王 飛，賈 軍

(1.倍豐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料集團(tuán)寧安化工有限公司，黑龍江寧安 157400;2.河南開元空分集團(tuán)有限公司，河南開封 475004)

1 技術(shù)背景

在合成氨生產(chǎn)中，一般需排放一定量的尾氣，其主要成分是甲烷(CH4)、氫氣(H2)、氮?dú)?N2)、氬氣(Ar)。其中H2和N2是合成氨原料，是可用組分。CH4、Ar是合成氨反應(yīng)中的惰性組分。排放的目的就是避免惰性組分在系統(tǒng)中的累積。這些甲烷氣最后在提氫工段中排出，進(jìn)燃?xì)鉅t燃燒，綜合利用率比較低，如果將這部分氣體中的甲烷氣用低溫精餾技術(shù)分離出來制取LNG，最后用低溫LNG槽車送出外銷，再把尾氣中的氫氣送入合成氨原料氣入口返還給合成氨裝置的生產(chǎn)中，這樣綜合效益會(huì)明顯增加。合成氨尾氣的主要成分在－160～－180℃的低溫下呈液態(tài)，并且泡點(diǎn)相差較大，非常有利于采用深冷精餾的方法進(jìn)行。

1.液化天然氣(LNG)是一種以甲烷為主要成分的清潔綠色能源。其無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性，重量?jī)H為同體積水的45%左右，熱值35880 kJ/m3，由氣態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)天然氣，其體積為同質(zhì)量氣態(tài)天然氣體積的1/600，能量密度大，便于攜帶和運(yùn)輸，既可以為管網(wǎng)進(jìn)行季節(jié)、故障應(yīng)急調(diào)峰，也可以實(shí)現(xiàn)非管網(wǎng)供氣。目前LNG的生產(chǎn)是將氣田生產(chǎn)的天然氣凈化處理，再經(jīng)低溫(－162℃)常壓液化形成液化天然氣。

2.目前，應(yīng)用較廣泛的LNG液化流程分為混合制冷劑液化流程(MRC)和膨脹機(jī)液化流程。一般根據(jù)裝置大小、投資規(guī)模、用戶需求等情況綜合考慮?；旌现评鋭┮夯鞒桃话阌糜诖笮鸵夯b置，由于采用多種制冷劑混合技術(shù)，充分利用不同等級(jí)的冷量使得液化效率高，能耗低，但需配備冷劑壓縮、循環(huán)、儲(chǔ)存系統(tǒng)，整個(gè)裝置技術(shù)水平要求高，投資較大。膨脹機(jī)液化流程中以氮?dú)鉃橹评鋭捎玫褥嘏蛎浀募夹g(shù)制冷，具有流程簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、易啟動(dòng)、易操作、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件

倍豐集團(tuán)寧安化工合成氨裝置生產(chǎn)中的提氫尾氣成分組成:CH440%，N239.2%，H220%，Ar 0.8%，NH3200 ×10－6，H2O(8.0 MPa 下的飽和含濕量)。

正常氣量1300 Nm3/h，最大氣量1600 Nm3/h。尾氣供氣壓力為8.0～10.0 MPa。廠內(nèi)現(xiàn)有空分裝置可以提供純凈的氮?dú)庠础?/p>

寧安化工根據(jù)生產(chǎn)情況，對(duì)本裝置提出了如下的要求:1.產(chǎn)品純度要求達(dá)到98.5%以上，提取率在95%以上;2.氫氣盡可能分離提純，并能直接返回到合成氨原料壓縮機(jī)進(jìn)口。

2.2 工藝路線的選擇

根據(jù)原料參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，對(duì)本裝置的工藝流程進(jìn)行了選擇。

從提氫尾氣的原料氣組成可以看出:提氫尾氣壓力高，可直接作為原料氣使用，無(wú)須再壓縮，節(jié)約了部分電耗，并能通過焦?fàn)枺瓬飞?yīng)，提高液化效率，降低制冷能耗。原料氣成分簡(jiǎn)單、潔凈。僅含有微量的水和氨氣，可以使用分子篩吸附脫除，很容易達(dá)到低溫精餾的要求，并具有凈化徹底、阻力小、再生能耗低的特點(diǎn)。常壓下H2的液化溫度為－252.6℃，N2的液化溫度為－195.8℃，氬氣為－185.87℃，甲烷為－161.5℃。在低溫狀態(tài)下，液化溫度差距越大，越容易進(jìn)行低溫精餾的分離。所以低溫精餾很容易實(shí)現(xiàn)甲烷的提純。另外，從組分中仍然含有20%的氫氣，通過低溫精餾將這一部分氫氣濃縮并分離出來，返回至合成氨的壓縮機(jī)入口，從而能夠進(jìn)一步提高合成氨的產(chǎn)量。脫氫尾氣中的Ar含量較低，提取價(jià)值不高，本裝置暫不考慮Ar的提取。

原料氣中的甲烷含量在520～640 Nm3/h，裝置規(guī)模不大，要實(shí)現(xiàn)較好的效益，必須盡可能降低裝置的設(shè)備投資和運(yùn)行成本。氮?dú)鈮嚎s機(jī)、膨脹機(jī)應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)廠家多，制造技術(shù)成熟，使用維護(hù)方便。氮?dú)庾鳛椴蝗細(xì)怏w，壓縮機(jī)、電機(jī)、廠房以及儀表電氣系統(tǒng)等無(wú)需按防爆設(shè)計(jì)，且對(duì)安全距離的要求也較低，非常適合于現(xiàn)有廠區(qū)的技術(shù)改造。由于裝置生產(chǎn)能力小，循環(huán)氮?dú)忭毑捎玫蛪貉h(huán)，以滿足膨脹機(jī)的要求。

3 工藝流程簡(jiǎn)述

本裝置采用氮?dú)庋h(huán)、增壓透平膨脹機(jī)制冷、填料精餾工藝制取液化天然氣。整套機(jī)組包括:分子篩凈化系統(tǒng)、氮?dú)庋h(huán)壓縮系統(tǒng)、分餾塔系統(tǒng)、液體貯存系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。

從合成氨系統(tǒng)來的含氨小于200×10－6的原料氣首先進(jìn)入分子篩凈化系統(tǒng)，利用分子篩除去原料氣中的氨及微量水分。分子篩的再生氣源使用廠內(nèi)的低壓氮?dú)狻?/p>

經(jīng)脫水除氨后的原料氣進(jìn)入主換熱器冷卻，達(dá)到一定溫度后，從主換熱器中抽出然后節(jié)流依次進(jìn)入C1、C2兩個(gè)精餾塔進(jìn)行分離提純。在C1塔頂部抽出主要含氫氣的混合氣通過主換熱器復(fù)熱至常溫送出冷箱，送至合成氨原料氣壓縮機(jī)進(jìn)口。在C2塔頂?shù)膹U氣經(jīng)過主換熱器復(fù)熱后，送至廢氣處理系統(tǒng)。在C2塔底得到的純度達(dá)到98.5%的甲烷，送出冷箱后通過真空管送至低溫儲(chǔ)槽。

圖1 設(shè)備工藝流程圖Fig.1 Processflow drawing of plant

本套裝置的冷源主要由氮?dú)馀蛎浿评湎到y(tǒng)以及低溫節(jié)流提供。氮?dú)馀蛎浿评湎到y(tǒng)利用來自空分裝置的低壓氮?dú)?，先通過活塞式氮?dú)鈮嚎s機(jī)加壓，之后進(jìn)入膨脹機(jī)的增壓端進(jìn)一步壓縮。大部分氮?dú)饫鋮s到一定溫度即從主換熱器中部抽出，進(jìn)入膨脹機(jī)的膨脹端進(jìn)行等熵膨脹。膨脹后的低壓氮?dú)夥祷刂鲹Q熱器，將冷量傳遞給原料氣后，返回氮?dú)鈮嚎s機(jī)入口。本套裝置的工藝簡(jiǎn)圖見圖1。

4 裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)與能耗

根據(jù)上述工藝流程，經(jīng)過流程模擬軟件反復(fù)模擬，得到的主要產(chǎn)品指標(biāo)見表1，主要配套機(jī)組能耗見表2。

表1 主要產(chǎn)品指標(biāo)Table1 Main production index

表2 主要配套機(jī)組能耗表Table2 Energy consumption table of main equipment

4.1 成本核算

4.1.1 原料氣成本核算

1.1300 m3/h提氫尾氣CH4含量為40%，得出CH4產(chǎn)量為520 m3/h，520 m3/h的CH4燃燒能產(chǎn)出的蒸汽按現(xiàn)有燃?xì)鉅t85%的效率、CH4燃燒低熱值35880 kJ/m3計(jì)算得到，產(chǎn)生的熱量為1.5868×107kJ/h，查表得燃?xì)鉅t90℃供水和190℃蒸汽的熱焓值分別為334 kJ/kg和2791 kJ/kg，則520 m3/h的CH4燃燒能產(chǎn)出的蒸汽為1.586×107÷(2791－334)=6455 kg/h。

2.1300 m3/h提氫尾氣的H2含量為20%，得出H2產(chǎn)量為260 m3/h，260 m3/h的H2燃燒能產(chǎn)出的蒸汽按現(xiàn)有燃?xì)鉅t85%的效率、H2燃燒低熱值18800 kJ/m3計(jì)算得出，產(chǎn)生的熱量為4.1548×106kJ/h，同上得出260 m3/h的H2燃燒能產(chǎn)出的蒸汽為4.1548×106÷(2791－334)=1691 kg/h。

按照理論上蒸汽產(chǎn)量8146 kg/h、蒸汽價(jià)格100元/t、年運(yùn)行300 d計(jì)算得出，每年的原料成本為8146×24×300×100=586.5萬(wàn)元。

4.1.2 成本與效益分析

4.1.2.1 成本分析

本項(xiàng)目總投資為1296萬(wàn)元，按年運(yùn)行300 d計(jì)，全年LNG產(chǎn)量為2580 t。生產(chǎn)運(yùn)行中，氮?dú)鈮嚎s機(jī)的功率因素按0.8、電價(jià)0.42元/(kW·h)計(jì)算，噸產(chǎn)品電耗為772×0.42×0.8×24÷8.6=723元;測(cè)算得噸產(chǎn)品的人工成本為83.7元;本項(xiàng)目1296萬(wàn)元的總投資，噸產(chǎn)品利息加折舊為670.7元。上述3項(xiàng)合計(jì)噸產(chǎn)品的運(yùn)行成本為1477.4元，年運(yùn)行成本為1477.4×2580=381萬(wàn)元，年原料氣成本和運(yùn)行成本合計(jì)586.5+381=967.5萬(wàn)元。

4.1.2.2 效益分析

LNG的市場(chǎng)售價(jià)為4800元/t，年銷售收入4800×8.6×300=1238.4萬(wàn)元。另外，深冷液化裝置返回氣中有350 m3/h的N2和250 m3/h的H2，進(jìn)入合成氨系統(tǒng)被利用，其中的250 m3/h H2進(jìn)入系統(tǒng)后按日產(chǎn)尿素4.16 t、尿素價(jià)格2000元//t計(jì)，年經(jīng)濟(jì)效益為4.16×300×2000元=249.6萬(wàn)元。兩項(xiàng)合計(jì)效益為1238.4+249.6=1488萬(wàn)元。除去成本，理論上年利潤(rùn)為1488－967.5=520.5萬(wàn)元。

5 安全措施與注意事項(xiàng)

本裝置利用氮?dú)馀蛎浹h(huán)制冷，低溫精餾提純甲烷生產(chǎn)液化天然氣，必須充分考慮裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的安全措施。主要有以下幾個(gè)方面:

1.原料氣體。原料氣中含有的氫氣和甲烷都是易燃易爆介質(zhì)，氫氣在空氣中的爆炸極限是4%～74.2%;甲烷在空氣中爆炸范圍為5% ～15%。所以裝置區(qū)內(nèi)必須做好氣體的泄漏監(jiān)測(cè)。特別是低溫冷箱在呼吸盒出口也設(shè)置了可燃?xì)怏w報(bào)警裝置。一旦出現(xiàn)泄漏可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)。

2.氮?dú)?。氮?dú)鈮嚎s機(jī)與膨脹機(jī)的增壓端位于設(shè)備廠房?jī)?nèi)。氮?dú)鉀]有爆炸危害，在相對(duì)封閉的空間內(nèi)氮?dú)庥兄舷⒌奈ｋU(xiǎn)。所以應(yīng)采取的措施有:廠房?jī)?nèi)必須保持連續(xù)通風(fēng);所有的安全閥泄放氣全部引至室外集中排放;操作人員進(jìn)入廠房?jī)?nèi)時(shí)應(yīng)佩戴氧氣報(bào)警儀。

3.儲(chǔ)罐。LNG罐區(qū)因儲(chǔ)存有大量的低溫可燃液體，是防火的重點(diǎn)區(qū)域。本部分的設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格按照GB/T 20368—2006《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)置攔儲(chǔ)系統(tǒng)。

6 總結(jié)

本裝置采用氮?dú)庋h(huán)膨脹、規(guī)整填料低溫精餾塔、高效鋁制板翅式換熱器等先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)，整套裝置具有技術(shù)成熟、工藝靈活、維護(hù)方便，投資成本低等特點(diǎn)。通過該裝置將合成氨的脫氫尾氣進(jìn)一步回收利用。氫氣提純后返回原料氣壓縮機(jī)進(jìn)口;甲烷提純后生產(chǎn)LNG用于外售，既減少了排放，又創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于現(xiàn)小型合成氨廠有極佳的投資價(jià)值。

［1］顧安忠.液化天然氣技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.