秦树青
（山西晋煤天源化工有限公司，山西 高平048400）
［摘 要］山西晋煤天源化工有限公司“40·60”项目近年来经挖潜改造，产品产能进一步提升，工业尾气量也明显增大，为了“吃干榨净，变废为宝”，于2018年10月—2019年11月对氨合成尾气排放系统实施了技改——新增塔后排放气膜提氢装置+塔后排放气PNG装置（形象地称为“糖葫芦”技改）、储槽气氢回收装置。简介氨合成尾气排放系统技改的实施背景及改造思路，着重介绍膜提氢装置、PNG装置、储槽气氢回收装置的技改情况及技改后的运行状况，并对改造效果及效益进行了分析。生产实践表明，通过实施氨合成尾气排放系统技改，不仅解决了合成氨工业尾气的回收利用和环境保护问题，而且为企业创造了良好的经济效益。
［关键词］氨合成系统尾气；“糖葫芦”技改；膜提氢装置；PNG装置；储槽气氢回收装置；改造效果；效益分析
［中图分类号］TQ113.28 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2020）06-0031-03
1 实施背景
山西晋煤天源化工有限公司（简称晋煤天源）于2004年成立，产品产能设计为2×180 kt/a合成氨、2×300 kt/a尿素，联产40 kt/a甲醇，其“40·60”项目（采用固定床煤气炉制气）于2006年3月建成投产。2015年合成氨装置进行节能挖潜改造，新增1套高压氨合成系统，合成氨产能由360 kt/a提高至450 kt/a，甲醇产能由40 kt/a提高至100 kt/a，尿素产能由600 kt/a提高至700 kt/a。目前晋煤天源共有3套氨合成系统，分别是初建的2套卡萨利氨合成系统（φ2 300 mm氨合成塔，氨合成系统压力14.2 MPa）和新建的1套南京国昌化工科技有限公司（简称南京国昌）开发的高压氨合成系统（φ1 600 mm氨合成塔，系统压力22.0 MPa）；高压氨合成系统包括醇烃化和氨合成系统，与原双甲（醇烷化）+氨合成系统并联，此举不仅提高了整套系统的生产能力，同时可以回收2套卡萨利氨合成系统排放气继续生产合成氨。
氨合成系统尾气包括高压系统塔后排放气和储槽气（液氨球罐气和中压氨分离器闪蒸气）。对于塔后排放气的回收，业内普遍采用水洗+膜分离氢回收装置回收其中的氨和氢气后送入三废混燃炉燃烧（副产蒸汽）；而储槽气一般压力较低，通常只进行水洗回收氨后直接送入三废混燃炉燃烧。目前晋煤天源高压系统塔后排放气量达20 000 m3/h，塔后排放气经水洗和膜分离［1#膜分离装置、2#膜分离装置，并联运行］后，尾气中的氢含量高达20%以上、甲烷含量达40%；氨合成系统储槽气量达1 000 m3/h，经水洗回收氨后，其尾气氢含量近60%。此两股氨合成系统尾气送入三废混燃炉进行燃烧，造成其回收价值较低。
2018年，晋煤天源提出“吃干榨净，变废为宝”的战略，先后与大连迈泰克科技开发有限公司和徐州勇源制冷工程有限公司开展合作，先后新增了膜提氢装置、储槽气氢回收装置和PNG装置（即管道天然气装置）。以下对有关情况作一总结。
2 技改情况
本次技改，主要是在原塔后排放气膜分离氢回收装置尾气管线上新增1套膜提氢装置，再在膜提氢装置尾气管线上增设1套PNG装置，即塔后排放气先后通过三级回收，将氢回收率提高至95%以上，同时生产管道天然气产品，甲烷回收率不低于80%。另外，氨合成系统储槽气在原有的水洗氨回收系统后增设低压膜分离氢回收装置，回收储槽气中的氢气，返回系统生产合成氨。
2.1 氨合成系统塔后排放气回收技改
2.1.1 新增膜提氢装置
原始设计的2套卡萨利氨合成系统排放气（13.5 MPa）经增压至25.0 MPa后送入高压氨合成系统，与新增的醇烃化精制气（25.0 MPa）汇合，继而在高压氨合成系统中合成氨，高压氨合成系统塔后排放气平均分配送入2套膜分离氢回收装置。一直以来，2套膜分离氢回收装置氢回收率在85%左右，尾气中氢含量较高，基本上在20%以上。为降低消耗、减少废气排放、降低尾气氢含量，经研究决定新增1套膜提氢装置，以进一步回收尾气中的氢气。
原膜分离氢回收装置的尾气，送至新增的膜提氢装置界区，通过自动调节阀控制膜前压力在9.5 MPa左右后进入膜分离器（3台φ219 mm膜分离器，并联运行）；膜分离器内部装填中空纤维膜丝，原料气从侧面进入，在恒定压差作用下，膜分离单元渗透侧得到压力0.7 MPa的渗透气（富氢气）送至半水煤气压缩机三段进口（0.7 MPa）予以回收利用，尾气（非渗透气）则减压至0.1 MPa后送至界区外三废混燃炉燃烧副产蒸汽。
膜提氢装置于2018年12月28日开车，其运行数据（见表1）基本上满足设计要求。经测算，可回收氢气约1450×80%=1 160 m3/h，年可回收氢气约8 000 km3，年创效益不低于800万元。
2.1.2 增设PNG装置
高压系统塔后排放气经新增的膜提氢装置以后，尾气中的氢含量已降至6.0%以下，但剩余6 000 m3/h的尾气（非渗透气）中含有约40%的甲烷，其中的甲烷回收用作管道天然气供城市燃气管网，相较于天然气具有价格优势，故晋煤天源决定在膜提氢装置后串入第3个“糖葫芦”（第1个“糖葫芦”意指“原膜分离氢回收装置”，第2个“糖葫芦”意指“新增的膜提氢装置”，因本技改措施顺系统工艺流程一个接着一个，如“糖葫芦”般，故形象地称为“糖葫芦”技改）——PNG装置。
PNG项目属于晋煤天源氨合成系统废气综合利用项目，以6 000 m3/h膜提氢尾气为原料，采用深冷精馏工艺，利用氮气、甲烷、氩气、氢气沸点的不同，实现沸点高的甲烷与沸点相对较低的氮气、氩气及氢气的液化与分离，提纯甲烷，生产纯度达98%以上的PNG产品。PNG装置在-160 ℃的温度条件运行，其冷量主要来自系统内的尾气透平膨胀机及高压气体节流制冷，无需外界提供冷量，无动力消耗，不增加设备维护费用，所产PNG产品质量完全超过燃气（天然气）质量标准，且不含硫等杂质，产品质量较高。
PNG项目于2019年10月25日技改完成后一次性开车成功，其运行数据见表2。经测算，可年产PNG约14 400 km3，PNG单价不低于1.2元/m3，每年可创造经济效益1 500万元以上，增加公司产品附加值。
至此，氨合成系统塔后排放气经过3个“糖葫芦”彻底回收了其中的氢气和甲烷，送至三废混燃炉的尾气中氢含量在8%以下、甲烷含量在7%以下，基本上做到了将工业尾气“吃干榨净”，不仅降低了废气处理费用，而且带来了良好的经济效益。
2.2 氨合成系统储槽气回收技改
更多内容详见《中氮肥》2020年第6期