中空纤维膜分离氢回收装置在济南化肥厂的应用

济南盛源化肥有限责任公司通过实地考察，并结合合成氨系统的具体情况，2009年5月采用天邦膜技术国家工程研究中心有限责任公司膜分离技术，新上1套中空纤维膜分离装置——氢回收装置，用于回收、提纯合成氨吹出气中的氢气，使其重返合成系统，增产合成氨，降低能耗。

膜分离就是利用膜两侧气体的分压差为推动力，通过溶解—渗透—扩散—解吸等步骤，利用中空纤维膜对各种气体的选择透过性不同，达到分离目的。如氢气在膜表面的渗透速率是甲烷、氮气及氩气的几十倍，氢气进入每根中空纤维管、汇集后从膜分离器上口排出，非渗透气的尾气从膜分离器下口排出。

       吹出气经过调节阀减压至8～11 MPa后进入洗氨塔，与高压水泵打进的软水在填料层中逆流接触，气相中的氨被水吸收后变成氨水，由塔底排出；脱氨后的气体由塔顶排出后进入气液分离器，使水洗过程中产生的雾沫夹带得到分离；水洗的目的主要是净化吹出气，除掉气体中的氨，水洗后气体的氨含量应低于200×10-6；洗氨塔吸收过程是个放热物理化学过程，因此，塔底氨水温度较高，约60 ℃。

       塔顶排出来的气体通常在25 ℃左右，由于水洗过程气液两相平衡，使得塔顶出来的原料气中水含量处于饱和状态，在气液分离以后的管路及膜分离器中遇冷降温会出现水雾，进入膜分离器后会造成膜分离性能下降。因此，气液分离器排出来的气体必须经过加热处理。加热器为1套管式换热器，热源为0.5 MPa过热蒸汽。原料气在换热器中被加热到35～45 ℃，此时原料气中的水分远离露点，防止原料气进入膜分离器后产生水雾，影响分离效果。

       经过水洗、加热后的原料气送入膜分离器中进行分离，分离器组由3根中空纤维膜分离器组成，采用串联形式连接。每根分离器均可用阀门切断或接通，根据不同的处理量改变回收氢气的纯度和回收率。

       原料气进入膜分离器后，中空纤维膜对氢气有较高的选择性，使中空纤维膜内侧形成富氢区气流（称为渗透气），外侧形成了惰性气流（称为尾气）。渗透气回压缩三段重返合成系统，尾气供锅炉燃烧。原料气压力为8～11 MPa，渗透气压力为0.8 MPa。原料气与渗透气之间的压差保持在11 MPa以下。

2009年5月大修开车，膜分离装置投入运行。通过6个月的试运行，装置达到了预期的效果：入膜满负荷气量达1500 m3/h以上；入膜氨浓度未检出；一级膜渗透气氢浓度88%～95%，二级膜渗透气氢浓度达98%以上，三级膜渗透气氢浓度达99%以上；尾气中氢含量5.0%以下，CH4含量60%以上；氢回收率达90%以上。

由于受生产负荷的影响，近几个月氢回收装置未调至满负荷运行，根据生产负荷的变化，一般开用2根膜分离器串联生产，由尾气阀控制入膜气量，双膜串联生产时入膜气量为700～900 m3/h，渗透气氢含量在97%以上，氢回收率90%以上,能够满足当前生产的需要。

       根据当前生产负荷，入膜气量按900 m3/h、渗透气量500 m3/h、渗透气氢含量95%计算，则可回收氢气475 m3/h，相当于每天多产氨5.5 t；回收氨水0.6 m3/h, 平均浓度6%，则折氨为0.8 t/d；系统压力由26.5 MPa降至24.5 MPa，吨氨节电20 kW·h，电价按0.5元/ kW·h计算，1台高压水泵电耗为3.2 kW·h；蒸汽耗按1 t/d，150元/t计算；日产合成氨按最小负荷100 t，价格2000元/t计算，则在不多消耗煤的情况下，该装置每天至少可创经济效益1.3万元。膜分离装置总投资约80万元，2个月即可收回成本。该装置自动化程度高，操作简便，不增加操作人员，是一项投资少、见效快、收益大的项目。