利用甲醇驰放气生产合成氨技术

摘要：以甲醇生产过程中排放的弛放气经过变压吸附制氢气和空分装置来的氮气为原料设计合成氨工艺，并分析了该工艺的经济和社会效益。

关键词：驰放气；合成氨；工艺

      由于甲醇合成存在许多副反应，这些副反应生成了大量的惰性气体并在系统中不断累积，影响甲醇合成工况的正常运行，必须不断地排放，这种排放气体称为驰放气。甲醇合成驰放气的主要成分为 H₂、CO、CO₂、H₂O和 CH₄ 等惰性气体，其中 H₂和 CH₄体积百分含量约占80%左右。如何回收甲醇驰放气的有效组分，实现资源的循环利用，成为企业节能降耗的重要问题。

      对以焦炉煤气为原料生产甲醇的装置，目前对甲醇驰放气的回收利用主要有两方面：一方面，利用甲醇驰放气热值对焦炉加热，节省煤气用量；另一方面，利用甲醇驰放气生产合成氨产品。

      综合比较两种利用途经，认为利用甲醇驰放气制合成氨项目，既对甲醇驰放气的有效成分进行了回收利用，又保证了产品的低成本，在市场中具有很强的竞争力。本项目设计利用甲醇驰放气生产合成氨这种工艺方案，其生产技术、能耗及经济指标均处于较先进水平，具有良好的经济效益。不仅改变了企业单一产品的局面，增强了企业市场应变能力，而且降低了生产成本，增强了企业市场竞争能力。

1 工艺技术方案的选择

1.1 提氢

      工业中现在提氢普遍使用变压吸附法简称 PSA。变压吸附技术是以吸附剂(多孔固体物质)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组份、不易吸附低沸点组份和高压下吸附量增加(吸附组份)、减压下吸附量减小(解吸组份)的特性。将原料气在压力下通过吸附剂床层，相对于氢的高沸点杂质组份被选择性吸附，低沸点组份的氢不易吸附而通过吸附剂床层，达到氢和杂质组份的分离。然后在减压下解吸被吸附的杂质组份使吸附剂获得再生，以利于下一次再次进行吸附分离杂质。这种压力下吸附杂质提纯氢气、减压下解吸杂质使吸附剂再生的循环便是变压吸附过程。

1.2 压缩

      压缩工序是合成氨系统的心脏部分，压缩机是合成氨生产的关键设备。目前，国内外大中型合成氨厂的压缩大多采用离心式和往复式压缩机。离心式压缩机具有以下诸多优点：(1)通气量大而连续、运转平稳；(2)机组外型尺寸小、重量轻、占地面积少；(3)易损部件少、维修工作量小、运转率高；(4)可用汽轮机驱动，省去能量转化损失；(5)机体内不需要润滑，气体不会被油污染；易实现自动控制。因此本项目压缩采用离心式压缩机。

1.3 氨合成

      对于氨合成来说，需在高温高压下反应，传统的反应压力为31.4、22.0MPa，近年来15MPa合成压力的氨合成装置已在一 些中大型氨厂运行。氨合成反应是一个体积缩小的反应，提高压力有利于反应向生成氨的方向进行，而且反应速度随着压力的提高而增大。通常氨合成压力选择应根据能量的消耗(即氮氢气的压缩功耗、循环气的压缩功耗和冷冻系统的压缩功耗)、基建投资及运行成本而定。合成的压力高则压缩功高，但有利于反应平衡，设备相对缩小。合成的压力低压缩功相对低，但设备相对增大。压力高低各有利弊。本方案按 15.0MPa氨合成设计，选用先进可靠、技术成熟的GC型轴径向合成塔内件及与之相配套的高效分离系统内件、后置式废热锅炉热回收系统。具有塔阻力小，氨净值高，使用寿命长，操作稳定简单，运行费用低的特点。设置废热锅炉及软水加热器回收反应热，副产蒸汽。

2 工艺流程简述

      根据企业提供的有关数据，甲醇驰放气的工艺参数为5.0 MPaG、40℃，其主要成分如表 1所示。

鉴于驰放气自身的气体组成以及氨合成气的成分要求，确定以下工艺生产路线：

      来自甲醇的驰放气，经过减压装置，将压力控制在3.6MPa，进入洗涤塔对气体中的驰放气喷淋洗涤，在脱除甲醇的同时将气体降温，温度得以稳定。洗涤后的驰放气经过气液分离器，分离游离水后进入变压吸附装置脱除杂质气体。无游离水的驰放气进入进入变压吸附塔。先经过塔底的氧化铝脱除混合气中的饱和水后，用活性炭吸附二氧化碳，再经过分子筛脱除氮气、一氧化碳等杂质气体，每台吸附塔在不同时间依次经历吸附、多级压力均衡降、顺放、逆放、冲洗、多级压力均衡升、最终升压等步骤制得合成氨所需的H₂原料。其中逆放步骤排出吸附的部分杂质组分，剩余的大部分杂质通过冲洗步骤进一步完全解吸，解吸气主要成分为CO和CH₄，经过解吸气缓冲罐和混合罐稳压后送甲醇装置燃料气管网，可作为甲醇加热炉和锅炉用燃料。

       空分装置送出的氮气经过氮气压缩机增压到 3.6MPa，进入原料气精制工序。取少量(约50m³ /h)的氢气和氮气经混合器充分混匀后，通过1台电加热器把混合气加热到80℃，进人脱氧器中，在催化剂的作用下，氢和氧反应生成水，从而脱除其中微量的氧气。然后再与PSA制氢装置的氢气混合，进人干燥系统脱除其中的水分至<2×10^-6，经过压缩到15MPa后，进人合成氨工序。

  来自合成气压缩机的15MPa的气体进人热气一气换热器，在该换热器中与来自锅炉给水预热器的出塔反应气通过热交换被加热到182℃。然后气体送往氨合成塔，在氨合成催化剂催化下进行反应，反应气(称为出塔气)从塔底引出，气体中氨的浓度约为22.1% (V)。反应气通过产生3.9MPa (G)饱和蒸汽方式回收反应热后送往第一水冷器，在这里气体被循环冷却水冷却冷凝，大部分气氨被冷凝成为液氨。之后再进人冷气-气换热器，用自氨分离器来的冷循环气在这里进行冷却。出冷气一气换热器的反应气体随后送往第二水冷器，再依次进人第一氨冷器和第二氨冷器，在这里被用氨冷冻工段提供的液氨的蒸发冷却到-4℃，发生进一步的氨冷凝。最终进人高压氨分离器。

从分离器中的合成气分理处液体氨，循环气通过冷气-气换热器从6℃加热到35℃进入合成气压缩机循环段的吸入口。

      来自分离器的液氨经减压，进入到低压氨分离器，在此液氨释放出溶解的氮氢气称为贮罐气，并得到最终产品液氨输送到界区外氨库。

其工艺流程方框图如图 1所示。

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