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无动力氨回收技术的新进展及其应用点击：1913 日期：[ 2014-04-26 21:39:57 ] |
| 无动力氨回收技术的新进展及其应用 任小坤 张 武 (中国科学院理化技术研究所,北京科瑞赛斯气体液化技术有限公司,北京 100080) 摘 要:无动力氨回收技术采用低温分离方法,利用尾气自身所带压力膨胀制冷,弛放气通过换热器逐级冷却分离出液氨。论述了无动力氨回收技术在流程、设备、工艺设计等方面的研究和进展,总结了该技术近期在工程中的应用效果。 关键词:无动力氨回收技术;低温分离;技术进展;应用 中图分类号:TQ441. 41 文献标识码: B 文章编号:1004-8901(2007)027-0049-03 在合成氨生产过程中,生成的氨与合成气混合在一起,经过冷却、分离后,液氨与溶于其中的不凝气一起减压进入液氨贮槽系统。在减压过程中,大量不凝气(甲烷、氢气、氮气及少量惰性气体)和部分气氨闪蒸出来,形成弛放气。采用传统的等压水洗吸收法回收氨,存在诸多弊端,氨回收效果差,耗水量大,且回收的氨水不易处理,经济效益较差等。中科院理化技术研究所采用低温分离的方法,开发出无动力氨回收技术,已在四川美丰化工等厂家成功应用,运行状况良好,系统操作稳定,氨回收率高,取得了良好的经济效益和社会效益[1]。笔者拟将无动力氨回收技术的最新进展和应用情况作简要介绍。 1·无动力氨回收技术概述 弛放气的主要成分是氨、甲烷、氢气、氮气、氩气等,其中氨的沸点最高,其次为甲烷、氩、氮、氢,若采用低温分离的方法回收利用,则在系统降温的过程中,氨将首先被液化并分离出来。无动力氨回收技术利用尾气自身所带压力膨胀制冷,弛放气通过换热器逐级冷却分离出液氨,若冷量不够则需将回收的液氨减压送入换热器蒸发换热,为系统提供更多的冷量[2, 3]。该无动力氨回收装置回收的氨产品纯度体积分数可达99%以上,分氨后的尾气残余氨含量可根据用户条件的不同而有所差异,一般低于2%。若用户条件较好,有其他可利用的带压力的气体去膨胀机参加膨胀制冷,则系统冷量充足,尾气中残余氨含量可低于1%。例如四川美丰、山西永济等地化肥厂将膜提氢尾气送入膨胀机膨胀制冷,残余氨含量均可小于1%。在装置运行最佳状态下,美丰厂的残氨含量为0. 2%,永济厂则为0. 48%,原因是美丰可利用的提氢尾气量很大。例如某化肥厂有储罐弛放气2 000 m3/h,氨含量40%,设计回收的氨量约为606. 7 kg/h,出系统尾气中残余氨含量小于1% (约0. 6% )。 (1)膜提氢尾气为2 000m3/h 此时气态氨约为371 kg/h,纯度大于99%,压力约0. 3MPa(G);液态氨约为235. 7 kg/h,纯度大于99%,压力约为1. 7MPa(G)。 (2)膜提氢尾气为3 000m3/h 此时气态氨约为294. 9 kg/h,纯度大于99%,压力约0. 3 MPa(G);液态氨约为311. 8 kg/h,纯度大于99%,压力约1. 7MPa(G)。 (3)膜提氢尾气为4 000m3/h 此时气态氨约为209. 5 kg/h,纯度大于99%,压力约0. 3 MPa(G);液态氨约为397. 2kg/h,纯度大于99%,压力约1. 7MPa(G)。 膜提氢尾气(非渗透气)可由目前的压力提高到2. 5MPa,不会影响提氢的效果。随着气量增加,液态氨量增加,反之则减少;在气量不变的情况下,气态氨的压力降低,液态氨量增加,反之则减少;在氨罐弛放气量和提氢尾气气量均不变的情况下,氨罐气氨含量降低,液氨量减少,气氨量增加。上述条件得不到满足时,分氨尾气中残余氨含量会升高。 2·无动力回收技术的新进展 2.1 流程设计日臻完善 不同的化肥企业,其产品结构、工艺流程以及操作习惯等都存在着差异,如弛放气的流量、压力,氨含量的高低,有无膜提氢尾气(非渗透气)可利用以及有无变压吸附装置等等。针对这些情况笔者采取了以下措施。 (1)直接与用户沟通,在了解了用户的具体参数后,通过计算机模拟计算,确定具体的、适合于各个用户的流程方案和各参数点的数值,如分离器的个数和大小、换热器的个数、通道数及各通道进出口的参数,各单元及整个系统的热量平衡等等。由于模拟计算的结果基本能准确反映实际生产情况,为现场的调试运行提供了依据。 (2)根据已运行设备的实际运行参数,验算和修正设计参数,为今后的设计积累了大量的基础资料。目前中科院理化所针对不同用户条件和要求开发出10项流程:①单纯储罐弛放气无动力氨回收流程;②单纯储罐弛放气微动力氨回收流程;③储罐弛放气加提氢尾气无动力低压气氨回收流程;④储罐弛放气加提氢尾气无动力低压气氨加高压液氨回收流程;⑤储罐弛放气加提氢尾气无动力高压液氨回收流程;⑥储罐弛放气加提氢尾气微动力高压液氨回收流程;⑦储罐弛放气加合成放空气无动力氨回收流程;⑧储罐弛放气加合成放空气微动力氨回收流程;⑨储罐弛放气加合成放空气加脱碳闪蒸气无动力氨回收流程;⑩储罐弛放气加脱碳闪蒸气无动力氨回收流程。以上各种流程均是根据用户条件不同,对回收氨的要求不同而供选择的不同流程方案。 2.2 膨胀机设计更加合理 膨胀机是无动力氨回收装置的“心脏”,是为系统提供冷量的主要设备。膨胀机在气量、膨胀比一定的情况下,效率的高低直接影响到制冷量的大小。气体轴承透平膨胀机的转子系统悬浮在气体形成的气膜之间,与轴承没有直接的接触,所以在正常运转过程中没有磨损,轴承使用寿命长。通常的气体轴承透平膨胀机直接应用在氨回收系统时效率低下,针对弛放气混合气体的特殊性,中科院理化所通过气体轴承气动力学计算,对气体轴承结构进行改进,并通过热力学计算结果对膨胀机通流部分进行了修正,使膨胀机完全适合于弛放气的特点,运行更加稳定,效率完全符合流程设计要求。 2.3 工艺设计不断完善 (1)通过对无动力氨回收装置的安装、调试和运行中积累的实际经验,进而对工艺设计不断完善。考虑到用户储罐弛放气气量的波动,而膜提氢尾气量往往不足,故在流程布置上采用一大一小2组膨胀机,以适应工况的改变,使得装置操作弹性更加充分。 (2)经过对气液分离器放液阀进行多项改进,使之既能保证放液平顺,又可防止污堵现象。 (3)对气液分离器内部作了特殊设计,以达到既保证阻力足够小,又能有效拦截液体氨的目的。 3·生产应用情况 截止到2007年1月,中科院理化所开发的无动力氨回收技术在全国范围内已经成功应用了十余套,还有几套装置正在调试或制造中。以山西永济中农化工有限公司和云南通海化工有限公司的无动力氨回收装置为例, 2家均有膜分离回收氢系统,故将膜分离后的非渗透气(解析气)送往氨回收系统,利用其2. 0~2. 6MPa的压力膨胀制冷,给系统提供更多的冷量。 (1)山西永济中农化工有限公司无动力氨回收装置的设计参数为:弛放气量800~1 000 m3/h,压力2. 2~2. 4MPa,解析气量350~600 m3/h,压力2. 0~2. 5MPa。实际运行时由于弛放气气量较小,未达到设计值,故只运行2组膨胀机中的1组。解析气和分氨尾气混合后进入膨胀机,共同膨胀制冷。运行时发现,由于工厂白天经常从氨储罐排放液氨,导致弛放气和解析气压力不稳,在1. 0~2. 3MPa之间波动,但氨回收系统运行比较正常,说明该系统弹性较大。夜间系统压力稳定,运行状况良好。目前,最后一级换热器冷端出口温度控制在-60~-65℃之间,弛放气分氨后尾气中残余氨含量体积分数在0. 5% ~1%之间,回收的氨量为3. 1~4. 4 t/d。 (2)云南通海化工有限责任公司的弛放气来源于氨罐、氨库和槽车3股气流,设计参数为:弛放气量250~500 m3/h,压力不低于1. 0 MPa,解析气量300~400 m3/h,压力2. 2~2. 5MPa。由于弛放气来源不一,且存在频繁排放液氨等问题,弛放气的气量很不稳定,氨含量在20% ~85%之间波动。为保证系统运行的稳定性,采取将解析气引入膨胀机制冷的改进措施。由于解析气相的气量大于弛放气量,膨胀后提供的冷量足以保证系统较好地将弛放气中的氨液化分离。目前弛放气分氨后尾气中残余氨含量控制在0. 4% ~1. 5%。 4 结语 (1)无动力氨回收系统与传统的氨回收系统相比,具有节能、环保、投资小、见效快的优势,拥有非常广阔的前景。 (2)无动力氨回收系统主要是针对弛放气中的氨回收,而塔后放空气中的氨也可采用低温分离的方法处理。目前该项研究工作正在积极开展,并且取得了初步进展。 (3)目前,中科院理化技术研究所的主要研究方向为:①气体轴承透平膨胀机的改进与完善以及增压透平膨胀机和油轴承膨胀机的研制;②天然气、煤层气的分离与液化研究;③无动力氨回收技术的研究;④焦炉煤气的回收与利用;⑤其他各种工业尾气、废气的分离回收利用。如何科学地将低温技术应用在化工领域,创造出更多的社会价值,是科技人员面临的任务,也是今后低温分离技术发展的方向。 参考文献: [1]郑必超,蒲坚.无动力氨回收工艺的应用[J].小氮肥,2006,34(3). [2]张武,王文川,杨中维,等.无动力氨回收技术简介[J].化肥工业, 2006, 33(1). [3]张武.无动力氨回收及低温技术在氮肥行业的应用[J].氮肥与甲醇, 2006, (1). |
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