù)，生產(chǎn)合成氨及尿素產(chǎn)品。天源化工設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為合成氨36萬t/a，甲醇4萬t/a，大顆粒尿素60萬t/a。多年以來，改造和擴(kuò)大現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，包括合成氨、尿素生產(chǎn)等，天源化工都是堅(jiān)持以清潔生產(chǎn)為理念，力求做到節(jié)能降耗、減虧增效。天源化工經(jīng)過仔細(xì)考察PNG產(chǎn)品的發(fā)展前景和周密分析市場供需量后，決定利用天源化工合成氨生產(chǎn)過程產(chǎn)生的含甲烷廢氣為原料，新上一套2 700Nm3/h PNG裝置，該流程充分利用了合成氨廢氣中的有效成分，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1 應(yīng)用背景

合成氣在氨合成回路中循環(huán)使用，循環(huán)氣中CH4含量不能太高，必須放出部分尾氣(弛放氣)，以控制系統(tǒng)中惰性組分甲烷濃度，保證正常的氨合成反應(yīng)。天源化工氨合成系統(tǒng)中有上游半水煤氣帶來的2%～3%的甲烷氣體累積，達(dá)到一定濃度后需從合成系統(tǒng)中排出，弛放氣經(jīng)提氫后CH4濃度超過35%，并帶有部分氫氣、氮?dú)夂蜌鍤?，技術(shù)上稱為“膜提氫尾氣”。改造前，天源化工將合成氨提氫尾氣用于生活煤氣和鍋爐燃燒，CH4氣體的經(jīng)濟(jì)利用率低。

CH4是高質(zhì)量的化學(xué)原料和高熱值的清潔燃料，如果簡單地燃燒，將直接造成資源浪費(fèi)。另外，靠近廠區(qū)外5km有天然氣管網(wǎng)，送至管網(wǎng)不僅有助于解決當(dāng)?shù)靥烊粴饩o缺的現(xiàn)狀，同時也可為公司創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

為此，將甲烷提純?yōu)镻NG出售，是一項(xiàng)降低合成氨成本的有效措施，既降低能耗，又拓展了合成氨的產(chǎn)業(yè)鏈，經(jīng)濟(jì)、社會效益可觀。

2 工藝原理

本項(xiàng)目是將合成崗位產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行綜合利用，即以合成崗位膜提氫尾氣為原料(主要成分為CH4、H2、N2和Ar)，采用先進(jìn)、合理的組合凈化及低溫液化精餾分離技術(shù)，通過膨脹制冷和能量耦合技術(shù)，凈化并提純CH4，生產(chǎn)合格的PNG產(chǎn)品。

主要利用甲烷、氮?dú)?、氫氣、氬氣這四種氣體沸點(diǎn)的不同，在有壓力的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)沸點(diǎn)高的甲烷與沸點(diǎn)相對較低的氮?dú)?、氬氣及氫氣的液化與分離，裝置的原始冷量主要來自裝置中的尾氣透平膨脹機(jī)與高壓氣體節(jié)流制冷。

3 設(shè)計(jì)指標(biāo)

(1)項(xiàng)目實(shí)施后，可獲得PNG 2700Nm3/h，按熱值計(jì)，可替代92#汽油16 610t/a。

(2)本項(xiàng)目甲烷回收率保證值為85%，甲烷純度在94%～98%之間。產(chǎn)品質(zhì)量滿足國家二類天然氣標(biāo)準(zhǔn)(GB 17820-2018)。

(3)主要工藝操作條件：①液化操作壓力為6.7MPa(g)，溫度為45℃～160℃；②精餾操作壓力為0.75 MPa(g)，溫度為-128℃～160℃；③分子篩吸附壓力6.71MPa(g)，吸附溫度為45℃。再生壓力為0.05 MPa(g)，再生溫度200℃。

4 工藝流程

工藝流程主要包括原料氣脫水、液化分離。裝置工藝流程見圖1，物料平衡表見表1。管道天然氣(PNG)屬甲B類可燃?xì)怏w，本項(xiàng)目不設(shè)置天然氣儲存裝置，采用邊生產(chǎn)邊輸送的形式，直接輸送至廠外天然氣管網(wǎng)。

圖1 裝置工藝流程

4.1 工藝流程說明

(1)原料氣干燥脫水。從10MPa(g)減壓至6.72MPa(g)的膜提氫尾氣進(jìn)入分子篩干燥塔A的底部，用分子篩吸附脫除尾氣中夾帶的少量水分，干燥脫水后，原料氣的露點(diǎn)溫度可降至-70℃，最后從干燥塔A的上部排出。

(2)天然氣液化分離。氣體從分子篩干燥塔A內(nèi)出來后，通往第一板翅式換熱器冷卻，原料氣會被分為兩股流并且下降到-70℃，其中一股通往第二換熱器，冷卻后其溫度下降到-128℃，緊接著通往第三板翅式換熱器中。另外一股流通往甲烷蒸發(fā)器，其溫度為99℃，再通往再沸器，該部件位于精餾塔底部位置，在此過程中，依然會進(jìn)行冷卻，一直到-128℃為止，然后通往第三板翅式換熱器。當(dāng)原料氣從第三板翅式換熱器出來以后，其溫度將下降為-160℃，此時，除氫氣以外的其他氣體均會處于液化狀態(tài)，緊接著通往緩沖分離器。當(dāng)原料氣被液化以后，將其排出的位置位于緩沖分離器底部，緊接著通往第三板翅式換熱器進(jìn)行加熱，使之溫度達(dá)到-137℃，同時減壓，使之壓力為0.75MPa(g)，最終通往精餾塔內(nèi)實(shí)施分離步驟。

在精餾塔頂端位置，原料液可以通過通道進(jìn)入精餾塔中，液體在流動的過程中會跟下端升起的熱氣體遭遇，由于氬氣以及氮?dú)夥悬c(diǎn)不高，因此很快會被蒸發(fā)，而越是靠近底部，溫度越高，含有的甲烷的量也逐步增加，到達(dá)底部時，甲烷的純度是98%。液體甲烷被排出以后，就會通往第三板翅式換熱器，通過加熱以后，再通往冷凝分離器中，通過閃蒸的方式將一些氣體排出，緊接著流向第二換熱器，處于底部位置的液體甲烷則會流向甲烷蒸發(fā)器的殼層部位，通過蒸發(fā)制冷的方式讓原料氣溫度下降，第二換熱器以及甲烷蒸發(fā)器蒸發(fā)出的甲烷會混合于一處，共同流向第一板翅式換熱器，通過復(fù)熱以后流向膨脹機(jī)增壓端，在實(shí)施0.5MPa(g)加壓以后，通過水冷器使之冷卻，溫度降至40℃進(jìn)行輸送，使之離開界區(qū)?；旌蠚馔ㄟ^位于精餾塔頂端的排氣口被排出之后，流向第三板翅式換熱器中，在進(jìn)行復(fù)熱提供冷量以后，再流向透平膨脹機(jī)進(jìn)行制冷，所獲得的低溫氣體流向位于精餾塔上端的冷凝器，再依次流向第三、第二以及第一板翅式換熱器內(nèi)，其中有一些送往界區(qū)外的三廢爐，另外一些則作為再生氣供分子篩干燥塔使用，出干燥塔的再生氣也送往界區(qū)外的三廢爐。

膨脹循環(huán)制冷采用單級膨脹制冷，其主要由氮?dú)?甲烷透平膨脹機(jī)、冷箱等設(shè)備構(gòu)成。通過循環(huán)為原料氣的液化與分離提供冷量。

圖2 工藝流程

4.2 主要設(shè)備

主要設(shè)備見表2。

表2 主要設(shè)備

5 試車情況

(1)PNG項(xiàng)目于2019年3月開工，2019年8月完工，9月組織開始試車。

(2)試車期間，膜提氫尾氣甲烷含量沒有達(dá)到原設(shè)計(jì)42%、最低35%的要求，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是精餾塔再沸器換熱面積不夠所致，精餾塔返廠，對塔內(nèi)再沸器重新設(shè)計(jì)制作，延誤約一個月時間。

(3)試車期間，因不銹鋼三通的質(zhì)量問題，先后兩次造成管件破裂、低溫可燃?xì)怏w泄漏，停車對不銹鋼三通和彎頭、冷箱內(nèi)所有不銹鋼彎頭及冷箱外部分不銹鋼彎頭和變徑進(jìn)行更換。

(4)試車期間，因開車操作不當(dāng)，膨脹機(jī)軸承氣大幅波動，導(dǎo)致膨脹機(jī)斷軸，對其進(jìn)行解體并更換備件。

(5)2019年11月9日開車，生產(chǎn)出合格甲烷氣。

(6)因燃?xì)夤句N售量的影響，外管網(wǎng)壓力長期處于憋壓狀態(tài)，產(chǎn)品氣壓力突然升高，造成安全閥經(jīng)常性起跳，2020年4月23日，在產(chǎn)品氣管線上加裝一臺壓力調(diào)節(jié)閥通至燃料氣氣柜。

6 存在的問題及改進(jìn)措施

6.1 產(chǎn)品氣憋壓問題

受外管網(wǎng)用戶用量的影響，產(chǎn)品氣壓力不穩(wěn)定，安全閥經(jīng)常性起跳，且缺少遠(yuǎn)傳壓力表，不能實(shí)時監(jiān)控產(chǎn)品氣壓力，已通過技改方式解決，增加了產(chǎn)品氣遠(yuǎn)傳壓力和調(diào)壓閥。

6.2 膨脹機(jī)問題

(1)原設(shè)計(jì)膨脹機(jī)軸承氣為系統(tǒng)外供氮?dú)?，因不具備條件，改為原料氣供應(yīng)，這可能導(dǎo)致前工段突發(fā)性跳車、分子篩壓力高安全閥突然起跳泄壓、緩沖分離器壓力高安全閥突然起跳泄壓，造成軸承氣大幅波動，損壞膨脹機(jī)。針對此問題，擇機(jī)改為氮?dú)狻?/p>

(2)膨脹機(jī)無備機(jī)。膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速高、兩段溫差大(制冷端-160℃，制動端70℃)，是整套系統(tǒng)最脆弱的部分，也是最容易損壞的部件。如果發(fā)生斷軸事件，需廠家進(jìn)行定制，定制時間為10～30d。

6.3 緊急停車聯(lián)鎖問題

現(xiàn)場可燃?xì)馓筋^只要一個超標(biāo)，即聯(lián)鎖隔離跳車，已改為4取2。

6.4 冷箱保冷問題

(1)冷箱西側(cè)防爆窗口泄漏封氮較多，上升到冷箱頂部的氮?dú)廨^少，需在西側(cè)防爆窗口處進(jìn)行適當(dāng)密封，但不應(yīng)影響其超壓開啟的閾值。

(2)冷箱設(shè)計(jì)偏小，保冷材料不足，冬季箱體結(jié)冰、結(jié)霜嚴(yán)重。

(3)冷箱南側(cè)小冷箱防水不完善，保冷材料進(jìn)水，且應(yīng)增加氮封。

6.5 控制系統(tǒng)問題

分子篩缺AB罐遠(yuǎn)傳壓力表(已加裝)和壓差表，應(yīng)設(shè)置壓差高聯(lián)鎖控制，防止兩罐因壓差大，出現(xiàn)切換時氣量波動或分子篩粉化的現(xiàn)象。

6.6 其他問題

(1)分析表導(dǎo)壓管為塑料材質(zhì)，且無減壓表。

(2)精餾塔設(shè)計(jì)壓力0.8MPa(g)，安全閥整定壓力0.81MPa(g)，需進(jìn)行調(diào)整，因涉及到高壓串低壓，且設(shè)備在冷箱內(nèi)，查漏不便，建議并聯(lián)一臺安全閥，且增加根部閥，可互相切換校驗(yàn)。

7 經(jīng)濟(jì)效益分析

7.1 項(xiàng)目投資

該項(xiàng)目共投資706.08萬元，投資統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 投資統(tǒng)計(jì)

根據(jù)投資和產(chǎn)出測算，正常生產(chǎn)約4個月即可收回全部投資成本。

7.2 經(jīng)濟(jì)效益

日運(yùn)行費(fèi)用(按合成氨系統(tǒng)滿負(fù)荷，膜提氫尾氣大約7 000～8 500Nm3/h核算)見表4。

表4 日運(yùn)行費(fèi)用

單日可外銷產(chǎn)品甲烷氣42 000～47000Nm3，單價1.35元/Nm3，除去日運(yùn)行費(fèi)用，日凈收益41 170～44 680元，全年為公司增收13 58.6～1 474.4萬元(全年按330天計(jì))，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

8 結(jié)語

通過本裝置的實(shí)施，將合成弛放氣中甲烷提取并出售，降低了合成氨生產(chǎn)成本，噸氨生產(chǎn)成本降低約為40元。此次改造在為天源化工創(chuàng)造了大的經(jīng)濟(jì)效益的同時，更增強(qiáng)了企業(yè)的抗風(fēng)險能力。