張蒙恩，孟 雪，張洋洋

（河南心連心化學工業(yè)集團股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453731）

0 引 言

某廠的煤制甲醇項目，采用四噴嘴水煤漿氣化、CO寬溫耐硫變換、 （大連理工）低溫甲醇洗凈化、絕熱等溫復合型甲醇合成的工藝路線。其配套的空分裝置采用低溫精餾法，利用液化空氣中各組分沸點的不同而進行分離：原料空氣經(jīng)過濾和空壓機組壓縮后，通過水冷和分子篩系統(tǒng)除去其中的水和二氧化碳，再經(jīng)過換熱、膨脹、等溫節(jié)流冷卻并液化，最終在精餾塔中實現(xiàn)氧、氮組分分離的同時排出危險雜質(zhì)，此過程中，空分裝置在得到高純度氧氣和氮氣的同時，也會產(chǎn)生較大量的污氮氣。現(xiàn)空分裝置有液氮、低壓氮氣、中壓氮氣和高壓氮氣等多種氮氣產(chǎn)品，各氮氣管網(wǎng)壓力等級及下游用戶/裝置情況見表1。

表1 各氮氣管網(wǎng)壓力等級及下游用戶/裝置情況

如今，為提高產(chǎn)品調(diào)配的靈活性，以提升企業(yè)的市場競爭力，該廠擬在其煤制甲醇項目基礎(chǔ)上擴建合成氨裝置，實現(xiàn)合成氨、甲醇產(chǎn)能的柔性調(diào)節(jié)。經(jīng)核算，擬建合成氨裝置有39500m3/h（標況，下文無特別說明處均為標況）的原料氮氣需求，解決原料氮氣來源成為擬建合成氨項目能否實施的基礎(chǔ)與前提之一。

1 原料氮氣的獲取途徑

大型合成氨裝置工藝氣凈化一般配套低溫甲醇洗和液氮洗工藝，合成氨裝置的原料氮氣在液氮洗系統(tǒng)中不僅用于配制氫氮比為3∶1的合成氣，還擔負著在氮洗塔內(nèi)凈化CO的重任，因此原料氮氣的純度及組分要遵照當前中壓氮氣管網(wǎng)的指標要求。經(jīng)分析，擬建合成氨裝置原料氮氣除了可通過新建空分裝置將空氣分離獲得外，還可通過收集現(xiàn)各壓力等級氮氣管網(wǎng)的富裕氮氣加以利用而獲得——具體方式有液氮汽化、低壓氮氣加壓、污氮氣提純（包括污氮深冷分離、污氮除氧）等，具體方案及其可行性分析如下。

1.1 液氮汽化

單套空分裝置液氮產(chǎn)量為3300m3/h，通過后備系統(tǒng)的液氮汽化器將其汽化可滿足擬建合成氨裝置的原料氮氣需求。此方案的優(yōu)點是，可利用原有的后備系統(tǒng)設(shè)備，無需新增設(shè)備。此方案的缺點有二：一是液氮售價400元/t，液氮汽化的成本高達0.5元/m3，運行成本較高；二是后備系統(tǒng)主要是應(yīng)急使用，是為了保障空分裝置運行不穩(wěn)定或故障時生產(chǎn)系統(tǒng)短時間內(nèi)可以正常運行，長期采用液氮汽化的方式滿足擬建合成氨裝置的原料氮氣需求，存在極大的安全隱患。

1.2 低壓氮氣加壓

0.42MPa的低壓氮氣供液氮洗系統(tǒng)、低溫甲醇洗系統(tǒng)和其他裝置使用后，仍有約10000 m3/h的余量，可通過增設(shè)氮氣壓縮機（氮氣壓縮機功率約1200kW）將這部分富余的低壓氮氣增壓至6.11MPa后并入中壓氮氣管網(wǎng)，用作擬建合成氨裝置的原料氮氣。此方案的優(yōu)點是，改造范圍較小，僅需增加氮氣增壓機并對相應(yīng)管線進行改造，投資小，運行成本也較低。此方案的缺點有二：一是低壓氮氣富余量僅10000m3/h，富余量較少，不能完全滿足擬建合成氨裝置對中壓氮氣的氣量需求；二是系統(tǒng)開停車過程中，吹掃和置換均需間歇使用低壓氮氣，即低壓氮氣管網(wǎng)不能連續(xù)穩(wěn)定地提供10000m3/h的低壓氮氣用于增壓為中壓氮氣。

1.3 污氮氣提純

經(jīng)前工序預(yù)處理的空氣經(jīng)空分裝置主塔精餾后，上塔頂部得到污氮氣，污氮氣經(jīng)過冷器、板式換熱器復熱后出冷箱，之后送往空分預(yù)冷系統(tǒng)水冷塔和分子篩再生加熱器利用，這部分污氮氣氣量約270000m3/h，完全可滿足擬建合成氨裝置對中壓氮氣氣量的需求，只是污氮氣中的N2含量為98.5%、O2含量為1.5%，為滿足后續(xù)工段的工藝需求，污氮氣在利用前需對其進行提純，去除其中的O2。污氮氣提純方案如下。

1.3.1 污氮深冷分離

污氮深冷分離系統(tǒng)工藝流程簡圖見圖1。空分冷箱來污氮氣經(jīng)壓縮后進入主換熱器，被返流氣體冷卻并膨脹后進入制氮塔底部參與精餾，制氮塔頂部獲得產(chǎn)品氮氣，制氮塔底部的富氧液氮進入蒸發(fā)冷凝器的蒸發(fā)側(cè)，用于冷凝制氮塔頂部的氮氣，蒸發(fā)冷凝器頂部抽出的污氮氣依次經(jīng)過冷器冷端、主換熱器冷端復熱至常溫后出冷箱。

圖1 污氮深冷分離系統(tǒng)工藝流程簡圖

污氮深冷分離系統(tǒng)的氮氣產(chǎn)品純度與原空分裝置氮氣產(chǎn)品純度保持一致，但污氮深冷分離系統(tǒng)對氮氣的提取率一般只有65% ～70%，要滿足擬建合成氨裝置39500m3/h的原料氮氣需求，也就意味著污氮深冷分離系統(tǒng)的進氣量要達到約60000m3/h，為降低污氮氣抽取對原空分裝置的影響，建議污氮深冷分離系統(tǒng)產(chǎn)出的污氮氣再返回原空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)水冷塔或分子篩；也可采用雙塔精餾［1］的模式提高氮氣的提取率，以減小污氮深冷分離系統(tǒng)的規(guī)模及能耗。

1.3.2 污氮除氧

污氮除氧系統(tǒng)工藝流程簡圖見圖2［圖中：N1為冷箱來的污氮氣，N2為壓縮機出口污氮氣，N3除氧反應(yīng)器進口污氮氣，N4為除氧反應(yīng)器出口污氮氣，N5為氮氣冷卻器出口氮氣，N6為水分離罐出口氮氣，N7為分子篩出口氮氣，N8為產(chǎn)品氮氣（即液氮洗系統(tǒng)進口氮氣），H1為氫氮比為3∶1的合成氣］?？辗掷湎鋪淼腛2含量為1.5%的污氮氣經(jīng)壓縮后進入除氧反應(yīng)器，與液氮洗系統(tǒng)來的氫氮比為3∶1的合成氣中的H2在鈀催化劑作用下反應(yīng)，除氧反應(yīng)器連接汽包移出反應(yīng)熱并副產(chǎn)0.5MPa蒸汽，除氧反應(yīng)器出口工藝氣O2含量＜5×10-6，經(jīng)冷卻、水分離和分子篩脫水后進入液氮洗系統(tǒng)。

圖2 污氮除氧系統(tǒng)工藝流程簡圖

污氮除氧工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵物流數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯觯a(chǎn)品氮氣（N8，即液氮洗系統(tǒng)進口氮氣）含有0.7%的H2，且產(chǎn)品氮氣壓力略低于中壓氮氣管網(wǎng)壓力，因此建議產(chǎn)品氮氣進液氮洗系統(tǒng)前增設(shè)緩沖罐，以免含H2氮氣污染氮氣管網(wǎng)。污氮除氧方式獲得的產(chǎn)品氮氣（N8），進入液氮洗系統(tǒng)被返流合成氣和燃料氣/富氫氣降溫至-193℃后送入氮洗塔塔頂，用于洗滌來自低溫甲醇洗系統(tǒng)的凈化氣。經(jīng)化工流程模擬軟件分析與核算，氮洗塔出口合成氣中的CO含量仍滿足工藝要求，表明此含H2氮氣可用于液氮洗配氮及氮洗塔。

表2 污氮除氧工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵物流數(shù)據(jù)

1.4 小 結(jié)

綜上，擬建合成氨裝置所需的原料氮氣可通過液氮汽化、低壓氮氣加壓、污氮氣提純（包括污氮深冷分離和污氮除氧）等方式獲得，不過各獲取方式各有利弊：液氮汽化和低壓氮氣加壓獲取方式適合小型裝置使用；污氮深冷分離方式，產(chǎn)品純度高但提取率低，適合大型裝置，深冷分離后的污氮氣最好返回原空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)水冷塔或分子篩；污氮除氧方式，提取率高但產(chǎn)品氣含H2，獲得的氮氣僅能供液氮洗系統(tǒng)使用，不能并入氮氣管網(wǎng)。

本擴建裝置產(chǎn)品為合成氨，有39500m3/h的原料氮氣需求，據(jù)合成氨原料需求特性，一方面可以通過提供合格的純氮氣來滿足擬建項目需求，另一方面也可通過提供合格的氮氫混合氣進入液氮洗配氣流程滿足擬建項目需求。因此，上述方案中的污氮深冷分離和污氮除氧方案均適用于該擬建項目，甚至對該擬建項目而言，方案中的弊端有時反而是有利的，如污氮除氧方案中產(chǎn)品氮氣含H2的弊端，對本項目而言可充分回收利用產(chǎn)品氣中的H2，提高原料利用率。總之，該廠擬建合成氨裝置中壓氮氣采用污氮氣提純（包括污氮深冷分離和污氮除氧）獲取是較為可行的方案。

2 污氮氣抽取對空分裝置的影響

空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)工藝流程簡圖見圖3。來自冷箱的150000m3/h污氮氣從水冷塔底部進入，與從水冷塔頂部進入的195m3/h循環(huán)水（溫度32.7℃）逆流接觸，經(jīng)質(zhì)熱交換后，污氮氣被增濕升溫后排入大氣，被逆流而上的污氮氣冷卻至15.7℃的循環(huán)水則從水冷塔底部排出，經(jīng)循環(huán)水泵加壓并經(jīng)溴化鋰制冷機組降溫至8.4℃后成為空冷塔上部的低溫冷凍水。

圖3 空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)工藝流程簡圖

若將來自冷箱的150000m3/h污氮氣抽取出其中的40000m3/h用于提純制取擬建合成氨裝置的原料氮氣，水冷塔污氮氣量減少會導致水冷塔底部循環(huán)水溫度上升［2］至20.2℃，繼而使空冷塔上部低溫冷凍水溫度上升至12.9℃，影響分子篩的吸附效果；當然，可通過加大溴化鋰制冷機組負荷的方式降低空冷塔上部低溫冷凍水的溫度，經(jīng)化工流程模擬軟件分析與核算，原流程溴化鋰制冷機組的制冷量為1600kW，只要將溴化鋰制冷機組的制冷量增至2600kW 即可將空冷塔上部低溫冷凍水的溫度降至8.4℃，只是溴化鋰制冷機組0.5MPa蒸汽消耗會增加1.2 t/h、循環(huán)水消耗會增加375m3/h，也就是說，完全可通過加大溴化鋰制冷機組負荷的方式消除污氮氣抽取對空分裝置預(yù)冷系統(tǒng)的不利影響，即污氮氣提純獲取合成氨裝置所需原料氮氣在工藝上是可行的。

3 結(jié)束語

綜上所述，煤制甲醇項目擴建合成氨裝置原料氮氣的來源豐富——液氮汽化、低壓氮氣加壓、污氮氣提純（包括污氮深冷分離和污氮除氧）等方式均可獲得，其中，對空分裝置污氮氣提純的利用方式，合理利用了生產(chǎn)系統(tǒng)的公共資源，充分保障了系統(tǒng)的氮氣用量，且提純工藝系統(tǒng)運行穩(wěn)定、安全，工藝操作簡單、自動化程度高，可有效保障擬建合成氨裝置的高負荷或滿負荷、長周期、安全、穩(wěn)定運行，可作為改擴建大型合成氨裝置時原料氮氣獲取的優(yōu)選方案。