无动力氨回收技术的新进展及新应用

无动力氨回收技术的新进展及新应用

0 背景

在合成氨生产过程中，生成的氨与合成气混在一起，经冷却、分离后，液氨与溶在其中的不凝气一同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、氮气及少量的惰性气体) 和部分气氨闪蒸出来，形成弛放气。采用传统的等压水水洗吸收法回收氨，存在诸多弊端，如氨回收效果差，耗水量大，且回收到的氨水不易处理，经济效益较差等。

中国科学院理化技术研究所低温系统关键技术组采用低温分离的方法，开发出无动力氨回收技术，并在四川美丰化工等厂家成功应用，运行状况良好，系统稳定，氨提取率高，取得了良好的经济效益和社会效益。

1 无动力氨回收技术的新进展

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，则在系统降温的过程中，氨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，若冷量不够则需要将回收到的液氨减压去换热器蒸发换热，为系统提供更多的冷量。该无动力氨回收装置回收到的氨产品纯度可达99％以上，分氨后的尾气残余氨含量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，比如有其它可以利用的带压力的气体去到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保证低于1％，例如四川美丰、山西永济等地将膜提氢尾气送到膨胀机膨胀制冷，残余氨含量均可小于1％，美丰运行最佳状态残氨含量0.2％，永济则为0.48％，原因是美丰可利用的提氢尾气量很大。

举例来说，某化肥厂有储罐弛放气2000Nm 3／h ，氨含量40％，我们的设计是：回收到的氨约为606.7 kg／h ，出系统尾气中残余氨含量小于1％(约0.6％) 。其中：

当膜提氢尾气2000Nm 3／h 时：气态氨约为371kg ／h ，纯度大于99％，压力约0.3MPa(g)；液态氨约为235.7kg ／h ，纯度大于99％，压力约1.7MPa(g)。

当膜提氢尾气3000Nm 3／h 时：气态氨约为294.9kg/h，纯度大于99％，压力约0.3MPa(g)；液态氨约为311.8kg ／h ，纯度大于99％，压力约1.7MPa(g)。

当膜提氢尾气4000Nm 3／h 时：气态氨约为209.5kg ／h ，纯度大于99％，压力约0.3MPa(9)；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) 的压力可以由目前的压力提高到2.5MPa ，不会影响提氢的效果。该部分气量增加，液态氨量增加，反之减小；在该气量不变的情况下，气态氨的压力降低，液态氨量增加，反之减小；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，液氨量减小，气氨量增加。 当上述条件不满足时，分氨尾气中残余氨含量会升高。

随着工程实践经验的不断丰富和科研人员的不断努力，目前无动力氨回收技术又取得了较大进步，不断的完善，主要表现在以下几个方面：

(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) 可以利用以及有无变压吸附装置等等。针对这些情况，我们首先要经过详细的调研，和用户直接沟通，在了解了用户的具体参数后，通过计算机做模拟计算，以便确定具体的、适合于该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质平衡，等等。尽量做到模拟计算的结

果能准确反映实际情况，为现场的调试运行提供依据。同时我们还跟踪已运行设备的实际运行参数，反过来修正设计参数，为今后的设计积累了大量的基础资料。

目前我们开发的针对不同用户条件、要求的流程有：

单纯储罐弛放气无动力氨回收流程；

单纯储罐弛放气微动力氨回收流程；

储罐弛放气加提氢尾气无动力低压气氨回收流程；

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；

储罐弛放气加提氢尾气无动力高压液氨回收流程；

储罐弛放气加提氢尾气微动力高压液氨回收流程；

储罐弛放气加合成放空气无动力氨回收流程；

储罐弛放气加合成放空气微动力氨回收流程；

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；

储罐弛放气加脱碳闪蒸气无动力氨回收流程；等等。

以上各种流程根据用户处条件不同，对回收到的氨要求不同而选用不同的流程方案，以上流程工艺已经申请国家专利保护。

(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产冷量的大小。中国科学院理化技术研究所低温系统关键技术组在气体轴承透平膨胀机的研制和生产方面有着很长的历史，是我国最早开展气体轴承透平膨胀机研究和生产的单位之一。气体轴承透平膨胀机，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效率低下，针对弛放气这种混合气体的特殊性，我们通过气体轴承气动力学计算，在气体轴承结构上作了很大改进；热力学计算结果对膨胀机通流部分的修正，使得膨胀机完全适合弛放气的特点，运行更加稳定，效率完全符合流程设计要求。在四川美丰运行的无动力氨回收装置自去年投运以来，经过多次启停车操作，膨胀机运行非常平稳。

(3)工艺设计不断完善，调试水平不断提高。通过对前几套无动力氨回收装置的安装、调试。运行，我们积累了大量的实际经验，从而工艺设计不断完善。考虑到用户处储罐弛放气气量的波动，而膜提氢尾气量往往不足，我们在流程布置上选用一大一小两组膨胀机以适应工况的改变，使得装置操作弹性足够大，气液分离器放液阀经过反复试验，做了很大改进，既要保证放液平顺，又要防止污堵。气液分离器内部也作了特殊设计，既保证阻力足够小，同时又能有效拦截液体氨。

2 无动力氨回收技术的最新应用情况

继美丰集团绵阳分公司无动力氨回收装置成功投运以来，最近又有两套正常投产的氨回收装置，分别是山西永济中农化工有限公司和云南通海化工有限公司。两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(见图1) 的设计参数为：弛放气量800～1000 Nm3/h，压力2.2～2.4MPa ；解析气量350～600Nm 3/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，故只运行两组膨胀机中的一组。解析气和分氨尾气混合后进入膨胀机，共同膨胀制冷。运行时发现由于白天厂内经常从氨储罐排放液氨，导致弛放气和解析气压力不稳，在1.0～2.3 MPa(表压) 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在0.5％～1％之间，回收到的氨为每天3.1～4.4t 。

(2)云南通海化工有限责任公司的弛放气来源于氨罐、氨库和槽车三股气流，设计参数为：弛放气量250～500Nm 3／h ，压力不低于1.0MPa(表压) ；解析气量300～400Nm 3／h ，压力 2.2～2.5MPa(表压) 。由于弛放气来源不一，且同样存在频繁排放液氨等问题，运行过程中发现，弛放气的气量很不稳定，且氨含量在20％～85％之间波动。为保证系统运行的稳定性，故只将解析气引入膨胀机制冷。由于解析气相对于弛放气来说，气量较大，膨胀后提供的冷量可以保证系统较好的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％之间。

3 前景与展望

无动力氨回收系统节能、环保、投资小、见效快，与传统的氨回收系统相比，有着不可比拟的优势，拥有非常广阔的前景。另外，无动力氨回收系统主要针对弛放气中的氨回收，对于塔后放空气中的氨也可用低温分离的方法处理，目前本课题组也在积极开展这项工作，并且取得了初步进展。总之，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，是我们面临的一个任务，也是今后我们发展的一个方向。