技術(shù)前沿

合成氨弛放氣中氨的凈化吸收新技術(shù)開發(fā)成功

氨是化肥工業(yè)和基本有機(jī)化工的主要原料,我國(guó)目前合成氨年產(chǎn)量達(dá)5500萬噸左右,占世界總產(chǎn)量的40%以上。農(nóng)業(yè)和化工行業(yè)的發(fā)展對(duì)氨氣、尿素、磷酸銨、硝酸銨等需求量的增加,促使我國(guó)合成氨工業(yè)快速發(fā)展,年生產(chǎn)量持續(xù)上升。在氨的合成過程中,為使氫氮?dú)獯呋砂钡姆磻?yīng)有效地進(jìn)行,需保持合成循環(huán)氣中甲烷、氬等惰性氣的含量在17%-25%的范圍內(nèi),因此要從氨合成氣中排出一定數(shù)量的循環(huán)合成氣,此部分氣體被稱作合成弛放氣。噸氨弛放氣排放量約300-400立方米,其中氨含量體積百分比為3%-6%。此外,還有一部分弛放氣來自冷凍系統(tǒng)。這些弛放氣,若直接排放或燃燒,將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,并浪費(fèi)了大量有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氫資源。針對(duì)合成氨弛放氣,目前工業(yè)普遍采用水洗工藝回收氨,以水作為吸收劑,對(duì)弛放氣中的氨進(jìn)行洗滌吸收。該技術(shù)存在水和提濃蒸汽消耗大、能耗高、腐蝕性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益較差等問題。因此,急待開發(fā)凈化效率高、能耗低的清潔工藝技術(shù)。

離子液體被稱為“綠色可設(shè)計(jì)溶劑”,是指在室溫或接近室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的、完全由陰陽離子所組成的鹽,也稱為低溫熔融鹽。由于離子液體本身所具有的許多傳統(tǒng)溶劑所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)及可作為綠色溶劑應(yīng)用于有機(jī)及高分子物質(zhì)的合成,因而受到越來越多的化學(xué)工作者的關(guān)注,被廣泛應(yīng)用于化學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中。特別是離子液體作為反應(yīng)溶劑已被應(yīng)用到氫化反應(yīng)、傅-克反應(yīng)、Heck反應(yīng)、分離提純、電化學(xué)研究等多種類型反應(yīng)中。與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑相比,離子液體具有熔點(diǎn)低、酸堿性范圍可調(diào)、無毒高極性、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)和燃燒等特點(diǎn),能夠取代有機(jī)溶劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的綠色化。

中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所離子液體清潔過程與節(jié)能創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基于在離子液體基礎(chǔ)及應(yīng)用方面的長(zhǎng)期研究積累,提出了采用離子液體為吸收劑,回收合成氨弛放氣中氨的新技術(shù)。在國(guó)家“863”計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院院地合作、國(guó)家自然基金委等項(xiàng)目的支持下,系統(tǒng)研究了離子液體微觀結(jié)構(gòu)對(duì)弛放氣中的氨、氫、氮、甲烷等氣體的作用機(jī)理和分離性能的影響規(guī)律,獲得相關(guān)氣體在離子液體中的傳遞和放大規(guī)律,通過物質(zhì)和能量?jī)?yōu)化集成,研發(fā)了合成氨弛放氣中氨回收的成套工藝和裝備。

采用該工藝凈化處理合成氨弛放氣可直接得到純氨產(chǎn)品、不需消耗水、能耗低、流程簡(jiǎn)單、無含氨廢水排放,回收氨后的凈化弛放氣,經(jīng)膜分離后可提取得到較高純度氫氣。川化股份有限公司應(yīng)用該工藝在合成氨系統(tǒng)建成了首套1000立方米/小時(shí)工業(yè)性試驗(yàn)裝置,并連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月,回收氨的純度達(dá)到95%以上,弛放氣中氨的凈化率達(dá)到99%,能耗較現(xiàn)有水洗工藝降低約30%,降低了合成氨生產(chǎn)成本。

2014年1月13日,由中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所、中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司和川化股份有限公司合作完成的“合成氨弛放氣中氨的凈化吸收新技術(shù)”項(xiàng)目,順利通過了中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科技成果鑒定。鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為:項(xiàng)目開發(fā)的離子液體回收利用氨的新技術(shù)及成套裝置,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,推廣應(yīng)用前景廣闊。

離子液體回收合成氨弛放氣中氨新技術(shù)的成功應(yīng)用,證明了離子液體新介質(zhì)在氣體分離工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的可行性和先進(jìn)性,為以離子液體為核心的氣體分離回收利用新技術(shù)的研發(fā)奠定了科學(xué)依據(jù)和工程基礎(chǔ),開辟了氣體分離技術(shù)創(chuàng)新的新途徑。該技術(shù)不僅能用于合成氨弛放氣中氨的回收,同時(shí)也可推廣應(yīng)用到尿素造粒塔的排放尾氣、焦?fàn)t煤氣、氨冷凍儲(chǔ)罐排氣、硝酸裝置尾氣等其他含氨氣體中氨的回收凈化處理,為石油和化工企業(yè)實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、綠色生產(chǎn),完成國(guó)家“十二五”節(jié)能減排目標(biāo),提供了一種先進(jìn)適用的新技術(shù)。

(汪家銘)