化肥厂含氢尾气循环利用优化设计

刘正文

（上海茂盟医药化工工程技术有限公司，上海 201203）

化肥厂含氢尾气循环利用优化设计

刘正文

（上海茂盟医药化工工程技术有限公司，上海 201203）

从化肥厂全厂整体角度进行工艺优化设计，使合成氨和尿素工段中排放的含氢尾气得以循环利用，实现工厂节能减排。

合成氨；尿素；工艺优化；尾气

以合成气为原料生产尿素的大型化肥厂其净化、合成氨、尿素工段的工艺技术主要为以下几种，净化工段的低温甲醇洗和液氮洗工艺，合成氨工段的卡萨利制氨工艺、尿素工段的二氧化碳汽提工艺。

液氨作为合成尿素的一种原料由合成氨工段产生，氨合成塔产生的液氨在虽然经过高、中、低压闪蒸释放出一部分未反应的氢气，但液氨中仍然含有一定量的氢气，这部分氢气在尿素合成过程中不参与反应，而是随反应后的尾气减压洗涤后放空或烧掉，同时氨合成工段低压闪蒸出的氢气也放空或烧掉，这两部分排放的氢气对于工厂来说是一种损失，本文以日产4 000t的尿素工厂为例，从全厂整体角度进行工艺优化设计，使这部分含氢尾气得以循环利用进而实现节能减排。

1 优化前的设计方案

基于上述工艺路线设计的工厂，主要工艺流程为来自变换工段的合成气经过净化工段低温甲醇洗单元中的吸收塔吸收酸性气体后再经过液氮洗单元最终净化并配氮，之后进入合成氨工段的合成气压缩机压缩送入氨合成塔进行反应，氨合成塔出来的高温、高压氨经过热回收后依次进高压闪蒸、中压闪蒸、低压闪蒸分离出未反应的氢气和氮气等，高、中压闪蒸尾气通过压缩机压缩后循环利用，低压闪蒸尾气进入火炬系统烧掉，闪蒸后的低压液氨通过高压氨泵加压后送入尿素合成圈；净化工段低温甲醇洗单元的二氧化碳产品塔产出的二氧化碳产品通过二氧化碳压缩机压缩并脱硫后送入尿素合成圈，二氧化碳和液氨在尿素合成圈高温、高压下合成尿素，尿素合成圈产生的含氢尾气经低压洗涤后排入大气。工艺流程中合成氨工段和尿素工段排放尾气主要参数见下表1。

表1　尾气主要参数表

由上表可以看出，两股尾气中均含有一定比例的有效组分氢气和氨，但两股尾气在各自工段的系统中由于压力较低，流量不大或回收手段复杂等原因没有有效回收利用，绝大多数工厂采取放空或燃烧等方式处理。

2 优化后的设计方案

针对上述两股尾气回收工艺优化思路，首先需将合成氨工段和尿素工段看作为一个整体进行分析，同时结合技术专利商突破性的工艺技术，对基于上述工艺路线设计的工厂进行了工艺优化，在理论上有效地解决了尾气回收循环利用的问题。

优化后的主要工艺流程为来自变换工段的合成气经过净化工段低温甲醇洗单元中的吸收塔吸收酸性气体后再经过液氮洗单元最终净化并配氮，之后进入合成氨工段的合成气压缩机压缩送入氨合成塔进行反应，氨合成塔出来的高温、高压氨经热回收后进高压闪蒸，高压闪蒸尾气通过压缩机压缩后循环利用，高压闪蒸后的高压液氨直接送入尿素合成圈；净化工段低温甲醇洗单元的二氧化碳产品塔产出的二氧化碳产品通过二氧化碳压缩机压缩并脱硫后送入尿素合成圈，二氧化碳和液氨在尿素合成圈高温、高压下合成尿素，尿素合成圈产生的含氢尾气经中压洗涤后与来自变换工段合成气汇合进入净化工段低温甲醇洗单元循环利用。

3 优化前后的方案对比

优化后的工艺流程中合成氨工段正常操作工况取消了中压闪蒸、低压闪蒸流程设置，进而避免了合成氨工段产生低压的含氢尾气。高压液氨中未反应的氢气和氮气等直接带入尿素合成圈，这些组分均不参与尿素合成反应，最终全部存在于尿素合成圈尾气中，出尿素合成圈的尾气经过洗涤除去尾气中氨组分后循环利用。同时由于采用高压闪蒸后的高压液氨无须泵加压而直接送至尿素合成圈，尿素工段正常操作工况不使用高压液氨泵。优化前后正常工况下主要关键参数及能耗对比见下表2。

由上表2可以看出，优化后的工艺方案提高了氨合成系统的压力，使氨合成与尿素合成在液氨输送上实现了通过压差流而无须泵送。压力提高使氨合成的转化率提高，降低了循环量，进而降低了热回收量，导致热回收的换热器、管道尺寸减小但设计压力有所提高壁厚加厚，会导致初期一次投资增加。合成气压缩机的功率有所增加，但循环气压缩机、氨冰机功率均有所下降，再综合液氨泵的停用，总体上实现了节能减排。

4 优化方案的前提条件

上述含氢尾气循环利用优化设计方案的实现存在一些技术上的必要条件。第一，采用以上方案优化设计的工厂，在尿素工段的技术选择上必须采用荷兰Stamicarbon公司最新的尿素高压合成圈技术，该技术尿素合成圈设备采用了独特的Safurex材料，这种材料抗腐蚀能力超强，避免了为抗腐蚀而向尿素合成圈加入氧气，从而消除了与氢气形成爆炸混合气的危险，这是优化设计方案的技术基础。第二，采用以上优化设计方案时需将合成氨工段与尿素工段视为一个整体进行设计，需要在与各专利商进行技术谈判阶段就要贯彻这个思想并执行下去才能达到理想的效果，例如设备布置上氨合成塔与尿素合成圈设备尽量在一个框架内布置等细节问题。

表2　优化前后关键参数及能耗对比表

5 结语

本文仅对技术优化方案的一些主要技术路线及关键点进行了说明，还有一些相关方面的技术问题本文并未完整叙述，方案对大型化肥厂起到了节能减排的作用，但目前还未经过实际投产的工厂验证，供筹建中的大型化肥工厂的为解决同类问题时参考使用。

[1] 杨建国.一种合成气生产尿素流程中含氢尾气循环利用工艺[P].中国专利：201210065655，2012.

Optimization Design of Hydrogen Gas Recycle in Chemical Fertilizer Plant

Liu Zheng-wen

To analysis the whole process of the fertilizer plant and optimize the design，so that the synthetic ammonia and urea plant emissions containing hydrogen gas can be recycled，realizing energy saving and emission reduction.

synthetic ammonia；urea；Process optimization；waste gas

TQ440

A

1003-6490（2016）01-0005-02

2016-01-12

刘正文（1982—），男，辽宁海城人，工程师，主要从事工艺及管道方面设计工作。