合成氨馳放氣氫氣回收改造運行分析

吳貴兵

（安徽華爾泰化工股份有限公司，安徽東至 247260）

合成氨生產(chǎn)中的技術革新綜合利用和節(jié)能降耗是當前小氮肥立足的關鍵所在，尤其是安全環(huán)保的高壓態(tài)勢下，要做到不碰紅線守住底線的情況下把節(jié)能降耗、綜合利用有效的落實，提高產(chǎn)量、降低成本已成為一種共識。

我公司合成氨氨貯槽馳放氣處理現(xiàn)行是將高效低溫等壓氨回收裝置吸氨后的尾氣送到三廢爐燃燒。吸收后的氣體中氫約占55%，送入三廢爐燃燒既造成資源浪費又因為熱值高影響三廢爐的操作。因此，對合成氨馳放氣中的氫氣進行有效回收，具有重大的現(xiàn)實意義，實現(xiàn)安全環(huán)保經(jīng)濟共贏。

1 改造前

馳放氣經(jīng)高效低溫等壓氨回收裝置吸氨后的尾氣，通過計量與檢測分析，馳放氣經(jīng)氨回收后的氣體工況如表1所示。

表1 馳放氣經(jīng)氨回收后的氣體工況

從以上數(shù)據(jù)來看，馳放氣雖經(jīng)高效低溫等壓氨回收裝置吸氨后，但尾氣中氫氣含量較高，直接送入三廢爐中燃燒造成很大的資源浪費，對氫氣進行必要回收價值高，利于增效。同時回收的氫氣與我公司甲醛生產(chǎn)中的尾氣回收(大量N2）能有效穩(wěn)定整個合成氨系統(tǒng)，便于整個系統(tǒng)的循環(huán)氫調(diào)節(jié)。另外，馳放氣經(jīng)氫回收后，尾氣的熱值降低，便于三廢爐的調(diào)控操作，避免了超溫難控。

2 技改實施說明

2.1 技改流程圖

技改流程見圖1。

圖1 技改流程圖

2.2 工藝流程簡述

膜法氫氣回收技術是利用特殊制造的膜與原料氣接觸，在膜兩側(cè)壓差驅(qū)動下，氣體分子透過膜的速率不同，滲透率快的氣體在滲透側(cè)富集，而滲透速率較慢的氣體則在原料側(cè)富集，從而達到氫氣回收的目的。在此系統(tǒng)中，利用的就是特殊制造的膜與低溫等壓氨回收裝置的尾氣，除去尾氣中的雜質(zhì)氣體從而將氫氣分離出來，提取的氫氣濃度大于80%，送往合成氨系統(tǒng)再利用。

應用此技術，在原馳放氣回收系統(tǒng)中增加一套低壓膜提氫裝置。氨貯槽馳放氣經(jīng)高效低溫等壓氨回收裝置處理后除去馳放氣中大量的氨，經(jīng)等壓氨回收后的馳放氣作為系統(tǒng)原料氣，以30℃左右和1.2MPa的壓力經(jīng)調(diào)節(jié)閥進入膜分離氫氣回收裝置。氫氣回收的工藝流程分為兩個基本過程：①馳放氣的預處理過程，包括氣液分離、預熱及預放空。馳放氣經(jīng)吸收氨后先進入氣液分離器將夾帶的霧滴除去，再進入過濾器，將氣體中夾帶的微小霧滴及粉塵雜質(zhì)除去，潔凈的原料氣送加熱器加熱到50℃左右，以保證進膜前的氣體遠離露點，否則冷凝下來的液滴會在膜分離器的纖維表面冷凝，導致回收率降低，甚至對膜造成損害。最后送入膜分離器組進行氫分離。②馳放氣的膜分離過程，原料氣進入膜分離器后，在恒定壓差的作用下，氫氣以較快的速率透過纖維膜，形成高濃度的氫從膜分離器側(cè)面輸出，稱為滲透氣，送入到合成氨系統(tǒng)一進總管供生產(chǎn)利用，而含有大量甲烷和部分未被回收氫氣的尾氣由調(diào)節(jié)閥減壓后作為燃料氣送入三廢爐，此套裝置中設置相關連鎖能保障安全運行。

2.3 開停車操作

預處理開車，系統(tǒng)用氮氣吹掃置換合格后，準備開車，步驟如下：①確認與外界接口的管線聯(lián)通且閥門開啟； ②檢查壓縮空氣管線，確保儀表用氣，儀表氣源壓力≥0.4MPa； ③確認氮氣進口閥門保持關閉； ④關閉所有管線手動閥門和自動閥門； ⑤確認儀表的切斷閥都已打開； ⑥確認處于膜分離器入口的閥門都是關閉狀態(tài)； ⑦打開蒸汽進口閥，疏水閥前后閥門，引蒸汽入裝置；⑧ 在控制室電腦上點擊系統(tǒng)運行按鈕；⑨ 現(xiàn)場稍開原料氣進氣閥，用調(diào)節(jié)閥對預處理部分升壓，控制升壓速率不超過0.3MPa/min，升壓完成后全開手動閥和調(diào)節(jié)閥，再稍開預處理放空閥，建立流量便于調(diào)節(jié)溫度；⑩對預處理升溫通過給定設定值或閥位來調(diào)控溫度，要較小幅度逐步增加，以免系統(tǒng)超溫；?檢查所有設備及儀表疏水閥工作是否正常，分離器是否有液位，如有則需及時排放，并注意凝液的速度；?在控制室電腦上注意觀察升溫和升壓情況，及時調(diào)控；?調(diào)節(jié)預處理放空閥的開度，建立原料氣流量；?待預處理部分壓力建立起來，并且溫度壓達到了設計要求，通過取樣分析進膜前氣體中氨含量（＜10×10-6）。

膜分離器開車，尤其要注意開車及投運期間，必須避免對膜分離器快速升壓或流量驟增。膜分離器的原料氣中氨含量超標，或在溫度、壓力高于限定值時工作，可對膜分離器造成損壞，要高度重視。當預處理開車成功后，可以準備膜分離器的運行，操作步驟如下：①打開膜前檢驗閥，排掉預處理放空管前、可能閥門內(nèi)漏進入膜前的不合格氣體，排盡后關閉；②打開膜前分離器前后閥門（開車時根據(jù)實際的氣量決定開幾組膜分離器）；③緩慢打開進膜副線閥，給膜分離器逐步升壓，方法同預處理部分升壓。觀察膜前壓力，控制升壓速率不要超過0.3MPa/min；④當膜內(nèi)壓力升至與預處理壓力一致時，緩慢打開主線閥，關閉副線閥，如壓力升不起來，則稍關預處理放空閥；⑤再緩慢打開滲透氣出口閥門，送富氫氣出界區(qū)；⑥現(xiàn)場打開尾氣手動閥，將尾氣調(diào)節(jié)閥置于較小開度位置，逐步調(diào)節(jié)尾氣調(diào)節(jié)閥的開度，緩慢關閉膜前放空閥，在此過程中注意觀察膜前壓力控制是否穩(wěn)定，防止壓力突升對膜分離器造成損害；⑦當氣體全部切換至膜分離器，調(diào)整相關調(diào)節(jié)閥的設定值及開度至希望的原料氣流量；⑧運行時可調(diào)整膜前壓力及加熱溫度的設定值，使其滿足通過滲透后的氫氣純度及氫氣回收率的要求，取樣分析膜分離器前的原料氣、滲透氣、尾氣、氨含量等，做好記錄；⑨根據(jù)實際情況，定時對過濾器排液；⑩當初始開車膜組投運少，需增開膜分離器時，確認需投運的膜分離器，稍開該分離器的入口閥，觀察膜內(nèi)壓力表控制升壓速率不要超過0.3MPa/min，壓力升至操作壓力后，緩慢開滲透氣閥，全開尾氣閥；?當初始開車膜組投運多，需減少膜分離器時，確認需投運的膜分離器，依次關閉膜組尾氣、滲透氣、原料氣閥門，隔離該膜分離器后通過取樣閥緩慢泄壓；?如需倒換膜分離器，則先開后關，具體步驟同上。

正常停車：①在控制室按下系統(tǒng)停車按鈕，此時相關自動調(diào)節(jié)閥會自動關閉，系統(tǒng)進入停車狀態(tài)；②關閉系統(tǒng)進出口總閥門、膜進口閥，最后關閉尾氣出口閥和滲透氣出口閥，切斷膜分離器并確認；③若短時間停車膜分離器內(nèi)可保有一定的壓力，重新運行裝置時，檢查各工藝指標符合要求后，按開車步驟開啟裝置即可；④若長時間停車，打開預處理放空閥，卸完壓力后關閉，打開滲透側(cè)放空閥，給膜分離器卸壓，注意卸壓要緩慢，完成后關閉滲透側(cè)放空閥；⑤關閉膜進出口根部閥門；⑥關閉蒸汽進口閥，打開蒸汽管線排水閥；⑦再次開車執(zhí)行開車步驟，一定要做好氨含量的檢測，指標合格方可切入膜分離器。

2.4 主要影響參數(shù)

膜前壓力、膜前溫度、尾氣調(diào)節(jié)閥閥位、原料氣流量、尾氣流量等。

2.5 聯(lián)鎖保護設置

針對主要控制參數(shù)設置安全聯(lián)鎖值。①馳放氣現(xiàn)運行壓力在1.17MPa，當氣溫高時有略微上漲，因此在進預處理系統(tǒng)前安裝調(diào)節(jié)閥來調(diào)控進膜壓力。通過設置進膜壓力聯(lián)鎖，設置壓力≤1.7MPa，當超過此壓力時調(diào)節(jié)閥關閉，可以根據(jù)壓力自動調(diào)控。②通過調(diào)節(jié)蒸汽流量來調(diào)控進膜的工藝氣體溫度。一般工藝氣進膜溫度設置在45℃，通過蒸汽調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)自動調(diào)控，聯(lián)鎖值設定為≤65℃。超溫時蒸汽自動切除?，F(xiàn)運行蒸汽調(diào)節(jié)閥開度最大為15%，耗蒸汽量非常小。③馳放氣進入預處理氣液分離器的液位聯(lián)鎖設置≤20%，防止帶液進膜，造成膜損壞。

2.6 正常操作要點

①不能超壓差，不能倒壓差、超溫，氨水和帶氨的氣體及其他腐蝕性氣體絕對不能進膜分離器；②要掌握正確的開停車操作程序，把裝置與合成、氨回收系統(tǒng)配合操作到最佳狀態(tài)；③壓力、液位、溫度三項指標中任何一項失控要立即停車，排除故障后才能開車；④要定時觀察氣液分離器是否帶水，發(fā)現(xiàn)非正常帶水，要查清原因，排除異常后才可開車投運；⑤要定時取樣分析原料氣和尾氣氨含量，超標要立即停車，查清原因，排除故障后才能開車；⑥在正常情況下，如發(fā)現(xiàn)尾氣流量大幅增加或為零，要立即停車（可能是流量儀表故障或者膜分離器帶氨水），如膜分離器帶氨水，要迅速把氨水排盡，并緩慢加溫把分離器烘干后繼續(xù)使用。

2.7 運行情況說明

通過實施改造投入運行，馳放氣進膜壓力基本在1.15～1.20MPa，馳放氣進氣量500m3/h（標）左右，因設計馳放氣處理量為1 500m3/h（標），且進膜壓力遠低于聯(lián)鎖值，所以進氣調(diào)節(jié)閥開度基本為100%。30℃左右的馳放氣在進膜前，通過蒸汽加熱器來調(diào)控溫度，現(xiàn)進膜運行指標設定在45℃左右，蒸汽調(diào)節(jié)閥開度在0%～15%，蒸汽耗量很小。通過設定的壓力及尾氣調(diào)節(jié)閥的閥位來調(diào)節(jié)氫回收率和滲透氣中的氫濃度。現(xiàn)運行尾氣流量在250m3（標）/h左右，尾氣調(diào)節(jié)閥閥位開度在50%，滲透氣量與氣質(zhì)較穩(wěn)定，通過對滲透氣氫含量的檢測基本在90%左右，收效很明顯。在運行操作中需要注意的是壓力、液位、溫度這三項指標任何一項失控，要立即停車處理?；蛘呶矚饬髁看蠓仍黾踊驗榱悖赡苁橇髁績x表故障或者膜前分離器帶氨水），也要立即停車，查明具體原因。同時要定時檢測原料氣以及尾氣的氨含量，超標要立即停車，嚴防造成膜的損壞。

2.8 投資與運行成本消耗

此裝置為成套設備，占地面積小，操作便捷，并且此膜分離氫回收裝置所需公用工程主要包括：電、蒸汽、儀表空氣、氮氣等，電主要用于儀表用電，蒸汽用來加熱原料氣，氮氣用于開車吹掃與檢修置換，儀表空氣用于現(xiàn)場儀表的操作與控制。測算消耗如表2所示。

表2 氫回收裝置物料消耗

該成套裝置購置費用以及加上安裝配管、儀表線纜等技改的相關成本，總投資不超過100萬元，且運行費用基本僅耗少許蒸汽。

3 運行小結(jié)

經(jīng)過改造后氫回收裝置順利投入運行。運行一個月后，隨機截取三個班的相關記錄和分析數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 氫回收運行數(shù)據(jù)(隨機調(diào)取時間段)

通過表3數(shù)據(jù)分析來看，該裝置回收的滲透氣中氫含量為89.6%，每天可回收氫氣量約為4 911m3，按照1 976m3氫折1t氨計，這樣每天可回收氫氣折氨約為4 911÷1 976≈2.5t。同時該裝置投用，優(yōu)化了甲醛尾氣回收帶來的影響以及降低馳放氣的熱值從而便于三廢爐的操作，使得合成氨生產(chǎn)整體趨于穩(wěn)定，消除了三廢爐因熱值過高造成溫度難控的操作弊端。創(chuàng)效方面，每天能回收氫折氨2.5t，全年折算氨將可回收2.5×360=900t，按氨售3 000元/t，這樣全年收益近270萬元，而投入改造費用不到100萬元，不到半年即可收回投資成本。

當前可能存在的弊端，當環(huán)境溫度高時，氨儲槽揮發(fā)量增大，增加了高效低溫等壓氨回收負荷，造成吸收后的氨水濃度高，或者受氨水銷售等影響迫使除鹽水泵的加水量減小，這些都可能造成馳放氣經(jīng)高效低溫等壓氨回收裝置后的尾氣中氨含量超標，影響膜的使用壽命。針對這種情況，日常加強對進膜氣的氨含量檢測，同時正在謀劃相關技術改造，增加氨洗，確保進膜氣的氣質(zhì)達標，從而保證低壓膜提氫裝置高效長周期的運行。