回收合成氨尾气副产液化天然气工艺技术

回收合成氨尾气副产液化天然气工艺技术
王辉
【摘要】A description is given of the selection of process schemes liquefying and separating methane from ammonia vent gas and purge gas from ammonia tank to produce liquefied natural gas, and the economic benefit of the project is analyzed.After constructed and put into operation of the project,the annual sales revenue is 21.456 million yuan,and the annual new profit is 4.972 million yuan,which has significance to the transformation of traditional ammonia industry chain.%介绍了氨合成放空气和氨罐弛放气中甲烷液化分离制液化天然气的工艺方案选择，分析了该项目的经济效益。

该项目建成投产后，年销售收入2145．60万元，每年可新增利润497．20万元，对改造传统的合成氨产业链具有重要意义。

【期刊名称】《化肥工业》
【年(卷),期】2015(000)003
【总页数】4页(P17-20)
【关键词】放空气;弛放气;液化天然气
【作者】王辉
【作者单位】安徽昊源化工集团有限公司安徽阜阳 236056
【正文语种】中文
【中图分类】X781.4
安徽昊源化工集团有限公司(以下简称安徽昊源公司)本部现有总氨生产能力1200
kt/a，日产总氨4000 t;建有6套氨合成装置，其中4套装置的合成压力为22.0 MPa，2套与航天炉粉煤气化工艺配套的低压氨合成装置的合成压力为15.0 MPa。

为更好地利用系统资源，决定分离回收与固定层间歇气化工艺配套的氨合成装置的放空气以及氨罐弛放气中的甲烷，然后甲烷液化生产液化天然气(LNG)。

该项目是结合安徽昊源公司实际情况，对氨合成放空气和氨罐弛放气中的甲烷和氢气进行回收利用，最终得到高纯度的液态甲烷，废气返回气柜或合成系统再利用，从而达到节能、环保、减排增效的循环利用目的。

该项目建成后，年销售收入2145.60万元，每年可为企业新增利润497.20万元。

1 工艺技术方案
该装置的主要原料为氨合成放空气及氨罐弛放气，主要成分为 NH3，H2，N2，CH4 和 Ar。

其工艺原理是根据原料气中各组分沸点的差异，通过低温精馏的方法进行分离。

由于精馏塔内各塔板或填料不同位置的压力和温度各异，所以可实现连续气液分离，最终使轻组分在塔上部富集、重组分在塔下部提浓，实现原料气中各组分的提纯回收。

1.1 高压水洗净氨
通过低温精馏技术回收氨合成放空气及氨罐弛放气中氨后的尾气进入高压水洗塔，以脱除其中微量的氨;净氨后的尾气再经气液分离器分离水分后进入后工序。

1.2 干燥(尾气脱水)
常用的脱水吸附剂有活性氧化铝、硅胶和分子筛，具体流程有等压干燥、双塔吸附干燥和三塔吸附干燥流程。

该项目采用双塔干燥流程，由2台干燥器、1台加热器、1台冷却器和1台分离器组成。

当1台干燥器处于吸附步骤时，另1台干燥器处
于加热和冷吹步骤。

此流程的优点是在再生的过程中加热塔可充分利用处于冷吹步
骤的干燥塔的热量，从而达到节能目的。

经干燥后的产品气体常压露点为-70℃。

1.3 制冷与液化
制冷与液化是该装置的核心部分，主要由制冷系统及液化分离系统组成。

目前，常用的LNG制冷流程主要有膨胀机制冷流程、复叠制冷流程和混合制冷剂制冷流程
3种。

1.3.1 膨胀机制冷流程
带膨胀机的制冷液化循环的冷量主要由气体在膨胀机中绝热膨胀产生，可分为直接膨胀制冷和间接膨胀制冷。

直接膨胀制冷的天然气液化循环是利用气体的自身压力在膨胀机中绝热膨胀制冷，使天然气液化，几乎不消耗额外的能量，但其液化率较低，一般在7%～15%。

间接式膨胀机制冷液化循环是将另一种气体(如氮气)经压缩后进入冷箱，由其膨胀制冷来液化天然气。

此种循环几乎可以使天然气全部液化，属于气体制冷循环，与复叠式和混合制冷剂循环相比，具有机动灵活、装置简单的特点，但能耗相对略高，多用于中、小型设备。

1.3.2 复叠制冷流程
复叠制冷流程是由几个气体制冷循环复叠而成，如可用丙烷、乙烯和甲烷为制冷剂的制冷循环复叠制冷以实现天然气的液化。

丙烷经压缩机压缩、水冷却后液化，液态丙烷节流后蒸发制冷(温度约为-45℃)，用其来冷却乙烯，使压缩后的乙烯液化;
液态乙烯节流后蒸发制冷(温度约为-100℃)，用其来冷却压缩后的甲烷，并使甲烷液化;液态甲烷节流后蒸发制冷(温度约为-160℃)，用其来使原料天然气液化和过冷。

原料天然气净化后，先在丙烷冷却器和乙烯冷却器中冷却，然后在甲烷冷却器中冷凝，再减压后进入储槽，其蒸气进入燃料气管网。

该制冷流程的能耗最低，但机组和附属设备多，故投资最大，且流程、管道与控制系统复杂，操作、维护均不方便。

1.3.3 混合制冷剂流程
混合制冷剂液化循环是20世纪60年代末在复叠式制冷液化循环的基础上发展起来的，以多组分混合物作为制冷剂，代替了复叠式制冷液化循环中的单组分的多种制冷剂，从而简化了流程。

混合制冷剂一般是5～6种组分的混合物，工作时利用混合物中重组分先冷凝、轻组分后冷凝，使各组分依次节流、蒸发制冷，最终使天然气液化，具体实施时有多种变形流程。

其特点是设备相对复叠式制冷简单，能耗较低，但制冷剂需专门配制，适用于大规模天然气液化和气体组分稳定的场合。

1.3.4 几种制冷与液化流程比较
适合合成氨装置的几种制冷与液化流程对比见表1。

表1 适合合成氨装置的几种制冷与液化流程对比
由于安徽昊源公司的LNG项目液化规模较小，故选择间接膨胀机制冷液化循环作为液化分离生产的制冷流程，具有设备少、操作简单、启停方便的优点。

2 工艺流程
2.1 工艺流程
氨合成放空气及氨罐弛放气中甲烷液化分离制LNG工艺流程见图1。

图1 氨合成放空气及氨罐弛放气中甲烷液化分离制LNG工艺流程
该项目主要包括水洗、干燥、液化分离和产品储存装车、控制及安全系统。

原料气首先进入水洗装置，将其中的氨体积分数净化至100×10-6以下，然后进入干燥装置进行脱水处理;经干燥后原料气的露点达到-65℃以下时，将其送入液化分离冷箱，通过低温精馏操作，得到LNG产品和氮氢气，剩余的尾气(主要为氮气和氩气)送至放空总管。

2.2 工艺流程说明
2.2.1 原料气深度净氨
该装置进口原料气含氨体积分数在2%左右，经水洗净氨后，保证出口气体含氨体
积分数〈100 ×10-6。

2.2.2 原料气干燥
该工艺配置2台干燥器连续循环运行，1台干燥器处于吸附阶段，另1台干燥器
则处于吸附剂再生过程的冷吹和加热阶段。

再生气为出精馏塔塔顶的尾气，再生后送出界区。

(1)吸附过程
原料气自塔底经程控阀进入正处于吸附状态的干燥器A内，在吸附剂的选择性吸
附下，其中的水分被吸附，未被吸附的原料气通过程控阀进入后工序。

当被吸附杂质的传质区前沿到达干燥器床层出口预留段时，关闭该干燥器的原料气进料阀和产品气出口阀，停止吸附，干燥器A转入再生过程，干燥器B进入吸附过程。

(2)逆放过程
在吸附过程结束后，逆着吸附方向进行减压，使被吸附的气体从干燥器底部经程控阀减压解吸，再通过调节阀调节压力后放空。

(3)再生加热过程
逆放过程结束后，尾气(开车初期可用原料气代替)在再生气加热器内加热至约220℃后，经程控阀从干燥器顶部自上而下冲洗吸附剂床层，将吸附在吸附剂上的杂质完全解吸出来，使吸附剂得到再生，解吸出的气体通过程控阀放空。

当干燥器底部出口气体温度达到180～200℃时，可认为再生完成。

(4)吹冷过程
再生加热完成后，关闭再生气加热器，采用尾气对干燥器自上而下进行吹冷。

当干燥器出口气体温度达到常温时，吹冷过程结束。

(5)升压过程
再生过程完成后，用吸附后的纯净气体通过调节阀对干燥器缓慢而平稳地升压至吸附压力。

经此过程后，干燥器便完成了一个完整的吸附-再生循环，为下一次吸附
做好了准备。

整个净化单元过程由程序自动控制，净化系统压力由调节阀控制，并在干燥工序出口的工艺管线上配置在线露点仪用于监测干燥效果，确保进入冷箱的原料气满足工艺要求。

干燥工序工艺操作条件:吸附压力约4.0 MPa(表压)，吸附温度≤40℃，再生压力约0.05 MPa(表压)，再生气进口温度200～220℃，再生气出口温度180℃，干燥器切换时间8 h。

2.2.3 LNG液化提取及氮氢气的分离
液化分离部分拟采用氮气间接膨胀机制冷加精馏液化流程(图2)。

图2 液化分离工艺流程
经干燥后的原料气(约40℃)进入冷箱，依次经一级板翅式换热器、二级板翅式换
热器充分换热后进入塔前分离器，以氢气、氮气为主的气态流体从顶部出塔，经换热器复温后出装置。

塔前分离器底部液相经减压后进入甲烷精馏塔，通过热质交换，塔底体积分数〉99%的液态甲烷经换热器过冷后得到过冷LNG产品，经减压送往LNG储槽;塔顶尾气经换热器复温后出冷箱。

氮气膨胀制冷循环主要由氮气压缩机、透平膨胀机、冷箱等设备构成，通过循环为原料气的液化与精馏提供冷量。

各物料组分体积分数见表2。

表2 各物料组分体积分数/%
3 经济效益分析
3.1 成本费用估算
(1)原材料、辅助材料费用:原材料中年消耗蒸汽费用963.54万元，公用工程中年
消耗脱盐水、循环水、氮气、仪表空气、2.5 MPa蒸汽及电费合计为321.18万元，化学品及催化剂年消耗费用约2.00万元。

(2)人员费用:本项目总定员为4人，如果年工资及福利费4.00万元/人，则年人员
费用为16.00 万元。

(3)管理费:按LNG产品销售收入的1%计，为21.45万元。

(4)销售费用:按LNG产品销售收入的1%计，即21.45 万元。

(5)维修费用:按设备年折旧总值的30%计，为54.00万元。

(6)设备折旧:设备按10年计折旧，其残值为0.00万元，则年折旧总值为180.00万元。

(7)贷款利息:取项目总投资70%贷款，年利率6.55%，则年贷款利息为68.78万元。

本项目的年运行成本共计1648.40万元左右。

3.2 利润估算
该项目建成后，按年运行8000 h计，年LNG产品和液氩产品销售收入分别为2112.00万元和33.60万元，即产品销售收入共计2145.60万元，则该项目年利润为497.20万元。

4 结语
LNG作为一种绿色能源，具有洁净、高效、资源丰富和方便储运等优点，大力发展LNG是缓解我国能源紧缺、减少环境污染的有效途径。

利用好合成放空气和氨罐弛放气，既可解决合成氨装置的污染问题，实现清洁生产，又可提高合成放空气产品的附加值，具有化害为利、治理环境和变废为宝、创造效益的双重功效。

以合成放空气和氨罐弛放气为原料生产LNG产品，可解决当地天然气，特别是液化天然气的供给问题，满足社会经济发展的需要。

该项目建成投产后，年销售收入为2145.60万元，年新增利润497.20万元，对改造传统的合成氨产业链具有重要意义。

参考文献
［1］丁振亭.氮肥生产中尾气的回收和利用［J］.化肥工业，1997(2):13-17. ［2］梁其煜，李式模，邵皓平.变压吸附技术的发展［J］.低温工程，1997(5):9-
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［3］刘家祺主编.分离过程与技术［M］.天津:天津大学出版社，2001.。