技术前沿

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合成氨弛放气中氨的净化吸收新技术开发成功

氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料,我国目前合成氨年产量达5500万吨左右,占世界总产量的40%以上。农业和化工行业的发展对氨气、尿素、磷酸铵、硝酸铵等需求量的增加,促使我国合成氨工业快速发展,年生产量持续上升。在氨的合成过程中,为使氢氮气催化生成氨的反应有效地进行,需保持合成循环气中甲烷、氩等惰性气的含量在17%-25%的范围内,因此要从氨合成气中排出一定数量的循环合成气,此部分气体被称作合成弛放气。吨氨弛放气排放量约300-400立方米,其中氨含量体积百分比为3%-6%。此外,还有一部分弛放气来自冷冻系统。这些弛放气,若直接排放或燃烧,将会造成严重的环境污染,并浪费了大量有经济价值的氢资源。针对合成氨弛放气,目前工业普遍采用水洗工艺回收氨,以水作为吸收剂,对弛放气中的氨进行洗涤吸收。该技术存在水和提浓蒸汽消耗大、能耗高、腐蚀性强、经济效益较差等问题。因此,急待开发净化效率高、能耗低的清洁工艺技术。

离子液体被称为“绿色可设计溶剂”,是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐,也称为低温熔融盐。由于离子液体本身所具有的许多传统溶剂所无法比拟的优点及可作为绿色溶剂应用于有机及高分子物质的合成,因而受到越来越多的化学工作者的关注,被广泛应用于化学研究的各个领域中。特别是离子液体作为反应溶剂已被应用到氢化反应、傅-克反应、Heck反应、分离提纯、电化学研究等多种类型反应中。与传统的有机溶剂相比,离子液体具有熔点低、酸碱性范围可调、无毒高极性、化学稳定性好、不易挥发和燃烧等特点,能够取代有机溶剂进行化学反应,从而实现反应过程的绿色化。

中国科学院过程工程研究所离子液体清洁过程与节能创新团队基于在离子液体基础及应用方面的长期研究积累,提出了采用离子液体为吸收剂,回收合成氨弛放气中氨的新技术。在国家“863”计划、中国科学院院地合作、国家自然基金委等项目的支持下,系统研究了离子液体微观结构对弛放气中的氨、氢、氮、甲烷等气体的作用机理和分离性能的影响规律,获得相关气体在离子液体中的传递和放大规律,通过物质和能量优化集成,研发了合成氨弛放气中氨回收的成套工艺和装备。

采用该工艺净化处理合成氨弛放气可直接得到纯氨产品、不需消耗水、能耗低、流程简单、无含氨废水排放,回收氨后的净化弛放气,经膜分离后可提取得到较高纯度氢气。川化股份有限公司应用该工艺在合成氨系统建成了首套1000立方米/小时工业性试验装置,并连续稳定运行6个月,回收氨的纯度达到95%以上,弛放气中氨的净化率达到99%,能耗较现有水洗工艺降低约30%,降低了合成氨生产成本。

2014年1月13日,由中国科学院过程工程研究所、中国科学院成都有机化学有限公司和川化股份有限公司合作完成的“合成氨弛放气中氨的净化吸收新技术”项目,顺利通过了中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。鉴定委员会一致认为:项目开发的离子液体回收利用氨的新技术及成套装置,具有自主知识产权,达到国际先进水平,推广应用前景广阔。

离子液体回收合成氨弛放气中氨新技术的成功应用,证明了离子液体新介质在气体分离工业应用领域的可行性和先进性,为以离子液体为核心的气体分离回收利用新技术的研发奠定了科学依据和工程基础,开辟了气体分离技术创新的新途径。该技术不仅能用于合成氨弛放气中氨的回收,同时也可推广应用到尿素造粒塔的排放尾气、焦炉煤气、氨冷冻储罐排气、硝酸装置尾气等其他含氨气体中氨的回收净化处理,为石油和化工企业实现清洁生产、绿色生产,完成国家“十二五”节能减排目标,提供了一种先进适用的新技术。

(汪家铭)