合成氨弛放气回收利用总结

张二兴 何晓文 崔增涛

(河南心连心化肥有限公司 河南新乡453731)

0 前言

弛放气是化工生产中不参与反应的气体或因品位过低不能利用、在化工设备或管道中积聚而产生的气体。氨库弛放气是指液氨贮罐中减压闪蒸出来的气体，其主要成分为NH3，H2，N2以及CH4，Ar等惰性组分。由于弛放气影响传热效果、反应速度和进度、降低生产效率等，弛放气必须定期排放。目前，大多数氮肥企业设有高压及等压氨回收装置，以回收弛放气中的氨，回收后剩余的含大量H2和CH4的弛放气送往吹风气锅炉作为燃料使用或用作民用生活煤气，氨水作为副产品低价外售。这样不仅造成有效组分氢的损失，同时也影响合成氨生产的能耗以及增加成本。

河南心连心化肥有限公司二分公司现具有年产合成氨260 kt、甲醇80 kt以及颗粒尿素430 kt的生产能力，先后配套了高压净氨塔、等压净氨塔、高低压膜提氢、吹风气余热锅炉以及蒸氨等生产装置对弛放气中H2，NH3等有效成分进行合理回收。

1 工艺流程

1.1 合成氨塔后放空气流程

来自氨塔后放空气[压力为28.0 MPa，气量约3 700 m3/h(标态)，其中φ(H2)约60.0%，φ(NH3)约3.5%]首先经薄膜调节阀(原料气进口)减压至10～12 MPa，然后进入高压净氨塔，气体在高压净氨塔中与高压水泵打入的软化水在填料层中逆流接触，气相中的氨气被水吸收后变成稀氨水，由塔底排至等压净氨塔。脱氨后的原料气[φ(NH3)<200×10-6]由塔顶排出后进入气液分离器，使水洗过程产生的雾沫夹带得到分离。气液分离器出来的气体进入加热器，防止原料气进入中空纤维膜分离器后产生水雾，影响分离性能。经过水洗、加热后的原料气进入膜分离器中进行分离，分离后渗透气重新返回合成氨系统，尾气[气量约2 100 m3/h(标态)，其中φ(H2)约25%，φ(CH4)约35%)]供吹风气余热锅炉燃烧。

1.2 氨库弛放气流程

来自氨库的弛放气[2.5 MPa，30 ℃，气量约2 700 m3/h(标态)，φ(NH3)约15%]进入等压回收塔下段鼓泡层，在21组水箱换热条件下进行洗氨，出鼓泡层后，没有吸收完氨的含氨气体自下而上经过冷却层的等压复合吸收式塔盘，先后与来自高压净氨塔稀氨水或软水混合，将气体中的氨进一步吸收，使气体中φ(NH3)降至<20×10-6出塔。出塔的合格净化气经中空纤维膜分离器将氢气分离，渗透气[气量约2 000 m3/h(标态)，其中φ(H2)≥85%]经半水煤气压缩机提压后，重新返回合成氨系统回收利用，尾气[其中φ(H2)约5%，φ(CH4)约60%，φ(N2)约35%]送往吹风气余热锅炉燃烧生产蒸汽。

制得的浓氨水送往蒸氨装置进一步精制成液氨，送至尿素工段利用。合成氨弛放气回收利用工艺流程见图1。

2 主要设备

2.1 高压净氨塔

高压净氨塔塔径Φ1 000/Φ2 000 mm，塔高18 m，下段为鼓泡吸收段，设7层冷却水箱；上段为回收段，塔盘为等压复合吸收塔盘，共设14层塔盘，其中下部10层为等压复合吸收冷却塔盘，上部4层为等压复合吸收非冷却塔盘，塔内件材质为不锈钢，塔体、冷却水箱、层间冷却盘管材质均为碳钢。

2.2 中空纤维膜分离器

中空纤维膜分离器采用了5根膜分离器组成，分为低压膜分离器和高压膜分离器，是该装置的核心，芯部由数以万计的中空纤维管组成。原料气由分离器下端侧口进入，沿纤维束外表面向上流动，气体接触到中空纤维膜时便经历渗透、溶解、扩散、解吸过程。由于中空纤维膜对各种气体的选择性不同，从而达到了分离的目的。H2进入每根中空纤维管内，汇集后从膜分离器上口排出，未渗透的尾气从膜分离器的下口排出。H2纯度可以控制在85%～98%(体积分数)，H2回收率达90%。

图1 合成氨弛放气回收利用工艺流程

2.3 蒸氨装置

蒸氨装置塔体Φ800×16 200 mm，为板式塔，内有26层塔板，板间距400 mm，塔体材质为316L/304/碳钢，操作温度148～204 ℃，设计压力2.5 MPa(表压)。其操作工艺指标情况见表1。

表1 蒸氨装置操作工艺指标情况

项 目设计参数运行参数进料流量/(m3·h-1)5.22.8～3.2塔底工作压力/MPa1.6～1.81.3～1.5废液中w(NH3)/(×10-6)<10030～60吨氨水耗蒸汽/kg500400～450顶冷凝器温度/℃43～4437～42进料氨水中C(NH3)/(g·L-1)179～196183～201

3 问题与不足

(1)净氨塔氨水的质量浓度一定程度上影响蒸氨的能耗，同时延长停留时间可以提高氨水的滴度，但滴度上升的同时也提高了高压净氨塔出口气体中的含氨量，有损害中空纤维膜的风险。通过试验以及与生产企业沟通，氨水的质量浓度控制在 187 g/L 比较合理。通过充分利用高压净氨塔稀氨水吸收等压净氨塔的氨气，一定程度上起到了节水、节能的作用。

(2)由于氨库弛放气中的H2含量比合成氨塔后放空气中的H2含量低，且气量偏小，而且低压膜分离器提氢出来的渗透气只能送往压缩机一段进口，尤其冬季气量最低时，负荷较轻，整体经济效益较差。自2010年二期吹风气余热锅炉投入使用，气量不足，为了实现经济效益最大化，目前低压膜分离器提氢已停运，弛放气经净氨塔净氨后直接送吹风气余热锅炉燃烧。

(3)因使用了垂直筛板塔盘，蒸氨装置更适宜高负荷运行，故应避免低负荷运行。低负荷运行时，需加大回流比。回流增大虽能提高产品品质、降低废水中氨含量，但也会增加蒸汽消耗。

(4)因为氨水对钢材有较强的腐蚀性，原料氨水较混浊、杂质多，对设备有较大的损害。应在氨水进料泵进口和蒸氨塔进料口加设过滤器过滤掉杂质。

(5)在该蒸氨装置运行中，液氨屏蔽泵设计时选型不合理，扬程偏小，不能满足液氨输送，其压力<1.65 MPa时，启运1台液氨屏蔽泵送不出液氨，只能用2台屏蔽泵串联后连续向尿素工段送液氨，没有备泵。安装高扬程液氨泵后，系统压力降至1.20 MPa，降低了蒸汽消耗。

4 结语

该套合成氨弛放气回收利用装置自开车运行以来，运行稳定，日产氨水(220 tt)约22 t，日多生产液氨约3.5 t。以年生产330 d、液氨2 800元/t、吨氨消耗360元计，年收益约为281.8万元。装置设计将净氨、提氢、吹风气余热锅炉以及蒸氨工艺有机融合在一起，使弛放气中有效成分逐一分离，并合理利用，取得了较好的效果。