張宏偉(山西省中煤平朔爆破器材有限責任公司)

合成氨循環(huán)系統(tǒng)中甲烷含量低的原因分析

張宏偉(山西省中煤平朔爆破器材有限責任公司)

為了探究平安化肥有限責任公司三期工程合成氨系統(tǒng)甲烷集聚不高的原因，分析前工段凈化氣體的過程，通過理論及實驗數(shù)據(jù)分析研究脫碳工段的工藝過程，以達到節(jié)能降耗，穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的。

循環(huán)系統(tǒng);甲烷不起;脫碳排放;控制指標;高產(chǎn)高效

0 引言

合成氨循環(huán)系統(tǒng)甲烷含量控制的好壞，直接影響合成的氨產(chǎn)率及生產(chǎn)工藝的平穩(wěn)運行，因此控制甲烷的含量是合成操作的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的合成氨工藝要把甲烷的含量控制在10%——20%之間，而平安化肥有限責任公司三期工程的合成氨循環(huán)系統(tǒng)中甲烷含量很低，幾乎為零，就其原因作下列分析，以達到節(jié)能降耗，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。

1 甲烷的產(chǎn)生與脫除

合成氨循環(huán)系統(tǒng)甲烷集聚不高的原因是由于PSA—CO2/ R脫碳過程中，在脫去原料氣中二氧化碳的同時也把甲烷給脫除了， 導致原料氣中不會夾帶甲烷進入合成系統(tǒng)。因此，合成循環(huán)系統(tǒng)就不會集聚甲烷。要達到節(jié)能降耗這一目的，必須嚴格控制脫碳工藝指標，使原料氣充分利用，減少不必要的排放，以達到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。

合成氨生產(chǎn)過程中，制氣階段由于煤質(zhì)及操作條件(如爐溫)的影響，工藝指標控制不理想時，會產(chǎn)生1%左右的甲烷。在傳統(tǒng)的小氮肥生產(chǎn)過程中，甲烷及少量的氬稱作惰性氣體，氬是一種結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定的惰性氣體，含量很少很少，幾乎可以忽略不計。原料氣在凈化過程中，從脫硫、變換、碳化直到銅洗，甲烷不起任何化學反應，最后與氫氣、氮氣一同進入合成循環(huán)系統(tǒng)中。在高溫高壓的合成塔內(nèi)甲烷也不參加反應，結(jié)果在合成循環(huán)系統(tǒng)中越積越高，由于甲烷含量的升高，整個循環(huán)系統(tǒng)氫氣、氮氣含量就相對降低，直接影響到合成氨產(chǎn)率，甚至于影響合成反應的正常進行，最后被迫放空。平安化肥有限責任公司三期工程為年產(chǎn)50000噸多孔硝酸銨生產(chǎn)線。近年來，將原來小氮肥的碳化(氨水吸收二氧化碳生成碳氨)脫碳改為變壓吸咐脫碳，而變壓吸咐脫碳是合成系統(tǒng)中甲烷含量不增高的根本原因。

下面用科學數(shù)據(jù)和平安化肥有限責任公司三期的脫碳分析室的化驗數(shù)據(jù)兩種方法作具體討論。

2 根據(jù)數(shù)據(jù)對脫碳系統(tǒng)作具體分析

由表1-1可以看出，用活性炭作吸附劑常壓20℃時CH4/ CO2分離系數(shù)是2．00，CO/CH4的分離系數(shù)是2．07，N2/CH4的分離系數(shù)是2．84，H2/CH4的分離系數(shù)是6．97，說明原料氣通過活性炭變壓吸附時，對甲烷的吸附僅次于二氧化碳，且優(yōu)先于一氧化碳和氮氣，遠大于對氫氣的吸附。再由表1-2可以看出，用5A0分子篩、絲光沸石或13X分子篩作吸附劑時對甲烷、一氧化碳、氮氣三種組分的分離系數(shù)在1．18-1．79之間，說明這三種吸附劑對這三種組分的吸附能力差不多；用5A0分子篩、絲光沸石或13X分子篩作吸附劑時CO/CO2的分離系數(shù)分別是3．15、2．23、4．70說明這三種吸附劑對二氧化碳的吸附大于一氧化碳的吸附。(表1)

由表1可見，變壓吸附脫二氧化碳時，當用活性炭作吸附劑時，不可避免地把原料氣中的甲烷也脫去了。平安化肥有限責任公司三期工程的變壓吸附脫碳所用的吸附劑正是活性炭，所以從理論分析可知：脫碳工段已經(jīng)把甲烷脫去了。(表2)

表1 常見組分對各種吸附劑的分離系數(shù)(常壓20℃)

表2 PSA—CO2/R的設(shè)計能力與實際運行指標比較

3 對實驗數(shù)據(jù)的分析研究

從表2可以得出，脫碳后凈化氣占原料氣的比例：設(shè)計為12200/18060=67．55%，而實際為10121/17711=57．14%，實際比設(shè)計少67．55%-57．14%=10．41%，也就是說實際上多脫除了10．41%的氣體。從表2的數(shù)據(jù)看原料氣中氮氣、二氧化碳、一氧化碳、甲烷及硫化氫的組成含量都在設(shè)計指標范圍內(nèi)只有氫氣比設(shè)計指標稍高一點，在凈化氣中氮氣、二氧化碳、一氧化碳都在設(shè)計控制指標內(nèi)，硫化氫是超標的，氫氣還是稍高于設(shè)計指標，只有甲烷在凈化氣中沒有查到。由此可見，二氧化碳幾乎全部被吸附了，硫化氫還沒有全部吸附，多吸附的10．41%的氣體就只有甲烷、氮氣和氫氣了 。由表2的分析數(shù)據(jù)可見甲烷已經(jīng)被徹底吸附干凈。

由表2還可知，原料氣的回收率氫氣比設(shè)計低98．5%-81．32%=17．22%，氮氣比設(shè)計低90%-72．18%=17．82%，由此可知氣體的利用率要比設(shè)計利用率低約17%—18%。因此在脫碳過程中對原料氣中的有用組分也有一定的損失。只有控制好二氧化碳的工藝指標才能科學地、合理地利用好原料氣中的有用組分。這樣銅洗(精煉)工段雖然會增加一定的工作量，但對高產(chǎn)、高效是有益的。

4 結(jié)語

由上面的分析可知：在PSA—CO2/R脫碳過程中，脫去二氧化碳的同時把原料氣中的甲烷也全部脫去了，部分的氮氣和氫氣也會脫去，所以在合成循環(huán)系統(tǒng)中就不會積累太多的甲烷。為此，在PSA—CO2/R脫碳過程中，二氧化碳控制工藝指標合格的情況下，應盡量減少排放氣的量，減少氮氣和氫氣的排放，有利于充分利用氮氣和氫氣。只有這樣才能減少原料氣的浪費，做到節(jié)能降耗，提高效率，增加產(chǎn)量。

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張宏偉(1966- )，男，漢族，山西朔州人，身份證號142128196603250036，大學，助理工程師，研究方向，無機物工藝。