郭泽兵，朱志国
（山西晋丰煤化工有限责任公司，山西 高平048000）
［摘 要］山西晋丰煤化工有限责任公司2×150 kt/a合成氨装置31.4 MPa氨合成系统弛放气经膜分离氢回收系统处理后，膜提氢尾气中H2含量较高，为降低膜提氢尾气中的H2含量，提高氢回收率，经分析与论证，决定实施膜提氢尾气回收改造——新增1台膜分离器（Φ273 mm×26 mm×3 947 mm）进一步处理2套膜分离氢回收系统尾气，回收的氢气送合成气压缩机二级入口，尾气送锅炉掺烧。本改造项目于2022年7月启动，历经方案编制、设备采购、施工安装及调试运行等阶段，2022年9月顺利完成并投运，改造后尾气中H2含量大致由17.7%～18.7%降至7.0%～7.7%，氢回收率显著提升，年可回收氢气约3 996 km3（标态），年增产液氨约1 998 t，年增产值约599.4万元，本改造项目的经济效益与环境效益俱佳。
［关键词］氨合成系统；弛放气膜分离氢回收系统；膜提氢尾气回收利用；改造方案；新增膜分离器；改造情况；改造效果；效益分析
［中图分类号］TQ028.1 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2026）04-0035-04
0 引 言
山西晋丰煤化工有限责任公司（简称山西晋丰）2×180 kt/a氨醇联产装置（2×150 kt/a合成氨、2×30 kt/a甲醇）主生产工艺为固定床常压间歇气化（Φ2 650 mm气化炉32台，目前正在实施12台纯氧连续气化炉替代技改项目，下游系统作相应的适应性改造）、半水煤气湿法脱硫、耐硫全低温变换、变换气湿式DSH脱硫+干式活性炭脱硫、NHD脱碳、醇烷化、31.4 MPa氨合成工艺，2套装置分别于2005年10月、2008年8月投产，总体运行状况较好。其中，2套氨合成系统弛放气设计流量约16 491 m3/h（标态，下同），弛放气经膜分离氢回收系统处理后，所产设计纯度92%的氢气返回合成气压缩机入口，尾气（设计组分H2 15.17%、N2 43.52%、CH4 41.31%）送锅炉掺烧；生产中，2套氨合成系统满负荷运行时弛放气实际流量约15 500 m3/h，回收氢气实际纯度约95%，膜提氢尾气实际组分大致为H2 18%～20%、N2 48%～50%、CH4 30%～32%，膜提氢尾气中的H2含量偏高，氢回收率有待提升。
为降低膜提氢尾气中的H2含量，提高氢回收率，从而提升资源利用率与企业经济效益，山西晋丰拟实施膜提氢尾气回收改造项目——新增1台膜分离器（Φ273 mm×26 mm×3 947 mm）进一步处理2套膜分离氢回收系统尾气，回收的H2送合成气压缩机二级入口，尾气则送锅炉掺烧副产蒸汽。本项目实施过程涵盖方案编制、材料申报、施工及调试等阶段，于2022年9月13日施工完成并投运，投运后膜提氢系统氢回收率显著提升，年可回收氢气约3 996 km3（标态，下同），年增产液氨约1 998 t，年增产值约599.4万元。以下对有关情况作一介绍。
1 背景情况
煤化工行业中，氢气作为一种重要的基础工业原料，其回收利用效率直接关系到企业的资源利用率与经济效益。膜提氢技术作为一种先进的气体分离方法，因其高效、节能的特点，在氢回收领域得到了广泛应用。然而，实际应用中，合成氨装置弛放气膜提氢尾气中仍含有一定量的氢气，若未能有效回收，不仅会造成资源浪费，还会增加企业的生产成本。
山西晋丰现有膜提氢系统尾气流量约3 000～4 000 m3/h、尾气H2含量约20%，尾气中仍存有大量未回收的氢气资源，具有较大的挖掘潜力。随着山西晋丰对资源利用效率要求的不断提高，以及市场竞争的加剧，如何有效回收尾气中的氢气成为亟待解决的问题。为此，山西晋丰决定实施膜提氢尾气回收改造项目，通过引入新的膜分离器及相关配套设施，优化工艺流程，以实现氢气资源的最大化利用，预期将膜提氢尾气中的H2含量由约20%降至8%以下。
2 膜提氢技术及膜提氢尾气回收改造案例
2.1 膜提氢技术原理
膜提氢技术是一种基于气体分子在膜材料中溶解与扩散速率差异实现氢气分离的高效分离方法。氢气因其较小的分子尺寸与较高的扩散系数，在聚合物膜中表现出较高的渗透性，而其他气体如甲烷、氮气等则渗透性较低，从而实现氢气与其他气体的分离。
膜提氢技术应用中常见的膜材料包括聚酰亚胺、聚砜、聚四氟乙烯等高分子材料，以及金属膜和陶瓷膜等无机材料。这些材料各具特点，如聚合物膜具有良好的柔韧性与成本优势，但其耐高温性与化学稳定性相对较差；无机膜则具备优异的耐高温性与耐腐蚀性，但制造成本较高。实际应用中，需根据具体工艺条件等选择合适的膜材料，以平衡膜分离性能与经济性。
2.2 尾气回收相关技术研究进展
近年来，国内外在尾气回收领域取得了显著的技术进步，尤其是在变压吸附（PSA）和膜分离技术应用方面。
PSA通过周期性改变吸附床的压力，利用吸附剂对不同气体组分的吸附能力差异而实现气体分离，其在煤化工、石油化工等领域得到了广泛应用，尤其是在氢气提纯和二氧化碳捕集方面表现出良好的性能，然而PSA技术也存在一定的局限性，如设备投资较高、能耗较大，且对原料气中杂质含量要求较为严格。相比之下，膜分离技术以其操作简单、能耗低、占地面积小等优势，逐渐成为尾气回收领域的重要选择之一。研究表明，膜分离技术在处理低浓度含H2尾气时具有较高的回收效率，但其分离的选择性受膜材料性能与操作条件的影响较大；此外，膜污染与老化问题也是制约系统长期稳定运行的关键因素。综合来看，PSA技术和膜分离技术各有千秋，实际应用中需根据具体工艺需求进行技术组合，以实现最佳的回收效果。
2.3 膜提氢尾气回收改造案例
膜提氢尾气回收利用方面，业内已有多家企业成功实施了有关项目，并取得了显著的经济效益与环境效益。例如，某煤化工企业通过对现有膜分离系统进行扩能改造，新增（串联）膜分离器并优化操作参数，成功将尾气中的H2含量由约20%降至8%以下，氢回收率提升约30%；另一煤化工企业通过引入新型膜材料并结合变压吸附技术，实现了对富氢尾气的深度回收，年创效益超过5 000万元。实践表明，膜提氢尾气回收改造的关键在于合理选择膜材料、优化工艺流程以及加强设备维护管理。
3 膜提氢尾气回收利用项目概况
3.1 改造方案
更多内容详见《中氮肥》2026年第4期