合成氨原料气节能净化技术简介
章有虎，陈环琴，吴小飞
(杭州中泰深冷技术股份有限公司，浙江 富阳311402）
［摘 要］在分析传统合成氨工艺中原料气净化工艺流程的基础上，对合成氨净化工序提出以下节能净化技术：优化分子筛再生系统流程，即增加第三换热器，实现分子筛再生系统的节能改造；增加一种合成氨原料气节能净化装置，用以回收原料气中的甲烷并减少弛放气的排放；增加一种低压液氮洗节能净化装置，使得在合成气压力低的情况下不需要补充液氮提供冷量。应用结果表明，上述净化技术可达到节能降耗、提产增效的目的。
［关键词］合成氨；分子筛节能再生系统；原料气节能净化装置；低压液氮洗节能净化装置
［中图分类号］ TQ 113.26+4.3 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2016）
合成氨工业是化工行业的能耗大户，能源费用是其生产成本中的重要组成部分［1］。目前，节能降耗成为合成氨技术发展的主要趋势之一，合成氨厂已向规模化、大型化发展［2］，随着合成氨技术的发展和完善，大型合成氨装置的改进成为关键。
、净化、压缩和合成等。合成氨原料气的制备、净化以及合成气压缩等工序是装置节能降耗改造的重要环节。本文主要针对合成氨原料气的净化装备改进进行分析，即通过分析相关工艺装备技术水平以及能耗状况，对合成氨原料气净化系统进行优化改进，以达到合成氨装置节能降耗的目的。
1 分子筛再生节能系统
分子筛系统是合成气净化工艺装备中重要的部分，合成气经过分子筛吸附后，其H2O、CO2和CH3OH含量显著下降，气体质量得到提高［2］。分子筛具有一定的吸附容量，采用合适的再生方法会延长其使用寿命。而分子筛的吸附是放热过程，脱附是吸热过程，低温有利于吸附，高温有利于脱附。温度转化再生法是其常用的分子筛再生方法，一般采用直接加热再生法，即采用热再生气直接加热分子筛［3］。但分子筛系统通常采用外部热源和冷源来控制氮气温度以对分子筛进行温度控制，需要对流程中每个换热器都配置外部热源和冷源，这势必会造成能耗较高。
传统的分子筛再生工艺系统需要配置2台换热器，且换热器需要额外配置外部热源或冷源，其工艺流程见图1。30～50 ℃低温低压氮气在第一换热器中经外部热源加热至200～220 ℃后进入分子筛吸附器，完成分子筛再生；接着高温低压氮气进入第二换热器中，经外部冷源冷却至30～50 ℃后流出。额外配置的外部热源和冷源会在一定程度上增大能耗，但通过改进，增加1台换热器，即第三换热器（该换热器无需配置外部热源或冷源），使完成再生的高温氮气和低温氮气在第三换热器中进行热量交换，达到各自所需的温度，从而实现节能的目的。
图1传统分子筛再生系统
第三换热器的安装位置见图2。第三换热器的高温氮气出口与第一换热器的低温氮气入口相连，第一换热器出口与分子筛吸附器入口相连，分子筛吸附器出口与第三换热器高温氮气入口相连，第三换热器低温氮气出口与第二换热器入口相连。其流程为：30～50 ℃低温低压氮气入第三换热器内，被经过分子筛吸附器的高温氮气加热至160～180 ℃；之后160～180 ℃的低压氮气再入第一换热器，与高压蒸汽进行换热，被加热到200～220 ℃后进入分子筛吸附器中，经分子筛再生后，180～220 ℃的低压氮气出吸附器，进入第三换热器，与30～50 ℃的低温低压氮气换热，被冷却至50～70 ℃；50～70 ℃氮气再进入第二换热器，被外部冷源冷却为30～50 ℃的低温低压氮气。这样，进入到第一换热器中需要加热的低温氮气温度提至160～180 ℃，而进入第二换热器中需要冷却的高温氮气温度降至50～70 ℃，系统所需的外部热源和冷源就会相应减少，而增设的第三换热器并不需要配置外部热源和冷源，此改进方案简单且节能效果明显。
图2改进后分子筛再生节能系统
2 合成氨原料气节能净化装置
氨合成反应需要高纯度的H2和N2。无论是以煤或焦炭还是烃类为原料，获得的原料气都含有CO、CO2、CH4、Ar及硫化物等不利于合成反应的成分，原料气净化就是将这些成分除去。净化工艺有很多种且也比较成熟［4-5］。通过对净化工艺设备进行改进，可达到节能减排的目的。
传统的气头合成氨流程为：原料经一段炉转化、二段炉转化、CO变换、甲烷化、干燥后进入压缩单元，然后在高压合成单元实现合成。但经过预处理的原料气中仍含有少量的CH4和Ar，这些物质并不参与氨合成反应，且随着CH4和Ar的积累，使得N2和H2的含量相对降低，从而影响合成速率和转换率。一般采用深冷布朗工艺将原料气中的大部分CH4和Ar除去，以保证H2的分压［6］。然而，在布朗工艺中，从原料气中除去的CH4、N2、Ar一起被作为尾气放掉，没有进行回收，那么对原料气中CH4的回收将成为节能改造的突破口。
合成氨原料气节能净化装置见图3。装置针对甲烷化后的原料气进行净化，包括预冷换热器、深冷换热器、脱甲烷塔、甲烷回收塔、循环氮气压缩机和氮气膨胀机。
图3合成氨原料气节能净化装置
甲烷化后的原料气经预冷换热器降温到一定程度，再由深冷换热器降至低温，然后入脱甲烷塔中，除去大部分CH4和Ar，脱甲烷塔中的釜液经节流减压后进入甲烷回收塔，实现CH4的回收。经循环氮气压缩机增压后的高压N2在预冷换热器中冷却到一定温度后抽出一股，进入氮气膨胀机膨胀制冷，膨胀后N2进入深冷换热器低压氮气出口管路中；剩余的高压N2经预冷换热器冷却后由深冷换热器继续冷却到低温，再分为两股，分别节流减压进入脱甲烷塔和甲烷回收塔（操作压力为200～800 kPa）的塔顶冷凝器中进行蒸发并提供低温（冷量）。脱甲烷塔塔顶冷凝器中蒸发的N2返回深冷换热器复热，然后和膨胀机膨胀制冷后的N2一起进入预冷换热器进行复热，再入循环氮气压缩机，增压并冷却后又返回预冷换热器继续降温，形成氮气制冷循环。
改进后的合成氨原料气净化方法回收了原料气中的CH4，联产LNG增加了产值；此外，有效地减少了氨合成工序的弛放气排放量，使得产率增加，能耗降低，从而达到节能的目的。
3 低压液氮洗节能净化装置
更多内容详见《中氮肥》2016年第1期