淺析煤制甲醇項(xiàng)目擴(kuò)建合成氨裝置原料氮?dú)獾墨@取

張蒙恩，孟 雪，張洋洋

（河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453731）

0 引 言

某廠的煤制甲醇項(xiàng)目，采用四噴嘴水煤漿氣化、CO寬溫耐硫變換、 （大連理工）低溫甲醇洗凈化、絕熱等溫復(fù)合型甲醇合成的工藝路線。其配套的空分裝置采用低溫精餾法，利用液化空氣中各組分沸點(diǎn)的不同而進(jìn)行分離：原料空氣經(jīng)過(guò)濾和空壓機(jī)組壓縮后，通過(guò)水冷和分子篩系統(tǒng)除去其中的水和二氧化碳，再經(jīng)過(guò)換熱、膨脹、等溫節(jié)流冷卻并液化，最終在精餾塔中實(shí)現(xiàn)氧、氮組分分離的同時(shí)排出危險(xiǎn)雜質(zhì)，此過(guò)程中，空分裝置在得到高純度氧氣和氮?dú)獾耐瑫r(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較大量的污氮?dú)狻，F(xiàn)空分裝置有液氮、低壓氮?dú)?、中壓氮?dú)夂透邏旱獨(dú)獾榷喾N氮?dú)猱a(chǎn)品，各氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力等級(jí)及下游用戶(hù)/裝置情況見(jiàn)表1。

表1 各氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力等級(jí)及下游用戶(hù)/裝置情況

如今，為提高產(chǎn)品調(diào)配的靈活性，以提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，該廠擬在其煤制甲醇項(xiàng)目基礎(chǔ)上擴(kuò)建合成氨裝置，實(shí)現(xiàn)合成氨、甲醇產(chǎn)能的柔性調(diào)節(jié)。經(jīng)核算，擬建合成氨裝置有39500m3/h（標(biāo)況，下文無(wú)特別說(shuō)明處均為標(biāo)況）的原料氮?dú)庑枨螅鉀Q原料氮?dú)鈦?lái)源成為擬建合成氨項(xiàng)目能否實(shí)施的基礎(chǔ)與前提之一。

1 原料氮?dú)獾墨@取途徑

大型合成氨裝置工藝氣凈化一般配套低溫甲醇洗和液氮洗工藝，合成氨裝置的原料氮?dú)庠谝旱聪到y(tǒng)中不僅用于配制氫氮比為3∶1的合成氣，還擔(dān)負(fù)著在氮洗塔內(nèi)凈化CO的重任，因此原料氮?dú)獾募兌燃敖M分要遵照當(dāng)前中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)的指標(biāo)要求。經(jīng)分析，擬建合成氨裝置原料氮?dú)獬丝赏ㄟ^(guò)新建空分裝置將空氣分離獲得外，還可通過(guò)收集現(xiàn)各壓力等級(jí)氮?dú)夤芫W(wǎng)的富裕氮?dú)饧右岳枚@得——具體方式有液氮汽化、低壓氮?dú)饧訅?、污氮?dú)馓峒儯òㄎ鄣罾浞蛛x、污氮除氧）等，具體方案及其可行性分析如下。

1.1 液氮汽化

單套空分裝置液氮產(chǎn)量為3300m3/h，通過(guò)后備系統(tǒng)的液氮汽化器將其汽化可滿(mǎn)足擬建合成氨裝置的原料氮?dú)庑枨?。此方案的?yōu)點(diǎn)是，可利用原有的后備系統(tǒng)設(shè)備，無(wú)需新增設(shè)備。此方案的缺點(diǎn)有二：一是液氮售價(jià)400元/t，液氮汽化的成本高達(dá)0.5元/m3，運(yùn)行成本較高；二是后備系統(tǒng)主要是應(yīng)急使用，是為了保障空分裝置運(yùn)行不穩(wěn)定或故障時(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)可以正常運(yùn)行，長(zhǎng)期采用液氮汽化的方式滿(mǎn)足擬建合成氨裝置的原料氮?dú)庑枨?，存在極大的安全隱患。

1.2 低壓氮?dú)饧訅?/h3>

0.42MPa的低壓氮?dú)夤┮旱聪到y(tǒng)、低溫甲醇洗系統(tǒng)和其他裝置使用后，仍有約10000 m3/h的余量，可通過(guò)增設(shè)氮?dú)鈮嚎s機(jī)（氮?dú)鈮嚎s機(jī)功率約1200kW）將這部分富余的低壓氮?dú)庠鰤褐?.11MPa后并入中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)，用作擬建合成氨裝置的原料氮?dú)?。此方案的?yōu)點(diǎn)是，改造范圍較小，僅需增加氮?dú)庠鰤簷C(jī)并對(duì)相應(yīng)管線進(jìn)行改造，投資小，運(yùn)行成本也較低。此方案的缺點(diǎn)有二：一是低壓氮?dú)飧挥嗔績(jī)H10000m3/h，富余量較少，不能完全滿(mǎn)足擬建合成氨裝置對(duì)中壓氮?dú)獾臍饬啃枨?；二是系統(tǒng)開(kāi)停車(chē)過(guò)程中，吹掃和置換均需間歇使用低壓氮?dú)?，即低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)不能連續(xù)穩(wěn)定地提供10000m3/h的低壓氮?dú)庥糜谠鰤簽橹袎旱獨(dú)狻?/p>

1.3 污氮?dú)馓峒?/h3>

經(jīng)前工序預(yù)處理的空氣經(jīng)空分裝置主塔精餾后，上塔頂部得到污氮?dú)?，污氮?dú)饨?jīng)過(guò)冷器、板式換熱器復(fù)熱后出冷箱，之后送往空分預(yù)冷系統(tǒng)水冷塔和分子篩再生加熱器利用，這部分污氮?dú)鈿饬考s270000m3/h，完全可滿(mǎn)足擬建合成氨裝置對(duì)中壓氮?dú)鈿饬康男枨?，只是污氮?dú)庵械腘2含量為98.5%、O2含量為1.5%，為滿(mǎn)足后續(xù)工段的工藝需求，污氮?dú)庠诶们靶鑼?duì)其進(jìn)行提純，去除其中的O2。污氮?dú)馓峒兎桨溉缦隆?/p>

1.3.1 污氮深冷分離

污氮深冷分離系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1?？辗掷湎鋪?lái)污氮?dú)饨?jīng)壓縮后進(jìn)入主換熱器，被返流氣體冷卻并膨脹后進(jìn)入制氮塔底部參與精餾，制氮塔頂部獲得產(chǎn)品氮?dú)?，制氮塔底部的富氧液氮進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器的蒸發(fā)側(cè)，用于冷凝制氮塔頂部的氮?dú)猓舭l(fā)冷凝器頂部抽出的污氮?dú)庖来谓?jīng)過(guò)冷器冷端、主換熱器冷端復(fù)熱至常溫后出冷箱。

圖1 污氮深冷分離系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

污氮深冷分離系統(tǒng)的氮?dú)猱a(chǎn)品純度與原空分裝置氮?dú)猱a(chǎn)品純度保持一致，但污氮深冷分離系統(tǒng)對(duì)氮?dú)獾奶崛÷室话阒挥?5% ～70%，要滿(mǎn)足擬建合成氨裝置39500m3/h的原料氮?dú)庑枨?，也就意味著污氮深冷分離系統(tǒng)的進(jìn)氣量要達(dá)到約60000m3/h，為降低污氮?dú)獬槿?duì)原空分裝置的影響，建議污氮深冷分離系統(tǒng)產(chǎn)出的污氮?dú)庠俜祷卦辗盅b置預(yù)冷系統(tǒng)水冷塔或分子篩；也可采用雙塔精餾［1］的模式提高氮?dú)獾奶崛÷?，以減小污氮深冷分離系統(tǒng)的規(guī)模及能耗。

1.3.2 污氮除氧

污氮除氧系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2［圖中：N1為冷箱來(lái)的污氮?dú)?，N2為壓縮機(jī)出口污氮?dú)?，N3除氧反應(yīng)器進(jìn)口污氮?dú)?，N4為除氧反應(yīng)器出口污氮?dú)?，N5為氮?dú)饫鋮s器出口氮?dú)?，N6為水分離罐出口氮?dú)猓琋7為分子篩出口氮?dú)?，N8為產(chǎn)品氮?dú)猓匆旱聪到y(tǒng)進(jìn)口氮?dú)猓?，H1為氫氮比為3∶1的合成氣］?？辗掷湎鋪?lái)的O2含量為1.5%的污氮?dú)饨?jīng)壓縮后進(jìn)入除氧反應(yīng)器，與液氮洗系統(tǒng)來(lái)的氫氮比為3∶1的合成氣中的H2在鈀催化劑作用下反應(yīng)，除氧反應(yīng)器連接汽包移出反應(yīng)熱并副產(chǎn)0.5MPa蒸汽，除氧反應(yīng)器出口工藝氣O2含量＜5×10-6，經(jīng)冷卻、水分離和分子篩脫水后進(jìn)入液氮洗系統(tǒng)。

圖2 污氮除氧系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

污氮除氧工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵物流數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯觯a(chǎn)品氮?dú)猓∟8，即液氮洗系統(tǒng)進(jìn)口氮?dú)猓┖?.7%的H2，且產(chǎn)品氮?dú)鈮毫β缘陀谥袎旱獨(dú)夤芫W(wǎng)壓力，因此建議產(chǎn)品氮?dú)膺M(jìn)液氮洗系統(tǒng)前增設(shè)緩沖罐，以免含H2氮?dú)馕廴镜獨(dú)夤芫W(wǎng)。污氮除氧方式獲得的產(chǎn)品氮?dú)猓∟8），進(jìn)入液氮洗系統(tǒng)被返流合成氣和燃料氣/富氫氣降溫至-193℃后送入氮洗塔塔頂，用于洗滌來(lái)自低溫甲醇洗系統(tǒng)的凈化氣。經(jīng)化工流程模擬軟件分析與核算，氮洗塔出口合成氣中的CO含量仍滿(mǎn)足工藝要求，表明此含H2氮?dú)饪捎糜谝旱磁涞暗此?/p>

表2 污氮除氧工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵物流數(shù)據(jù)

1.4 小 結(jié)

綜上，擬建合成氨裝置所需的原料氮?dú)饪赏ㄟ^(guò)液氮汽化、低壓氮?dú)饧訅骸⑽鄣獨(dú)馓峒儯òㄎ鄣罾浞蛛x和污氮除氧）等方式獲得，不過(guò)各獲取方式各有利弊：液氮汽化和低壓氮?dú)饧訅韩@取方式適合小型裝置使用；污氮深冷分離方式，產(chǎn)品純度高但提取率低，適合大型裝置，深冷分離后的污氮?dú)庾詈梅祷卦辗盅b置預(yù)冷系統(tǒng)水冷塔或分子篩；污氮除氧方式，提取率高但產(chǎn)品氣含H2，獲得的氮?dú)鈨H能供液氮洗系統(tǒng)使用，不能并入氮?dú)夤芫W(wǎng)。

本擴(kuò)建裝置產(chǎn)品為合成氨，有39500m3/h的原料氮?dú)庑枨螅瑩?jù)合成氨原料需求特性，一方面可以通過(guò)提供合格的純氮?dú)鈦?lái)滿(mǎn)足擬建項(xiàng)目需求，另一方面也可通過(guò)提供合格的氮?dú)浠旌蠚膺M(jìn)入液氮洗配氣流程滿(mǎn)足擬建項(xiàng)目需求。因此，上述方案中的污氮深冷分離和污氮除氧方案均適用于該擬建項(xiàng)目，甚至對(duì)該擬建項(xiàng)目而言，方案中的弊端有時(shí)反而是有利的，如污氮除氧方案中產(chǎn)品氮?dú)夂琀2的弊端，對(duì)本項(xiàng)目而言可充分回收利用產(chǎn)品氣中的H2，提高原料利用率?？傊?，該廠擬建合成氨裝置中壓氮?dú)獠捎梦鄣獨(dú)馓峒儯òㄎ鄣罾浞蛛x和污氮除氧）獲取是較為可行的方案。

2 污氮?dú)獬槿?duì)空分裝置的影響

空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。來(lái)自冷箱的150000m3/h污氮?dú)鈴乃渌撞窟M(jìn)入，與從水冷塔頂部進(jìn)入的195m3/h循環(huán)水（溫度32.7℃）逆流接觸，經(jīng)質(zhì)熱交換后，污氮?dú)獗辉鰸裆郎睾笈湃氪髿?，被逆流而上的污氮?dú)饫鋮s至15.7℃的循環(huán)水則從水冷塔底部排出，經(jīng)循環(huán)水泵加壓并經(jīng)溴化鋰制冷機(jī)組降溫至8.4℃后成為空冷塔上部的低溫冷凍水。

圖3 空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

若將來(lái)自冷箱的150000m3/h污氮?dú)獬槿〕銎渲械?0000m3/h用于提純制取擬建合成氨裝置的原料氮?dú)?，水冷塔污氮?dú)饬繙p少會(huì)導(dǎo)致水冷塔底部循環(huán)水溫度上升［2］至20.2℃，繼而使空冷塔上部低溫冷凍水溫度上升至12.9℃，影響分子篩的吸附效果；當(dāng)然，可通過(guò)加大溴化鋰制冷機(jī)組負(fù)荷的方式降低空冷塔上部低溫冷凍水的溫度，經(jīng)化工流程模擬軟件分析與核算，原流程溴化鋰制冷機(jī)組的制冷量為1600kW，只要將溴化鋰制冷機(jī)組的制冷量增至2600kW 即可將空冷塔上部低溫冷凍水的溫度降至8.4℃，只是溴化鋰制冷機(jī)組0.5MPa蒸汽消耗會(huì)增加1.2 t/h、循環(huán)水消耗會(huì)增加375m3/h，也就是說(shuō)，完全可通過(guò)加大溴化鋰制冷機(jī)組負(fù)荷的方式消除污氮?dú)獬槿?duì)空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)的不利影響，即污氮?dú)馓峒儷@取合成氨裝置所需原料氮?dú)庠诠に嚿鲜强尚械摹?/p>

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，煤制甲醇項(xiàng)目擴(kuò)建合成氨裝置原料氮?dú)獾膩?lái)源豐富——液氮汽化、低壓氮?dú)饧訅骸⑽鄣獨(dú)馓峒儯òㄎ鄣罾浞蛛x和污氮除氧）等方式均可獲得，其中，對(duì)空分裝置污氮?dú)馓峒兊睦梅绞?，合理利用了生產(chǎn)系統(tǒng)的公共資源，充分保障了系統(tǒng)的氮?dú)庥昧浚姨峒児に囅到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全，工藝操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，可有效保障擬建合成氨裝置的高負(fù)荷或滿(mǎn)負(fù)荷、長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，可作為改擴(kuò)建大型合成氨裝置時(shí)原料氮?dú)猥@取的優(yōu)選方案。