“变废为宝”——PNG装置论述

史保峰

(晋煤天源化工有限公司，山西 高平 048400)

晋煤天源化工有限公司(以下简称天源化工)是以山西晋城高平地区无烟煤为原料，采用成熟、先进、合理的工艺技术，生产合成氨及尿素产品。天源化工设计生产规模为合成氨36万t/a，甲醇4万t/a，大颗粒尿素60万t/a。多年以来，改造和扩大现有的生产设备，包括合成氨、尿素生产等，天源化工都是坚持以清洁生产为理念，力求做到节能降耗、减亏增效。天源化工经过仔细考察PNG产品的发展前景和周密分析市场供需量后，决定利用天源化工合成氨生产过程产生的含甲烷废气为原料，新上一套2 700Nm3/h PNG装置，该流程充分利用了合成氨废气中的有效成分，提高了经济效益。

1 应用背景

合成气在氨合成回路中循环使用，循环气中CH4含量不能太高，必须放出部分尾气(弛放气)，以控制系统中惰性组分甲烷浓度，保证正常的氨合成反应。天源化工氨合成系统中有上游半水煤气带来的2%～3%的甲烷气体累积，达到一定浓度后需从合成系统中排出，弛放气经提氢后CH4浓度超过35%，并带有部分氢气、氮气和氩气，技术上称为“膜提氢尾气”。改造前，天源化工将合成氨提氢尾气用于生活煤气和锅炉燃烧，CH4气体的经济利用率低。

CH4是高质量的化学原料和高热值的清洁燃料，如果简单地燃烧，将直接造成资源浪费。另外，靠近厂区外5km有天然气管网，送至管网不仅有助于解决当地天然气紧缺的现状，同时也可为公司创造经济效益。

为此，将甲烷提纯为PNG出售，是一项降低合成氨成本的有效措施，既降低能耗，又拓展了合成氨的产业链，经济、社会效益可观。

2 工艺原理

本项目是将合成岗位产生的废气进行综合利用，即以合成岗位膜提氢尾气为原料(主要成分为CH4、H2、N2和Ar)，采用先进、合理的组合净化及低温液化精馏分离技术，通过膨胀制冷和能量耦合技术，净化并提纯CH4，生产合格的PNG产品。

主要利用甲烷、氮气、氢气、氩气这四种气体沸点的不同，在有压力的状态下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，装置的原始冷量主要来自装置中的尾气透平膨胀机与高压气体节流制冷。

3 设计指标

(1)项目实施后，可获得PNG 2700Nm3/h，按热值计，可替代92#汽油16 610t/a。

(2)本项目甲烷回收率保证值为85%，甲烷纯度在94%～98%之间。产品质量满足国家二类天然气标准(GB 17820-2018)。

(3)主要工艺操作条件：①液化操作压力为6.7MPa(g)，温度为45℃～160℃；②精馏操作压力为0.75 MPa(g)，温度为-128℃～160℃；③分子筛吸附压力6.71MPa(g)，吸附温度为45℃。再生压力为0.05 MPa(g)，再生温度200℃。

4 工艺流程

工艺流程主要包括原料气脱水、液化分离。装置工艺流程见图1，物料平衡表见表1。管道天然气(PNG)属甲B类可燃气体，本项目不设置天然气储存装置，采用边生产边输送的形式，直接输送至厂外天然气管网。

图1 装置工艺流程

4.1 工艺流程说明

(1)原料气干燥脱水。从10MPa(g)减压至6.72MPa(g)的膜提氢尾气进入分子筛干燥塔A的底部，用分子筛吸附脱除尾气中夹带的少量水分，干燥脱水后，原料气的露点温度可降至-70℃，最后从干燥塔A的上部排出。

(2)天然气液化分离。气体从分子筛干燥塔A内出来后，通往第一板翅式换热器冷却，原料气会被分为两股流并且下降到-70℃，其中一股通往第二换热器，冷却后其温度下降到-128℃，紧接着通往第三板翅式换热器中。另外一股流通往甲烷蒸发器，其温度为99℃，再通往再沸器，该部件位于精馏塔底部位置，在此过程中，依然会进行冷却，一直到-128℃为止，然后通往第三板翅式换热器。当原料气从第三板翅式换热器出来以后，其温度将下降为-160℃，此时，除氢气以外的其他气体均会处于液化状态，紧接着通往缓冲分离器。当原料气被液化以后，将其排出的位置位于缓冲分离器底部，紧接着通往第三板翅式换热器进行加热，使之温度达到-137℃，同时减压，使之压力为0.75MPa(g)，最终通往精馏塔内实施分离步骤。

在精馏塔顶端位置，原料液可以通过通道进入精馏塔中，液体在流动的过程中会跟下端升起的热气体遭遇，由于氩气以及氮气沸点不高，因此很快会被蒸发，而越是靠近底部，温度越高，含有的甲烷的量也逐步增加，到达底部时，甲烷的纯度是98%。液体甲烷被排出以后，就会通往第三板翅式换热器，通过加热以后，再通往冷凝分离器中，通过闪蒸的方式将一些气体排出，紧接着流向第二换热器，处于底部位置的液体甲烷则会流向甲烷蒸发器的壳层部位，通过蒸发制冷的方式让原料气温度下降，第二换热器以及甲烷蒸发器蒸发出的甲烷会混合于一处，共同流向第一板翅式换热器，通过复热以后流向膨胀机增压端，在实施0.5MPa(g)加压以后，通过水冷器使之冷却，温度降至40℃进行输送，使之离开界区。混合气通过位于精馏塔顶端的排气口被排出之后，流向第三板翅式换热器中，在进行复热提供冷量以后，再流向透平膨胀机进行制冷，所获得的低温气体流向位于精馏塔上端的冷凝器，再依次流向第三、第二以及第一板翅式换热器内，其中有一些送往界区外的三废炉，另外一些则作为再生气供分子筛干燥塔使用，出干燥塔的再生气也送往界区外的三废炉。

膨胀循环制冷采用单级膨胀制冷，其主要由氮气-甲烷透平膨胀机、冷箱等设备构成。通过循环为原料气的液化与分离提供冷量。

图2 工艺流程

4.2 主要设备

主要设备见表2。

表2 主要设备

5 试车情况

(1)PNG项目于2019年3月开工，2019年8月完工，9月组织开始试车。

(2)试车期间，膜提氢尾气甲烷含量没有达到原设计42%、最低35%的要求，经分析发现是精馏塔再沸器换热面积不够所致，精馏塔返厂，对塔内再沸器重新设计制作，延误约一个月时间。

(3)试车期间，因不锈钢三通的质量问题，先后两次造成管件破裂、低温可燃气体泄漏，停车对不锈钢三通和弯头、冷箱内所有不锈钢弯头及冷箱外部分不锈钢弯头和变径进行更换。

(4)试车期间，因开车操作不当，膨胀机轴承气大幅波动，导致膨胀机断轴，对其进行解体并更换备件。

(5)2019年11月9日开车，生产出合格甲烷气。

(6)因燃气公司销售量的影响，外管网压力长期处于憋压状态，产品气压力突然升高，造成安全阀经常性起跳，2020年4月23日，在产品气管线上加装一台压力调节阀通至燃料气气柜。

6 存在的问题及改进措施

6.1 产品气憋压问题

受外管网用户用量的影响，产品气压力不稳定，安全阀经常性起跳，且缺少远传压力表，不能实时监控产品气压力，已通过技改方式解决，增加了产品气远传压力和调压阀。

6.2 膨胀机问题

(1)原设计膨胀机轴承气为系统外供氮气，因不具备条件，改为原料气供应，这可能导致前工段突发性跳车、分子筛压力高安全阀突然起跳泄压、缓冲分离器压力高安全阀突然起跳泄压，造成轴承气大幅波动，损坏膨胀机。针对此问题，择机改为氮气。

(2)膨胀机无备机。膨胀机转速高、两段温差大(制冷端-160℃，制动端70℃)，是整套系统最脆弱的部分，也是最容易损坏的部件。如果发生断轴事件，需厂家进行定制，定制时间为10～30d。

6.3 紧急停车联锁问题

现场可燃气探头只要一个超标，即联锁隔离跳车，已改为4取2。

6.4 冷箱保冷问题

(1)冷箱西侧防爆窗口泄漏封氮较多，上升到冷箱顶部的氮气较少，需在西侧防爆窗口处进行适当密封，但不应影响其超压开启的阈值。

(2)冷箱设计偏小，保冷材料不足，冬季箱体结冰、结霜严重。

(3)冷箱南侧小冷箱防水不完善，保冷材料进水，且应增加氮封。

6.5 控制系统问题

分子筛缺AB罐远传压力表(已加装)和压差表，应设置压差高联锁控制，防止两罐因压差大，出现切换时气量波动或分子筛粉化的现象。

6.6 其他问题

(1)分析表导压管为塑料材质，且无减压表。

(2)精馏塔设计压力0.8MPa(g)，安全阀整定压力0.81MPa(g)，需进行调整，因涉及到高压串低压，且设备在冷箱内，查漏不便，建议并联一台安全阀，且增加根部阀，可互相切换校验。

7 经济效益分析

7.1 项目投资

该项目共投资706.08万元，投资统计见表3。

表3 投资统计

根据投资和产出测算，正常生产约4个月即可收回全部投资成本。

7.2 经济效益

日运行费用(按合成氨系统满负荷，膜提氢尾气大约7 000～8 500Nm3/h核算)见表4。

表4 日运行费用

单日可外销产品甲烷气42 000～47000Nm3，单价1.35元/Nm3，除去日运行费用，日净收益41 170～44 680元，全年为公司增收13 58.6～1 474.4万元(全年按330天计)，经济效益相当可观。

8 结语

通过本装置的实施，将合成弛放气中甲烷提取并出售，降低了合成氨生产成本，吨氨生产成本降低约为40元。此次改造在为天源化工创造了大的经济效益的同时，更增强了企业的抗风险能力。