合成氨驰放气氢气回收改造运行分析

吴贵兵

（安徽华尔泰化工股份有限公司，安徽东至 247260）

合成氨生产中的技术革新综合利用和节能降耗是当前小氮肥立足的关键所在，尤其是安全环保的高压态势下，要做到不碰红线守住底线的情况下把节能降耗、综合利用有效的落实，提高产量、降低成本已成为一种共识。

我公司合成氨氨贮槽驰放气处理现行是将高效低温等压氨回收装置吸氨后的尾气送到三废炉燃烧。吸收后的气体中氢约占55%，送入三废炉燃烧既造成资源浪费又因为热值高影响三废炉的操作。因此，对合成氨驰放气中的氢气进行有效回收，具有重大的现实意义，实现安全环保经济共赢。

1 改造前

驰放气经高效低温等压氨回收装置吸氨后的尾气，通过计量与检测分析，驰放气经氨回收后的气体工况如表1所示。

表1 驰放气经氨回收后的气体工况

从以上数据来看，驰放气虽经高效低温等压氨回收装置吸氨后，但尾气中氢气含量较高，直接送入三废炉中燃烧造成很大的资源浪费，对氢气进行必要回收价值高，利于增效。同时回收的氢气与我公司甲醛生产中的尾气回收(大量N2）能有效稳定整个合成氨系统，便于整个系统的循环氢调节。另外，驰放气经氢回收后，尾气的热值降低，便于三废炉的调控操作，避免了超温难控。

2 技改实施说明

2.1 技改流程图

技改流程见图1。

图1 技改流程图

2.2 工艺流程简述

膜法氢气回收技术是利用特殊制造的膜与原料气接触，在膜两侧压差驱动下，气体分子透过膜的速率不同，渗透率快的气体在渗透侧富集，而渗透速率较慢的气体则在原料侧富集，从而达到氢气回收的目的。在此系统中，利用的就是特殊制造的膜与低温等压氨回收装置的尾气，除去尾气中的杂质气体从而将氢气分离出来，提取的氢气浓度大于80%，送往合成氨系统再利用。

应用此技术，在原驰放气回收系统中增加一套低压膜提氢装置。氨贮槽驰放气经高效低温等压氨回收装置处理后除去驰放气中大量的氨，经等压氨回收后的驰放气作为系统原料气，以30℃左右和1.2MPa的压力经调节阀进入膜分离氢气回收装置。氢气回收的工艺流程分为两个基本过程：①驰放气的预处理过程，包括气液分离、预热及预放空。驰放气经吸收氨后先进入气液分离器将夹带的雾滴除去，再进入过滤器，将气体中夹带的微小雾滴及粉尘杂质除去，洁净的原料气送加热器加热到50℃左右，以保证进膜前的气体远离露点，否则冷凝下来的液滴会在膜分离器的纤维表面冷凝，导致回收率降低，甚至对膜造成损害。最后送入膜分离器组进行氢分离。②驰放气的膜分离过程，原料气进入膜分离器后，在恒定压差的作用下，氢气以较快的速率透过纤维膜，形成高浓度的氢从膜分离器侧面输出，称为渗透气，送入到合成氨系统一进总管供生产利用，而含有大量甲烷和部分未被回收氢气的尾气由调节阀减压后作为燃料气送入三废炉，此套装置中设置相关连锁能保障安全运行。

2.3 开停车操作

预处理开车，系统用氮气吹扫置换合格后，准备开车，步骤如下：①确认与外界接口的管线联通且阀门开启； ②检查压缩空气管线，确保仪表用气，仪表气源压力≥0.4MPa； ③确认氮气进口阀门保持关闭； ④关闭所有管线手动阀门和自动阀门； ⑤确认仪表的切断阀都已打开； ⑥确认处于膜分离器入口的阀门都是关闭状态； ⑦打开蒸汽进口阀，疏水阀前后阀门，引蒸汽入装置；⑧ 在控制室电脑上点击系统运行按钮；⑨ 现场稍开原料气进气阀，用调节阀对预处理部分升压，控制升压速率不超过0.3MPa/min，升压完成后全开手动阀和调节阀，再稍开预处理放空阀，建立流量便于调节温度；⑩对预处理升温通过给定设定值或阀位来调控温度，要较小幅度逐步增加，以免系统超温；⑪检查所有设备及仪表疏水阀工作是否正常，分离器是否有液位，如有则需及时排放，并注意凝液的速度；⑫在控制室电脑上注意观察升温和升压情况，及时调控；⑬调节预处理放空阀的开度，建立原料气流量；⑭待预处理部分压力建立起来，并且温度压达到了设计要求，通过取样分析进膜前气体中氨含量（＜10×10-6）。

膜分离器开车，尤其要注意开车及投运期间，必须避免对膜分离器快速升压或流量骤增。膜分离器的原料气中氨含量超标，或在温度、压力高于限定值时工作，可对膜分离器造成损坏，要高度重视。当预处理开车成功后，可以准备膜分离器的运行，操作步骤如下：①打开膜前检验阀，排掉预处理放空管前、可能阀门内漏进入膜前的不合格气体，排尽后关闭；②打开膜前分离器前后阀门（开车时根据实际的气量决定开几组膜分离器）；③缓慢打开进膜副线阀，给膜分离器逐步升压，方法同预处理部分升压。观察膜前压力，控制升压速率不要超过0.3MPa/min；④当膜内压力升至与预处理压力一致时，缓慢打开主线阀，关闭副线阀，如压力升不起来，则稍关预处理放空阀；⑤再缓慢打开渗透气出口阀门，送富氢气出界区；⑥现场打开尾气手动阀，将尾气调节阀置于较小开度位置，逐步调节尾气调节阀的开度，缓慢关闭膜前放空阀，在此过程中注意观察膜前压力控制是否稳定，防止压力突升对膜分离器造成损害；⑦当气体全部切换至膜分离器，调整相关调节阀的设定值及开度至希望的原料气流量；⑧运行时可调整膜前压力及加热温度的设定值，使其满足通过渗透后的氢气纯度及氢气回收率的要求，取样分析膜分离器前的原料气、渗透气、尾气、氨含量等，做好记录；⑨根据实际情况，定时对过滤器排液；⑩当初始开车膜组投运少，需增开膜分离器时，确认需投运的膜分离器，稍开该分离器的入口阀，观察膜内压力表控制升压速率不要超过0.3MPa/min，压力升至操作压力后，缓慢开渗透气阀，全开尾气阀；⑪当初始开车膜组投运多，需减少膜分离器时，确认需投运的膜分离器，依次关闭膜组尾气、渗透气、原料气阀门，隔离该膜分离器后通过取样阀缓慢泄压；⑫如需倒换膜分离器，则先开后关，具体步骤同上。

正常停车：①在控制室按下系统停车按钮，此时相关自动调节阀会自动关闭，系统进入停车状态；②关闭系统进出口总阀门、膜进口阀，最后关闭尾气出口阀和渗透气出口阀，切断膜分离器并确认；③若短时间停车膜分离器内可保有一定的压力，重新运行装置时，检查各工艺指标符合要求后，按开车步骤开启装置即可；④若长时间停车，打开预处理放空阀，卸完压力后关闭，打开渗透侧放空阀，给膜分离器卸压，注意卸压要缓慢，完成后关闭渗透侧放空阀；⑤关闭膜进出口根部阀门；⑥关闭蒸汽进口阀，打开蒸汽管线排水阀；⑦再次开车执行开车步骤，一定要做好氨含量的检测，指标合格方可切入膜分离器。

2.4 主要影响参数

膜前压力、膜前温度、尾气调节阀阀位、原料气流量、尾气流量等。

2.5 联锁保护设置

针对主要控制参数设置安全联锁值。①驰放气现运行压力在1.17MPa，当气温高时有略微上涨，因此在进预处理系统前安装调节阀来调控进膜压力。通过设置进膜压力联锁，设置压力≤1.7MPa，当超过此压力时调节阀关闭，可以根据压力自动调控。②通过调节蒸汽流量来调控进膜的工艺气体温度。一般工艺气进膜温度设置在45℃，通过蒸汽调节阀实现自动调控，联锁值设定为≤65℃。超温时蒸汽自动切除。现运行蒸汽调节阀开度最大为15%，耗蒸汽量非常小。③驰放气进入预处理气液分离器的液位联锁设置≤20%，防止带液进膜，造成膜损坏。

2.6 正常操作要点

①不能超压差，不能倒压差、超温，氨水和带氨的气体及其他腐蚀性气体绝对不能进膜分离器；②要掌握正确的开停车操作程序，把装置与合成、氨回收系统配合操作到最佳状态；③压力、液位、温度三项指标中任何一项失控要立即停车，排除故障后才能开车；④要定时观察气液分离器是否带水，发现非正常带水，要查清原因，排除异常后才可开车投运；⑤要定时取样分析原料气和尾气氨含量，超标要立即停车，查清原因，排除故障后才能开车；⑥在正常情况下，如发现尾气流量大幅增加或为零，要立即停车（可能是流量仪表故障或者膜分离器带氨水），如膜分离器带氨水，要迅速把氨水排尽，并缓慢加温把分离器烘干后继续使用。

2.7 运行情况说明

通过实施改造投入运行，驰放气进膜压力基本在1.15～1.20MPa，驰放气进气量500m3/h（标）左右，因设计驰放气处理量为1 500m3/h（标），且进膜压力远低于联锁值，所以进气调节阀开度基本为100%。30℃左右的驰放气在进膜前，通过蒸汽加热器来调控温度，现进膜运行指标设定在45℃左右，蒸汽调节阀开度在0%～15%，蒸汽耗量很小。通过设定的压力及尾气调节阀的阀位来调节氢回收率和渗透气中的氢浓度。现运行尾气流量在250m3（标）/h左右，尾气调节阀阀位开度在50%，渗透气量与气质较稳定，通过对渗透气氢含量的检测基本在90%左右，收效很明显。在运行操作中需要注意的是压力、液位、温度这三项指标任何一项失控，要立即停车处理。或者尾气流量大幅度增加或为零（可能是流量仪表故障或者膜前分离器带氨水），也要立即停车，查明具体原因。同时要定时检测原料气以及尾气的氨含量，超标要立即停车，严防造成膜的损坏。

2.8 投资与运行成本消耗

此装置为成套设备，占地面积小，操作便捷，并且此膜分离氢回收装置所需公用工程主要包括：电、蒸汽、仪表空气、氮气等，电主要用于仪表用电，蒸汽用来加热原料气，氮气用于开车吹扫与检修置换，仪表空气用于现场仪表的操作与控制。测算消耗如表2所示。

表2 氢回收装置物料消耗

该成套装置购置费用以及加上安装配管、仪表线缆等技改的相关成本，总投资不超过100万元，且运行费用基本仅耗少许蒸汽。

3 运行小结

经过改造后氢回收装置顺利投入运行。运行一个月后，随机截取三个班的相关记录和分析数据，如表3所示。

表3 氢回收运行数据(随机调取时间段)

通过表3数据分析来看，该装置回收的渗透气中氢含量为89.6%，每天可回收氢气量约为4 911m3，按照1 976m3氢折1t氨计，这样每天可回收氢气折氨约为4 911÷1 976≈2.5t。同时该装置投用，优化了甲醛尾气回收带来的影响以及降低驰放气的热值从而便于三废炉的操作，使得合成氨生产整体趋于稳定，消除了三废炉因热值过高造成温度难控的操作弊端。创效方面，每天能回收氢折氨2.5t，全年折算氨将可回收2.5×360=900t，按氨售3 000元/t，这样全年收益近270万元，而投入改造费用不到100万元，不到半年即可收回投资成本。

当前可能存在的弊端，当环境温度高时，氨储槽挥发量增大，增加了高效低温等压氨回收负荷，造成吸收后的氨水浓度高，或者受氨水销售等影响迫使除盐水泵的加水量减小，这些都可能造成驰放气经高效低温等压氨回收装置后的尾气中氨含量超标，影响膜的使用寿命。针对这种情况，日常加强对进膜气的氨含量检测，同时正在谋划相关技术改造，增加氨洗，确保进膜气的气质达标，从而保证低压膜提氢装置高效长周期的运行。