合成氨尿素企业低品位热能回收再利用改造探讨

合成氨尿素企业低品位热能回收再利用改造探讨

李同强

山东润银生物化工股份有限公司 271500

摘要：在氨合成过程中，原料氢氮混合气经过合成塔催化剂床层反应后，只有很少部分的氢氮气合成为气氨，生成的气氨与未反应的氢氮气一起离开合成塔。此种混合反应气必须经过一系列冷却分离处理后才能使气氨冷凝为液氨并与混合氢氮气分离，此过程称为氨的分离。目前合成氨生产过程中氨分离方法是冷凝法。冷凝法是利用冷却介质间接冷却含氨的饱和混合反应气，使其中的部分气氨得到冷凝，从而实现氨与不凝性气体分离。在现阶段比较常见的低压氨合成工艺流程中，一般水冷仅能分离出少部分氨，混合气中饱和氨的摩尔分数约在12%。为降低循环气中饱和氨含量，提高氨合成反应的单程转化率，降低循环机的功耗，一般需用液氨作为冷却介质将反应混合气进一步降温至0 ～－ 10 ℃左右分氨。为此，在氨合成装置中一般配备氨压缩制冷用于分氨。制冷的原理是将制冷剂通过制冷压缩机由压缩、冷凝、节流、蒸发( 提供冷量)4 个过程组成制冷循环，为合成以及气体净化( 低温甲醇洗) 等用户提供冷量。根据合成回路中合成的氨参不参与冷冻循环，可将冷冻流程分为封闭式与开放式2 种不同的工艺流程。

关键词：合成氨尿素企业低品位热能回收再利用改造

笔者以某50 万t /a 合成氨、80 万t /a 尿素( 以煤为原料) 的项目为例，对前述2 种冷冻流程进行比较。为简化起见，本文以合成氨装置的正常产热氨工况作为比较基础。充分回收以上低品位热能用于生产生活供热取暖,在实际运行中,取得了良好的经济效益,同时达到了节能降耗的目的。

一、煤制合成氨装置

1.封闭式冷冻流程。所谓封闭式冷冻流程，主要特点为冷冻回路与合成回路的氨不互相串联，反应生成的氨经过冷凝，分氨，再经过中压闪蒸后，在冷冻回路中与来自液氨收集槽的热氨换热回收部分热量后直接送至下游装置，而冷冻系统液氨收集槽中的液氨经过冷却后，分别送至氨合成中的氨冷器与低温甲醇洗用户，节流闪蒸，气相分级返回压缩机各段入口分离器，再送至氨压缩机经压缩、冷凝，再返回液氨收集槽，完成制冷循环。

2.开放式冷冻流程。所谓开放式冷冻流程，主要特点为合成回路中的氨经中压闪蒸后送至冷冻系统的液氨收集槽的冷端，再送至各个冷量需求用户，分级闪蒸，闪蒸后的气相返回氨压缩机各段入口，剩余液相送至氨闪蒸槽在0． 1 MPa( A) 下闪蒸，气相送至一级分离罐，液相经冷氨泵加压后，一部分送至低温甲醇洗提供冷量，剩余部分依次在氨加热器内与来自液氨接收槽的冷端液氨换热，在氨加热器内与来自液氨接收槽的热端液氨换热，经过回收冷量后送至下游装置。来自氨合成回路的液氨继续在冷端加入并参与制冷循环。

二、合成氨尿素企业低品位热能回收再利用改造

1.流程。液氨产品中氢气等惰气含量溶解于液氨产品中的惰气( 如氢气，氮气，氩气等) 含量取决于系统的热力学平衡。在采用封闭式的冷冻流程的氨合成装置中，合成回路中分离出的液氨一般在2～3 MPa( A) 下闪蒸，故液氨产品中的氢气含量约为500～700 × 10^－6 ; 而在采用开放式冷冻系统的氨合成装置中，液氨参与了冷冻循环，在冷冻系统中分级闪蒸，液氨中所溶解的惰气都会得到分离，相当于合成回路的氨产品在冷冻系统中得到了精制，此时液氨产品中氢气含量一般低于50× 10 ^{－ 6}。氨损失量在开放式冷冻流程中，由于溶解于液氨中的惰气会在冷冻系统累积，为降低氨压缩机的功耗，需要排放惰性气体，这同时会导致氨的损失。一般可以通过对排放的惰气进一步降温冷凝的方式，回收部分的氨。若通过氨冷，可将排放的惰气冷却至－ 25 ～ － 35 ℃，则氨的体积分数会低至5% ～ 10%左右。以50万t /a 煤制合成氨的装置为例，惰气排放引起的氨损失量约为8． 2 kg /h，所占氨产量的比例很小。在封闭式冷冻流程中，尽管在氨合成回路中基本没有氨损失，但由于氨产品中的惰气含量较高，会使下游装置中惰气累积而放空，同样也会造成氨损失。尽管2 种流程中均存在氨损失，但是由于煤制合成氨的新鲜气中的惰性气总量不大，一般可以将放空的氨损失量控制在总产量的0．03%以下，对整个工厂经济效益的影响甚微。

2.来自循环水系统的排污水, 先被送入来水池中,经污水提升泵加压后, 送入一体化高效净水器, 同时絮凝剂、助凝剂、杀菌剂经配制送入管道混合器后,也加入一体化高效净水器, 在此设备中完成混凝、沉淀、过滤、消毒过程, 去除水中大部分悬浮物和细菌等物质, 并降低水的浊度, 送原水水池, 至此完成了预处理的第一步。预处理的第二步从原水池开始, 原水泵加压并加絮凝剂药剂后, 原水经自清洗盘式过滤器, 过滤分离出≥100μm 的颗粒后, 再入超滤装置, 进一步去除原水中的悬浮物、胶体、细菌、微生物和藻类, 保证出水的浊度、悬浮物含量及SDI值, 达到反渗透膜的进水要求后送超滤产水池。出水经加压后送反渗透膜组, 除去水中的可溶性盐分、胶体、有机物及微生物,出水的稀相为反渗透产水, 送入反渗透产水池中, 作为循环水系统的补充水回用;浓相水一部分用作粉煤灰的增湿, 另一部分外排。氢氨回收的净氨塔和氨洗涤塔出来的氨水可采用加压精馏的方法, 回收其中的氨。原理是:根据氨在水中的溶解性能以及液氨易气化吸热的特点, 将氨从氨水中提取出来;流程为:首先将氨水换热升温后入蒸氨塔, 通入蒸汽加热保证塔釜温度为180℃,氨在此温度下的溶解度为0 mg/L , 使氨水中的氨尽量蒸出, 在塔顶蒸出的气氨采用循环冷却水和液氨进行冷却后, 作为产品送出。塔釜水中氨的质量分数约0 .02 %,经溶液换热器和水冷器冷却至40℃, 返至循环水槽, 再经泵加压后, 至净氨塔和氨洗涤塔循环使用。

2.热能回收再利用。以某典型的50 万t /a 合成氨装置为例，对开放式与封闭式的冷冻流程进行了模拟计算，开放式与封闭式冷冻流程比较基础。在开放式冷冻流程中，液氨经历了降温再升温的过程，液氨的降温是依靠部分液氨蒸发吸热，该部分的气氨需要再压缩，增加了氨压缩机的负荷。尽管来自氨受槽的液氨与低温液氨进行换热回收了一部分冷量，但是经过初步计算比较，开放式冷冻流程中氨压缩机的轴功率要比封闭式流程高8%左右，并且冷氨泵需要维持常开。由于开放式冷冻系统对合成的液氨产品有精制功能，能有效降低液氨中所溶解的惰性气体尤其是氢气含量。经过初步计算，开放式冷冻系统的能耗比封闭式的高约8% ，投资也略高。在通常的工厂运行中，可能会同时生产热氨与冷氨2 种产品，也即工厂的实际运行模式与本文假定的比较基准会存在偏离，这将导致开放式与封闭式冷冻系统的能耗差异缩小，但不会改变封闭式比开放式冷冻系统节能的结论。不论在开放式还是封闭式系统中，液氨产品均能满足国标质量要求。若下游为尿素装置，液氨所溶解的惰气会降低尿素合成塔的转化率; 且由于游离氢气不参加尿素合成反应，氢气会在尿素合成系统中累积，与CO2气体中补充的防腐空气形成爆炸性气体，存在导致尿素合成塔爆炸的危险。故建议在配备尿素的合成氨装置中，选择开放式冷冻流程，以降低尿素装置爆炸的风险。如若配备的下游装置对氢含量无严格要求，则可以考虑选用封闭式冷冻流程，以降低装置的运行费用与投资费用。

建议合成氨行业在设计时就与当地工业园其他企业统筹规划设计,充分考虑企业生产过程中产生的余热和低品位热能的回收再利用,可以将低品位热能转化为蒸汽、电或供热给园区的其他企业,实行循环经济,能源再利用,提高能源利用率。

参考文献：

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