王 飛，賈 軍

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

1 技術背景

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)、氮氣(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，進燃氣爐燃燒，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)，并且泡點相差較大，非常有利于采用深冷精餾的方法進行。

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。其無色、無味、無毒且無腐蝕性，重量僅為同體積水的45%左右，熱值35880 kJ/m3，由氣態(tài)轉變成液態(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，便于攜帶和運輸，既可以為管網(wǎng)進行季節(jié)、故障應急調(diào)峰，也可以實現(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。混合制冷劑液化流程一般用于大型液化裝置，由于采用多種制冷劑混合技術，充分利用不同等級的冷量使得液化效率高，能耗低，但需配備冷劑壓縮、循環(huán)、儲存系統(tǒng)，整個裝置技術水平要求高，投資較大。膨脹機液化流程中以氮氣為制冷劑，采用等熵膨脹的技術制冷，具有流程簡單、調(diào)節(jié)靈活、工作可靠、易啟動、易操作、維護方便等優(yōu)點。

2 裝置設計

2.1 設計條件

倍豐集團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氣源。

寧安化工根據(jù)生產(chǎn)情況，對本裝置提出了如下的要求:1.產(chǎn)品純度要求達到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進口。

2.2 工藝路線的選擇

根據(jù)原料參數(shù)和設計要求，對本裝置的工藝流程進行了選擇。

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，無須再壓縮，節(jié)約了部分電耗，并能通過焦爾－湯姆生效應，提高液化效率，降低制冷能耗。原料氣成分簡單、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。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，越容易進行低溫精餾的分離。所以低溫精餾很容易實現(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入口，從而能夠進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，要實現(xiàn)較好的效益，必須盡可能降低裝置的設備投資和運行成本。氮氣壓縮機、膨脹機應用廣泛，生產(chǎn)廠家多，制造技術成熟，使用維護方便。氮氣作為不燃氣體，壓縮機、電機、廠房以及儀表電氣系統(tǒng)等無需按防爆設計，且對安全距離的要求也較低，非常適合于現(xiàn)有廠區(qū)的技術改造。由于裝置生產(chǎn)能力小，循環(huán)氮氣須采用低壓循環(huán)，以滿足膨脹機的要求。

3 工藝流程簡述

本裝置采用氮氣循環(huán)、增壓透平膨脹機制冷、填料精餾工藝制取液化天然氣。整套機組包括:分子篩凈化系統(tǒng)、氮氣循環(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)的低壓氮氣。

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

圖1 設備工藝流程圖Fig.1 Processflow drawing of plant

本套裝置的冷源主要由氮氣膨脹制冷系統(tǒng)以及低溫節(jié)流提供。氮氣膨脹制冷系統(tǒng)利用來自空分裝置的低壓氮氣，先通過活塞式氮氣壓縮機加壓，之后進入膨脹機的增壓端進一步壓縮。大部分氮氣冷卻到一定溫度即從主換熱器中部抽出，進入膨脹機的膨脹端進行等熵膨脹。膨脹后的低壓氮氣返回主換熱器，將冷量傳遞給原料氣后，返回氮氣壓縮機入口。本套裝置的工藝簡圖見圖1。

4 裝置的設計指標與能耗

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

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

表2 主要配套機組能耗表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)有燃氣爐85%的效率、CH4燃燒低熱值35880 kJ/m3計算得到，產(chǎn)生的熱量為1.5868×107kJ/h，查表得燃氣爐90℃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)有燃氣爐85%的效率、H2燃燒低熱值18800 kJ/m3計算得出，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、蒸汽價格100元/t、年運行300 d計算得出，每年的原料成本為8146×24×300×100=586.5萬元。

4.1.2 成本與效益分析

4.1.2.1 成本分析

本項目總投資為1296萬元，按年運行300 d計，全年LNG產(chǎn)量為2580 t。生產(chǎn)運行中，氮氣壓縮機的功率因素按0.8、電價0.42元/(kW·h)計算，噸產(chǎn)品電耗為772×0.42×0.8×24÷8.6=723元;測算得噸產(chǎn)品的人工成本為83.7元;本項目1296萬元的總投資，噸產(chǎn)品利息加折舊為670.7元。上述3項合計噸產(chǎn)品的運行成本為1477.4元，年運行成本為1477.4×2580=381萬元，年原料氣成本和運行成本合計586.5+381=967.5萬元。

4.1.2.2 效益分析

LNG的市場售價為4800元/t，年銷售收入4800×8.6×300=1238.4萬元。另外，深冷液化裝置返回氣中有350 m3/h的N2和250 m3/h的H2，進入合成氨系統(tǒng)被利用，其中的250 m3/h H2進入系統(tǒng)后按日產(chǎn)尿素4.16 t、尿素價格2000元//t計，年經(jīng)濟效益為4.16×300×2000元=249.6萬元。兩項合計效益為1238.4+249.6=1488萬元。除去成本，理論上年利潤為1488－967.5=520.5萬元。

5 安全措施與注意事項

本裝置利用氮氣膨脹循環(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轉的安全措施。主要有以下幾個方面:

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。特別是低溫冷箱在呼吸盒出口也設置了可燃氣體報警裝置。一旦出現(xiàn)泄漏可以第一時間發(fā)現(xiàn)。

2.氮氣。氮氣壓縮機與膨脹機的增壓端位于設備廠房內(nèi)。氮氣沒有爆炸危害，在相對封閉的空間內(nèi)氮氣有窒息的危險。所以應采取的措施有:廠房內(nèi)必須保持連續(xù)通風;所有的安全閥泄放氣全部引至室外集中排放;操作人員進入廠房內(nèi)時應佩戴氧氣報警儀。

3.儲罐。LNG罐區(qū)因儲存有大量的低溫可燃液體，是防火的重點區(qū)域。本部分的設計必須嚴格按照GB/T 20368—2006《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》的國家標準進行設計，設置攔儲系統(tǒng)。

6 總結

本裝置采用氮氣循環(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設備與技術，整套裝置具有技術成熟、工藝靈活、維護方便，投資成本低等特點。通過該裝置將合成氨的脫氫尾氣進一步回收利用。氫氣提純后返回原料氣壓縮機進口;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)濟效益，對于現(xiàn)小型合成氨廠有極佳的投資價值。

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