張宏偉(山西省中煤平朔爆破器材有限責(zé)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(zé)任公司)

為了探究平安化肥有限責(zé)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究脫碳工段的工藝過程，以達(dá)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(biāo);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(yùn)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(zé)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(dá)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(shí)也把甲烷給脫除了， 導(dǎo)致原料氣中不會(huì)夾帶甲烷進(jìn)入合成系統(tǒng)。因此，合成循環(huán)系統(tǒng)就不會(huì)集聚甲烷。要達(dá)到節(jié)能降耗這一目的，必須嚴(yán)格控制脫碳工藝指標(biāo)，使原料氣充分利用，減少不必要的排放，以達(dá)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(biāo)控制不理想時(shí)，會(huì)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(jì)。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(xué)反應(yīng)，最后與氫氣、氮?dú)庖煌M(jìn)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(yīng)，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(gè)循環(huán)系統(tǒng)氫氣、氮?dú)夂烤拖鄬?duì)降低，直接影響到合成氨產(chǎn)率，甚至于影響合成反應(yīng)的正常進(jìn)行，最后被迫放空。平安化肥有限責(zé)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(xué)數(shù)據(jù)和平安化肥有限責(zé)任公司三期的脫碳分析室的化驗(yàn)數(shù)據(jù)兩種方法作具體討論。

2 根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)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(shí)，對(duì)甲烷的吸附僅次于二氧化碳，且優(yōu)先于一氧化碳和氮?dú)?，遠(yuǎn)大于對(duì)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(shí)對(duì)甲烷、一氧化碳、氮?dú)馊N組分的分離系數(shù)在1．18-1．79之間，說明這三種吸附劑對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)，當(dāng)用活性炭作吸附劑時(shí)，不可避免地把原料氣中的甲烷也脫去了。平安化肥有限責(zé)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(duì)各種吸附劑的分離系數(shù)(常壓20℃)

表2 PSA—CO2/R的設(shè)計(jì)能力與實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)比較

3 對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jì)為12200/18060=67．55%，而實(shí)際為10121/17711=57．14%，實(shí)際比設(shè)計(jì)少67．55%-57．14%=10．41%，也就是說實(shí)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?dú)?、二氧化碳、一氧化碳、甲烷及硫化氫的組成含量都在設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)只有氫氣比設(shè)計(jì)指標(biāo)稍高一點(diǎn)，在凈化氣中氮?dú)狻⒍趸?、一氧化碳都在設(shè)計(jì)控制指標(biāo)內(nèi)，硫化氫是超標(biāo)的，氫氣還是稍高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，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?dú)夂蜌錃饬?。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(jì)低98．5%-81．32%=17．22%，氮?dú)獗仍O(shè)計(jì)低90%-72．18%=17．82%，由此可知?dú)怏w的利用率要比設(shè)計(jì)利用率低約17%—18%。因此在脫碳過程中對(duì)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(biāo)才能科學(xué)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(huì)增加一定的工作量，但對(duì)高產(chǎn)、高效是有益的。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)把原料氣中的甲烷也全部脫去了，部分的氮?dú)夂蜌錃庖矔?huì)脫去，所以在合成循環(huán)系統(tǒng)中就不會(huì)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(biāo)合格的情況下，應(yīng)盡量減少排放氣的量，減少氮?dú)夂蜌錃獾呐欧?，有利于充分利用氮?dú)夂蜌錃狻Ｖ挥羞@樣才能減少原料氣的浪費(fèi)，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(hào)142128196603250036，大學(xué)，助理工程師，研究方向，無機(jī)物工藝。