利用甲醇馳放氣生産合成氨技術

摘要：以甲醇生産過程中排放的弛放氣經過變壓吸附制氫氣和空分裝置來的氮氣爲原料設計合成氨工藝，並(bìng)分析瞭(le)該工藝的經濟和社會效益。

關鍵詞：馳放氣；合成氨；工藝

      由於甲醇合成存在許多副反應，這些副反應生成瞭大量的惰性氣體並在系統中不斷累積，影響甲醇合成工況的正常運行，必須不斷地排放，這種排放氣體稱爲馳放氣。甲醇合成馳放氣的主要成分爲 H₂、CO、CO₂、H₂O和 CH₄ 等惰性氣體，其中 H₂和 CH₄體積百分含量約占80%左右。如何回收甲醇馳放氣的有效組分，實現資源的循環利用，成爲企業節能降耗的重要問題。

      對以焦爐煤氣爲原料生産甲醇的裝置，目前對甲醇馳放氣的回收利用主要有兩方面：一方面，利用甲醇馳放氣熱值對焦爐加熱，節省煤氣用量；另一方面，利用甲醇馳放氣生産合成氨産品。

      綜合比較兩種利用途經，認爲利用甲醇馳放氣制合成氨項目，既對甲醇馳放氣的有效成分進行瞭回收利用，又保證瞭産品的低成本，在市場中具有很強的競争力。本項目設計利用甲醇馳放氣生産合成氨這種工藝方案，其生産技術、能耗及經濟指标均處於較先進水平，具有良好的經濟效益。不僅改變瞭企業單一産品的局面，增強瞭企業市場應變能力，而且降低瞭生産成本，增強瞭企業市場競争能力。

1 工藝技術方案的選擇

1.1 提氫

      工業中現在提氫普遍使用變壓吸附法簡稱 PSA。變壓吸附技術是以吸附劑(多孔固體物質)内部表面對氣體分子的物理吸附爲基礎，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點組份、不易吸附低沸點組份和高壓下吸附量增加(吸附組份)、減壓下吸附量減小(解吸組份)的特性。将原料氣在壓力下通過吸附劑床層，相對於氫的高沸點雜質組份被選擇性吸附，低沸點組份的氫不易吸附而通過吸附劑床層，達到氫和雜質組份的分離。然後在減壓下解吸被吸附的雜質組份使吸附劑獲得再生，以利於下一次再次進行吸附分離雜質。這種壓力下吸附雜質提純氫氣、減壓下解吸雜質使吸附劑再生的循環便是變壓吸附過程。

1.2 壓縮

      壓縮工序是合成氨系統的心髒部分，壓縮機是合成氨生産的關鍵設備。目前，國内外大中型合成氨廠的壓縮大多採用離心式和往複式壓縮機。離心式壓縮機具有以下諸多優點：(1)通氣量大而連續、運轉平穩；(2)機組外型尺寸小、重量輕、占地面積少；(3)易損部件少、維修工作量小、運轉率高；(4)可用汽輪機驅動，省去能量轉化損失；(5)機體内不需要潤滑，氣體不會被油污染；易實現自動控制。因此本項目壓縮採用離心式壓縮機。

1.3 氨合成

      對於氨合成來說，需在高溫高壓下反應，傳統的反應壓力爲31.4、22.0MPa，近年來15MPa合成壓力的氨合成裝置已在一 些中大型氨廠運行。氨合成反應是一個體積縮小的反應，提高壓力有利於反應向生成氨的方向進行，而且反應速度随著壓力的提高而增大。通常氨合成壓力選擇應根據能量的消耗(即氮氫氣的壓縮功耗、循環氣的壓縮功耗和冷凍系統的壓縮功耗)、基建投資及運行成本而定。合成的壓力高則壓縮功高，但有利於反應平衡，設備相對縮小。合成的壓力低壓縮功相對低，但設備相對增大。壓力高低各有利弊。本方案按 15.0MPa氨合成設計，選用先進可靠、技術成熟的GC型軸徑向合成塔内件及與之相配套的高效分離系統内件、後置式廢熱鍋爐熱回收系統。具有塔阻力小，氨淨值高，使用壽命長，操作穩定簡單，運行費用低的特點。設置廢熱鍋爐及軟水加熱器回收反應熱，副産蒸汽。

2 工藝流程簡述

      根據企業提供的有關數據，甲醇馳放氣的工藝參數爲5.0 MPaG、40℃，其主要成分如表 1所示。

鑒於(yú)馳放氣自身的氣體組成以及氨合成氣的成分要求，確(què)定以下工藝生産路線：

      來自甲醇的馳放氣，經過減壓裝置，将壓力控制在3.6MPa，進入洗滌塔對氣體中的馳放氣噴淋洗滌，在脫除甲醇的同時将氣體降溫，溫度得以穩定。洗滌後的馳放氣經過氣液分離器，分離遊離水後進入變壓吸附裝置脫除雜質氣體。無遊離水的馳放氣進入進入變壓吸附塔。先經過塔底的氧化鋁脫除混合氣中的飽和水後，用活性炭吸附二氧化碳，再經過分子篩脫除氮氣、一氧化碳等雜質氣體，每台吸附塔在不同時間依次經曆吸附、多級壓力均衡降、順放、逆放、沖洗、多級壓力均衡升、最終升壓等步驟制得合成氨所需的H₂原料。其中逆放步驟排出吸附的部分雜質組分，剩餘的大部分雜質通過沖洗步驟進一步完全解吸，解吸氣主要成分爲CO和CH₄，經過解吸氣緩沖罐和混合罐穩壓後送甲醇裝置燃料氣管網，可作爲甲醇加熱爐和鍋爐用燃料。

       空分裝置送出的氮氣經過氮氣壓縮機增壓到 3.6MPa，進入原料氣精制工序。取少量(約50m³ /h)的氫氣和氮氣經混合器充分混勻後，通過1台電加熱器把混合氣加熱到80℃，進人脫氧器中，在催化劑的作用下，氫和氧反應生成水，從而脫除其中微量的氧氣。然後再與PSA制氫裝置的氫氣混合，進人幹燥系統脫除其中的水分至<2×10^-6，經過壓縮到15MPa後，進人合成氨工序。

  來自合成氣壓縮機的15MPa的氣體進人熱氣一氣換熱器，在該換熱器中與來自鍋爐給水預熱器的出塔反應氣通過熱交換被加熱到182℃。然後氣體送往氨合成塔，在氨合成催化劑催化下進行反應，反應氣(稱爲出塔氣)從塔底引出，氣體中氨的濃度約爲22.1% (V)。反應氣通過産(chǎn)生3.9MPa (G)飽(bǎo)和蒸汽方式回收反應熱後送往第一水冷器，在這裏氣體被循環冷卻水冷卻冷凝，大部分氣氨被冷凝成爲液氨。之後再進人冷氣-氣換熱器，用自氨分離器來的冷循環氣在這裏進行冷卻。出冷氣一氣換熱器的反應氣體随後送往第二水冷器，再依次進人第一氨冷器和第二氨冷器，在這裏被用氨冷凍工段提供的液氨的蒸發冷卻到-4℃，發生進一步的氨冷凝。最終進人高壓氨分離器。

從(cóng)分離器中的合成氣分理處(chù)液體氨，循環氣通過冷氣-氣換熱器從(cóng)6℃加熱到35℃進入合成氣壓縮機循環段的吸入口。

      來自分離器的液氨經減壓，進入到低壓氨分離器，在此液氨釋放出溶解的氮氫氣稱爲貯罐氣，並得到最終産品液氨輸送到界區外氨庫。

其工藝(yì)流程方框圖(tú)如圖(tú) 1所示。

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