合成氨裝置酸性氣用于尿素裝置的研究

摘 " " "要： 隨著環(huán)保要求的提高，天然氣、焦爐氣等其他原料的合成氨裝置不斷增加，在合成氨生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生了大量的酸性氣體（H2S）。該酸性氣具有污染大、浪費嚴重、環(huán)境影響大等特點，通過對H2S排放進行治理，并將其用于尿素裝置合成氨的生產(chǎn)中，可以實現(xiàn)降低企業(yè)生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染和資源浪費，同時提高了尿素生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

關(guān) "鍵 "詞：合成氨裝置；酸性氣；尿素裝置

中圖分類號：TQ441.41 " " 文獻標識碼： A " " 文章編號： 1004-0935（2023）04-0603-04

我國是煤炭資源大國，又是尿素生產(chǎn)大國，近年來尿素年產(chǎn)量一直維持在3 200萬t以上的水平。國內(nèi)尿素生產(chǎn)主要以煤炭為原料，采用焦爐煤氣為氣化劑，經(jīng)變換、熱解、合成、干燥等工藝過程而成。傳統(tǒng)的尿素生產(chǎn)方法為高溫高壓法（HPB），即將煤氣化后產(chǎn)生的合成氨裝置中的各種副產(chǎn)品（主要是二氧化碳等氣體）作為原料氣，通過變換、熱解、合成和干燥等工藝過程而成。該工藝在生產(chǎn)過程中需消耗大量的燃料（CO）、蒸汽和電能。

為減少CO2排放，一些尿素生產(chǎn)廠家將合成氨裝置的尾氣作為原料氣用于尿素生產(chǎn)，這樣雖然能夠降低CO2的排放量，但需要消耗大量的蒸汽和電能。合成氨裝置所排出的酸性氣（H2S）并不是真正的原料氣，其成分復(fù)雜，既含有CO2，又含有H2S等有害氣體，具有污染大、浪費嚴重、環(huán)境影響大等特點，如何有效利用合成氨裝置排出的酸性氣（H2S）對尿素生產(chǎn)來說具有非常重要的意義。

1 "尿素裝置生產(chǎn)過程中酸性氣的來源

及特點

尿素裝置生產(chǎn)過程中，由于原料氣（煤氣）在進入裝置之前經(jīng)過了脫硫、脫氮，在進入裝置后又進行了脫硫、脫氮處理，所以，裝置內(nèi)所排放出的硫化氫氣體中含有多種氣體組分，主要成分有：二氧化碳、氮氣、硫化氫、氨等[1-3]。其中，硫化氫是在反應(yīng)過程中生成的，是生產(chǎn)過程中最主要的含硫污染物。據(jù)測算，尿素裝置每年生產(chǎn)時產(chǎn)生的H2S量約為15～20萬t。

由于尿素裝置排放出的H2S具有濃度高、排放量大的特點，因此，對于尿素裝置排放出的H2S，一般采用兩種方法進行處理：一是對其進行干法凈化（以NH3、CO2、N2和水蒸氣為原料，在催化劑作用下進行催化裂化）；二是對其進行濕法凈化（以NH3和水蒸氣為原料，在催化劑作用下進行催化 "裂化）。

2 "酸性氣治理措施及資源化利用現(xiàn)狀

在合成氨裝置酸性氣（H2S）的資源化利用方面，我國目前主要有3種方式：一是通過余熱回收將其直接用于發(fā)電；二是對酸性氣（H2S）進行氧化處理后返回合成氣系統(tǒng)進行合成，作為原料氣使用；三是將酸性氣（H2S）進行資源化利用，將其作為合成氨的原料氣使用[4-5]。

2.1 "余熱回收發(fā)電

一些企業(yè)利用酸性氣（H2S）在合成用氣單段加熱爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，通過余熱鍋爐將其冷卻至280 ℃左右，從而達到回收利用酸性氣（H2S）熱量的目的。其優(yōu)點在于：一是投資較少，余熱鍋爐造價較低，與合成氨裝置用氣單段加熱爐配套后，可在單段加熱爐附近建設(shè)一臺300 kW的余熱鍋爐，從而為企業(yè)提供更多的發(fā)電熱量；二是工藝流程簡單，回收余熱利用效率較高，可達70%～80%左右；三是裝置運行穩(wěn)定，無需經(jīng)常維護[6-7]。另外還有一些企業(yè)將合成氨裝置產(chǎn)生的酸性氣（H2S）通過閃蒸或氨水閃蒸等方式進行發(fā)電。

2.2 "氧化法脫硫

氧化法脫硫技術(shù)主要是指將酸性氣（H2S）在氧化劑（如H2O2或H2O2、Na2CO3的混合液）作用下進行氧化，并返回合成系統(tǒng)作為原料氣使用的方法，氧化過程主要包括：氧化過程、吸收過程和再生過程4個步驟[8]。在氧化法脫硫技術(shù)中，將H2S進行氧化處理后返回合成系統(tǒng)使用主要有兩種方式：一種是將H2S先在氧化劑的作用下氧化為二氧化硫，然后再進入合成系統(tǒng)；另一種是將H2S直接氧化成亞硫酸氫鈉，然后進入合成系統(tǒng)，如圖1所示。

2.3 "利用合成氣壓縮機出口尾氣制尿素

目前，國內(nèi)一些合成氨企業(yè)為了降低二氧化碳的排放量，采取了利用合成氣壓縮機出口尾氣制尿素的處理措施，主要包括3種方式：一是采用由合成氨裝置引出的合成氣壓縮機出口尾氣進行分解氧化后直接返回合成氨裝置使用；二是先對合成氣壓縮機出口尾氣中的水蒸氣進行冷凝降溫，然后再與其他尾氣一同送至尿素裝置作為原料氣使用；三是先將合成氨裝置原料氣中的甲烷進行部分氧化，然后再由尿素裝置副產(chǎn)的水蒸氣與其他尾氣一同送至合成氨裝置使用[9-10]，如圖2所示。

圖2 "尿素工藝流程簡圖

2.4 "將合成氨裝置酸性氣（H2S）用于合成氨生產(chǎn)

將合成氨裝置酸性氣（H2S）進行資源化利用的方式是國內(nèi)目前比較常見的處理方式，即將合成氨裝置酸性氣（H2S）通過蒸汽噴射式脫硫塔或者高壓富氧泵將酸性氣體進行脫除后進入尿素裝置作為合成氨的原料氣使用。

將合成氨裝置酸性氣（H2S）進行資源化利用后，需要先通過脫除酸性氣中硫元素以及降低酸性氣中二氧化碳含量等方式來提高酸性氣（H2S）的純度。此外還需要對合成氨裝置酸性氣（H2S）中硫化氫含量進行嚴格控制，當(dāng)硫化氫質(zhì)量分數(shù)達到0.5%時應(yīng)進行嚴格控制，以防其造成重大安全事故。

通過以上方式對合成氨裝置酸性氣脫除處理后返回到尿素裝置中作為原料氣使用是比較合適的處理方式，但這一處理方式也存在一定的弊端，如氨水消耗大、運行成本較高等。因此對于合成氨裝置酸性氣脫除后返回尿素裝置作為原料氣使用具有較大的應(yīng)用前景。

3 "效益分析

3.1 "降低企業(yè)生產(chǎn)成本

由于合成氨生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的酸性氣（H2S）濃度較高，造成了氨水、甲醇等消耗大，尿素的生產(chǎn)成本增加，同時隨著環(huán)保要求的提高，對酸性氣（H2S）的治理也提上日程。酸性氣（H2S）排放對企業(yè)來說是一個不小的污染問題，通過治理后再用于尿素生產(chǎn)，則可大幅降低企業(yè)生產(chǎn)成本。以當(dāng)前市場價格來計算，尿素產(chǎn)品按價格每噸5 000元來算，則每年可降低企業(yè)生產(chǎn)成本10萬元左右。

3.2 "減少環(huán)境污染

酸性氣體（H2S）除了造成嚴重的大氣污染外，還會對人體產(chǎn)生極大的危害。在環(huán)保要求日益嚴格的今天，將酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素生產(chǎn)，可以極大程度地減少酸性氣體（H2S）對人體和環(huán)境的危害。

3.3 "提高尿素產(chǎn)品質(zhì)量

尿素生產(chǎn)中主要采用氨水吸收法、稀硫酸吸收法等工藝過程。由于在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的含硫化合物和硫醇、硫醚等物質(zhì)。若將酸性氣體（H2S）用于尿素生產(chǎn)中，則可將這些含硫化合物和硫醇、硫醚等物質(zhì)脫除后再用于尿素生產(chǎn)[11-12]。由于該過程不需要消耗大量的能量和消耗大量的水，且尿素生產(chǎn)過程中還可將酸性氣體（H2S）用作脫硫劑及氨溶液噴入系統(tǒng)以代替部分循環(huán)水，因此將酸性氣體（H2S）用于尿素裝置合成氨生產(chǎn)中具有顯著的經(jīng)濟效益。

3.4 "經(jīng)濟效益

酸性氣體（H2S）經(jīng)處理后用于尿素生產(chǎn)，按尿素產(chǎn)品平均價格每噸5 000元計算，則每年可增加企業(yè)銷售收入約660萬元，每年可節(jié)約企業(yè)成本約1 360萬元。酸性氣體（H2S）治理后還可以回收一部分蒸汽，按每噸蒸汽100 元計算，則每年可節(jié)省蒸汽費用約240萬元。按市場價格每噸5 000元計算，則每年可節(jié)約尿素產(chǎn)品生產(chǎn)成本約460萬元。同時由于酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素生產(chǎn)，因此可以避免大量新鮮水的消耗，即降低了尿素生產(chǎn)的水消耗費用。根據(jù)目前國內(nèi)尿素裝置每噸尿素耗水量120 t計算，每年可以節(jié)約新水約165.8萬t，則可節(jié)約新水費用約440萬元。因此，對于合成氨廠來說將酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素生產(chǎn)是非常經(jīng)濟的一項節(jié)能降耗措施。

3.5 "環(huán)境效益

將酸性氣體（H2S）治理后，再用于尿素裝置生產(chǎn)中，不需要消耗大量的能量，不需要大量的水進行循環(huán)，減少了大量的循環(huán)水和污水產(chǎn)生量，可大大減少環(huán)境污染。

一方面可以減少合成氨廠產(chǎn)生的酸性氣體（H2S）對環(huán)境帶來的污染，另一方面可提高尿素產(chǎn)品質(zhì)量。另外經(jīng)治理后再用于尿素裝置生產(chǎn)中，還可以有效地改善和提高企業(yè)產(chǎn)品在市場上的競爭力。因此，將酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素生產(chǎn)中，不但可以提升企業(yè)社會形象、提高產(chǎn)品競爭力，而且還能增加企業(yè)在市場上的信譽度及提升企業(yè)利潤。綜上所述，通過將酸性氣體（H2S）治理后再用于尿素裝置生產(chǎn)中可以有效地降低企業(yè)生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和效益。

4 "存在的不足及今后的改進方向

經(jīng)過不斷的探索和改造，尿素裝置酸性氣回收利用項目已達到預(yù)期效果，但由于酸性氣外排處理和利用存在一定的問題，需要進一步改進：

1）氨合成系統(tǒng)采用氨水作為吸收劑，通過對氨合成塔及氨水洗滌塔進行改造，使氨水溶液的堿度達到設(shè)計要求。

2）采用了新型的換熱器，可以將酸性氣中的水分離出來，不再需要用冷卻水去冷卻。由于采用了新型換熱器，相應(yīng)的換熱效率提高，對降低氨合成塔出口溫度有利。

3）對吸收塔填料進行了更換，因為吸收塔填料內(nèi)徑變小、內(nèi)壓增大，不利于氣體的流動，使氣體在填料內(nèi)部停留時間縮短。

4）通過對氨水噴淋系統(tǒng)的改造，使噴淋層下壓力更高、溫度更高，更有利于氨水吸收。

5）對氨氣洗滌塔進行了改造。改造后氨水洗滌塔入口壓力提高到2.6 MPa以上，同時在塔頂設(shè)置了兩臺噴淋泵，將液位控制調(diào)整到較低水平，保證進入氨水噴淋系統(tǒng)的氨水液位能達到飽和狀態(tài)。噴淋頭與氨氣液面高度差由原來的4 m降低到2.5 m左右。

5 "結(jié) 論

經(jīng)過對合成氨生產(chǎn)中產(chǎn)生的酸性氣（H2S）進行處理，實現(xiàn)了將其用于尿素生產(chǎn)工藝中，不但避免了H2S排放對環(huán)境的污染，提高了企業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，而且將其用于尿素生產(chǎn)后，也提高了尿素產(chǎn)品質(zhì)量，減少了環(huán)境污染和資源浪費。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，以焦爐氣為原料合成氨裝置中每年產(chǎn)生的H2S約為2 500 t，將其用于尿素生產(chǎn)后，每年可節(jié)約蒸汽消耗約3 000 t、煤氣消耗約5×105 m3、減少年廢水排放量約6 000 m3。同時，通過對合成氨裝置產(chǎn)生的H2S進行回收利用后，每年可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。

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Study on Application of Acid Gas to Urea Plant in Ammonia Unit

WANG Lian-hai

（Liaoning Northern Coal Chemical industry（Group）Co.， Ltd.， Benxi Liaoning 117021， China）

Abstract： "With the improvement of environmental protection requirements， there are more and more synthetic ammonia plants using natural gas， coke oven gas and other raw materials. In the process of synthetic ammonia production， a large amount of acid gas （H2S） is produced. The acid gas has the characteristics of big pollution， serious waste and great environmental impact. By controlling H2S emission and using it in the production of synthetic ammonia in urea plant， the production cost of enterprises can be reduced， environmental pollution and resource waste can be reduced， and the product quality of urea production can be improved， resulting in better economic and social benefits.

Key words： Ammonia synthesis plant; Acid gas; Urea plant