合成氨尾气生产LNG和氢气项目

分类号：密级：

U D C：学号：

南昌大学硕士研究生

学位论文

综合利用合成氨尾气的工艺设计与装置试验Process design and unit test of Comprehensive utilization of exhaust

gas of synthetic ammonia

陈剑军

培养单位（院、系）：环境科学与工程学院

指导教师姓名、职称：刘晓红教授

申请学位的学科门类：工学

学科专业名称：化学工程

论文答辩日期：

答辩委员会主席：

评阅人：

年月日

学位论文独创性声明

学位论文独创性声明

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学位论文作者签名：导师签名：

签字日期：年月日签字日期：年月日

摘要

为响应国家提倡清洁能源、节能减排的号召，以液化天然气（LNG）为代表的新型能源得到了大规模的应用。为充分利用氨合成尾气中的甲烷、氨、氢等资源，采用冻氨法除氨技术、膜分离技术和低温精馏技术将尾气中各个有价值的组分逐一分离出来，将甲烷制成LNG，实现合成氨尾气的利用价值最大化，同时成功地实现了合成氨尾气的零排放。

由于氨凝固点较高，在后期的深冷阶段会逐渐凝固在换热器板翅或者管道上形成的堵塞，采用冻氨法除微量氨，可以避免阻塞，保证系统长周期运转。采用三台板翅式换热器相组合的装置，可成功地将尾气中的氨含量降低到20ppm （V/V）以下，高效的板翅式换热器的使用极大地降低了冷热流体的温差，提高了制冷机组的制冷效率。

采用中空纤维膜分离提氢得到纯度≥94%的氢气，同时将尾气中的氢含量降低至5%以下，避免了尾气在后期的深冷液化工段出现换热喉点，确保氮气膨胀机的平稳运转；在深冷液化、低温精馏工艺流程中采用氮气膨胀循环制冷、液氮洗两种方式提供冷量，使处理后的尾气中甲烷含量降低到1%以下。其中氮气膨胀作为高温端冷量供给原料气液化，采用液氮洗作为低温端冷量供给低温精馏，减少了电能的消耗，两种制冷方式的结合完全可行且能耗较低。

氮气膨胀和尾气膨胀流程中采用的返流膨胀的方法大幅提高了制冷效率。采用多通道的高效板翅式换热器提高了制冷效率，在最大程度上实现了冷量回收，降低装置运装过程中的不可逆程度。将高压下的原料气通入精馏塔再沸器，为精馏提供热量，且高压原料气本身受冷液化，实现了能量的双重回收，降低能耗。

采用大型流程模拟软件aspen plus10.2对液化和低温精馏工段进行全程模拟，降低了整套装置的投用风险。结合模拟数据对综合回收工艺进行了物料衡算、热量衡算、设备计算和选型，绘制了工艺流程图、平面布置图。在装置试运行阶段对整套装置的运行情况进行了分析。

装置实验表明该工艺路线可行。产品液化天然气含CH498.5%～99.6%，超过国标GB/T19204-2003CH4≥75%的要求，甲烷提取率≥99.9%；副产品液氨含NH3≥99.9%；氢气含H294%～95%。原料气利用率53.7%。

装置的成功投用标志着合成氨尾气可以采用多种技术相结合的方法变废为宝，成功地分离提纯为LNG，同时副产液氨、氢气。既降低了合成氨企业对环境的污染，又增加了收益，提高了合成氨的生产效率。经济效益和社会效益显著。

关键词：合成氨尾气；冻氨法；LNG；深冷；氮气膨胀制冷；设计；装置试验

ABSTRACT

In response to the national call to promote clean energy, energy saving and emissions reduction, liquefied natural gas (LNG) as the representative of the new energy has been large-scale application.To make full use of the ammonia synthesis tail gas resources such as methane, ammonia, hydrogen,frozen ammonia method of eliminating ammonia,membrane separation technology and cryogenic rectification technology isolate various valuable components one by one, methane make LNG, which achieve maximize the value of the use of synthetic ammonia tail gas, while successfully achieve zero emissions of synthetic ammonia exhaust.

Frozen ammonia method is used to remove milligram ammonia, which avoids ammonia in tail gas at the late stage of deep cooling gradually forming accumulation on the heat exchanger or pipe blockage. By three plate-fin heat exchangers combined device, the ammonia content in the tail gas is reduced to less than 20ppm (V / V) successfully, and the efficient use of plate-fin heat exchanger greatly reduces the hot and cold fluid temperature difference, which greatly improves the cooling efficiency of the refrigeration units.

Using hollow fiber membrane separation hydrogen for hydrogen purity of 94% or more, hydrogen content in the tail gas is reduced to 5% at the same time, which avoid the tail gas in the late of cryogenic liquefied section appeared in thermal throat, and ensure the smooth running of nitrogen expander；In cryogenic liquefied and cryogenic rectification process by using nitrogen expansion refrigeration and liquid nitrogen wash two ways to provide cooling capacity, can reduce the methane content in the tail gas after treatment to less than 1%. Including nitrogen expansion as raw materials for the supply of cold energy of high temperature side liquefied gas, using liquid nitrogen wash as the supply of cold energy of low temperature side cryogenic rectification, reduced the power consumption, the combination of the two cooling ways completely feasible and the energy consumption is low.

In the process of Nitrogen gas expansion and tail gas expansion, the expansion of the reflux method significantly improves the refrigeration efficiency .Using 5 channels efficient plate-fin heat exchanger improves the cooling efficiency, and achieves the maximum amount of cold recycling, and reduces the irreversible degree in the process of sewing equipment. The raw gas material of the high pressure is