甲醇弛放气联产合成氨装置的优化改进

刘　珍，年里珂，文　涛，张卫兵（河南能源化工集团煤气化公司义马气化厂，河南义马　472300）

甲醇弛放气联产合成氨装置的优化改进

刘珍，年里珂，文涛，张卫兵
（河南能源化工集团煤气化公司义马气化厂，河南义马472300）

摘要：针对甲醇弛放气联产合成氨装置在试车及正常生产中所暴露出的问题，制定相关的优化改进措施，有效地提高了装置的运行效率，降低了生产成本，保障装置经济、有效、安全、稳定的运行。

关键词：甲醇弛放气；合成氨；改进；优化

目前合成氨生产的主要原料有天然气、石脑油、重质油和煤等，其工艺技术成熟、可靠，而利用甲醇弛放气合成氨则为合成氨生产的较新原料路线。义马气化厂12万t/a甲醇弛放气联产合成氨装置利用甲醇合成过程中产生的弛放气以及空分系统的中压氮气为原料生产液氨。采用膜分离联合变压吸附提氢工艺，用低压法氨合成工艺技术生产液氨。装置在试车及正常生产运行过程中暴露出很多问题，不利于装置平稳、高效的运行，为此对装置进行一系列的优化改进。

1　装置的工艺流程

甲醇弛放气联产合成氨装置主要包含的工序有：甲醇弛放气膜分离+变压吸附提氢、合成气压缩、原料气精制、氨合成、冷冻、液氨储藏，以下针对各工序工艺流程进行简介。甲醇弛放气联产合成氨装置流程简图如图1所示。

图1　甲醇弛放气联产合成氨装置流程简图

1.1膜分离+变压吸附提氢系统

4.65 MPa的甲醇弛放气进入膜分离装置，经过洗醇、气液分离、加热进入膜分离器，分离出的非渗透气送入前系统回收利用，在渗透侧得到的富氢气直接送入变压吸附装置。

膜分离的渗透气进入变压吸附原料气冷却器进行降温后，进入变压吸附塔，采用10台吸附塔，其中2台吸附塔处于吸附状态，进行5次均压，连续冲洗工艺流程，实现深度提氢过程，吸附塔上部得到纯度H2≥99.9%、CO+CO2≤10×10-6产品氢气送往合成气压缩工段，下部得到的解吸气经回收气压缩机压缩后返回甲醇合成装置。

1.2合成气压缩系统

来自变压吸附的2.2 MPa产品氢气与空分装置的2.2 MPa中压氮气经过氢氮比调节装置进入合成气压缩机，新鲜气经过低压缸Ⅰ段、Ⅱ段及高压缸Ⅲ段压缩送入氨合成工序的二级氨分离器前，与循环气进行混合后，再进入高压缸循环段，增压至11.4 MPa后送入氨合成塔。

1.3原料气精制系统

原料气精制工序串在合成气压缩机低压缸Ⅰ段出口与Ⅱ段进口之间，低压缸Ⅰ段出口的新鲜气进入精制工序，经过加热、甲烷化反应、降温、气水分离进入低压缸Ⅱ段进口，主要用于脱除新鲜气中CO、CO2、O2，保护氨合成催化剂。

1.4氨合成系统

氢氮气按比例混合后得到的新鲜气经合成气压缩机压缩至11.4 MPa后进入氨合成系统。

氨合成系统采用DN200三段绝热型合成塔，操作压力约11.4 MPa。合成塔塔底不设换热器，反应后的高温气体（430℃）离开合成塔直接进入（直连式）废热锅炉，副产2.8 MPa饱和蒸汽。出塔热气在热交换器与进合成塔冷气换热后降温至60℃，再采用循环水冷降温至35℃，经过一级氨分离器后，再采用两级氨冷：一级氨冷降温至-5℃，二级氨冷降温至-14℃，与新鲜气混合后进入二级氨分离器，分离后的液氨进入闪蒸槽闪蒸后送往液氨储罐。

1.5冷冻系统

冷冻工序采用液氨蒸发带走氨合成循环气热量的办法使循环气中的气氨液化分离，从而得到液氨产品。本工序共有两台螺杆冰机。

一级冰机将来自合成工序一级氨冷器、新鲜气氨冷器的气氨，加压至1.6 MPa，经过循环水冷却为液氨，进入贮氨器储存。贮氨器内的液氨再送往合成工序一级氨冷器、新鲜气氨冷器蒸发制冷，变为气氨进行循环使用。

二级冰机将来自合成工序二级氨冷器的气氨，加压至1.6 MPa，经过循环水冷却为液氨，进入贮氨器储存。贮氨器内的液氨再送往合成工序二级氨冷器蒸发制冷，变为气氨进行循环使用。

1.6液氨储藏

本装置共有两台液氨球罐，每台的储藏能力为1 000 m3。由合成工序来的液氨进入液氨球形储罐内储存，操作压力为1.2 MPa，储罐内液氨主要用于外售。

2　装置的优化改进

2.1变压吸附入口增加分离器改进

变压吸附的原料气来自膜分离装置的渗透气，由于经过膜分离的高压水洗塔洗醇，导致渗透气挟带部分饱和水蒸气，在进入变压吸附装置经原料气冷却器冷却后有部分水析出，造成变压吸附原料气管线带液，影响吸附剂使用寿命及产品质量，而且造成后续回收解吸气压缩机严重带液，检修频率高，影响整体装置的稳定运行。

故在变压吸附原料气冷却器后增加气水分离装置。改造后，变压吸附原料气实现了气液分离效果，大大减少进入变压吸附塔及回收气压缩机的带液，避免对后续装置稳定运行造成影响。变压吸附的吸附剂得到有效保护，延长使用时间约1年；减少了回收气压缩机各级分离器排液的频率，降低岗位劳动强度，节省岗位人员约2人；降低了回收气压缩机因带液造成的故障频率，单台压缩机每年检修频率减少约5次，节约备件费用约8万元；同时分离后的液体送入含醇水管线回收利用，实现了节能减排。

2.2变压吸附解吸气增加缓存能力改进

由于变压吸附装置特点（变压吸附装置解吸气是由吸附塔再生时逆放及冲洗过程产生的，逆放前期压力较高，逆放后期压力较低，而且冲洗过程间歇的）及两台回收解吸气压缩机有限打气量的制约，造成解吸气压力、气量频繁波动，导致解吸气频繁间歇放空，装置煤气利用率低，造成能源浪费。故在原有两台解吸气缓冲罐的条件下再增加两台缓冲罐。

改造后，有效地降低了变压吸附解吸气的放空次数；改造前，每日放空次数300次左右；改造后，放空次数降至每日100次左右，按照每次放空20 m3计算，每日减少4 000 m3解吸气，全年节约150万元，提高装置煤气利用率0.15%，减少能源浪费。

2.3合成气压缩机氢氮比调节改进

氨合成装置采用离心机组，对吸入组分氢氮比要求较高且稳定，与其配套的提氢装置采用PSAH2工艺，存在产品氢气压力、流量有频率性波动的特点，从而导致氨合成压缩机运行时始终处于不稳定状态，时有喘振发生，限制合成装置所需氢氮比的调整，对氨合成装置的升温还原特别是正常安全生产有较大影响。

故在合成气压缩机氢气进口阀前管线增加一台DN150、300LB压力调节阀；将原设计的中压氮气调节阀组尺寸由DN150改为DN100，来保证氨合成压缩机进口氮气压力、流量稳定。改造后压缩机进口氢氮气压力、流量稳定，氢氮比调节准确稳定，合成气压缩机运行平稳，合成氨单耗大大下降，吨氨耗高压蒸汽由改造前3.4 t降到改造后2.5 t，吨氨耗氢气由改造前2 290 Nm3降低到改造后1 950 Nm3，实现了装置安全平稳节能生产。

2.4合成气压缩机干气密封系统改进

氨合成机组采用干气密封系统，运行期间密封气源为循环气出口工艺气。但因循环气中含有5%左右的气氨组分，含有气氨组分的工艺密封气通过机组一级密封系统进入新鲜气低压缸中，从而进入新鲜气精制系统，造成精制系统新鲜气含有2%左右的气氨，对精制催化剂有毒害作用（催化剂允许最大耐受量不超过200×10-6），长期运行将导致催化剂中毒，中毒后进入氨合成装置的氧化物指标不能保证，最终将导致氨合成催化剂的性能受到严重影响；由于新鲜气中有气氨成分的存在，将导致氨合成塔入口的氨含量上升，氨净值下降，能耗增加；精制系统由于有气氨成分的存在，导致在线分析仪器显示异常，同时造成手动分析仪器故障；故将低压缸一级密封气源与原循环气出口工艺气断开，从新鲜气低压缸Ⅱ段压缩出口引出一股气源（不含气氨成分），增设一套密封气源稳压、自动增压系统，实现与目前ITCC控制系统共享功能，作为低压缸一级密封气的气源。实现氨合成机组新鲜气Ⅰ段、Ⅱ段压缩（低压缸）和新鲜气Ⅲ段、循环段压缩（高压缸）密封气的单独控制和彻底分离，彻底消除精制系统催化剂接触到气氨的可能性。保护了精制催化剂，进而延长了氨合成催化剂的使用寿命，降低了氨合成系统的能耗。

2.5隔离精制系统优化操作

在甲醇弛放气联产合成氨装置中，原料气精制工段串在合成气压缩机低压缸Ⅰ段出口与Ⅱ段进口之间。在合成气压缩机原始试车过程中，无法实现隔离精制系统进行单体试车；而且考虑到合成新鲜气中氧化物含量超标时，无法紧急切断精制气源，实现对精制催化剂的保护。故为精制系统增加旁路切断阀，当装置出现异常情况时能够快速隔离精制系统，实现对精制催化剂的保护。合成气压缩机大修后单体试车，实现精制系统隔离走旁路情况下，而且不影响机组的正常运行。

2.6一、二级冰机进口增加连通阀

由于氨合成工况受前系统影响，长期处于低负荷状态，一台冰机运行即可满足氨合成所需冷量，但由于氨合成一级、二级冰机设计为单回路控制，无法实现一台冰机同时为一、二级氨冷器提供冷量，造成两台冰机必须同时运行并处于低负荷状态，装置运行能耗增加，生产成本高。

故在氨合成一级、二级氨冷器出口气氨管线增加联通阀，可实现一台冰机同时供应一、二级氨冷器所需冷量。改造后，二级冰机同时为一、二级氨冷器所需冷量，一级冰机处于备用状态；一级冰机电机功率为560 kW，装置按照全年运行8 000 h，全年可节约能耗约160万元，有效降低氨合成装置生产成本。

3　总结

通过对甲醇弛放气联产合成氨装置的优化及改进，对某些生产中遇到的不合理问题加以解决，保障装置的经济、有效、安全、稳定运行。同时还可以降低生产成本，提高资源的有效利用率，也减少了生产过程中的不安全因素，取得了极好的经济效益和安全效益。但是在合成氨生产中，仍然有许多优化改进措施需要工艺人员不断深入探索。

中图分类号：TQ050.2

文献标识码：B

文章编号：1003-3467（2016）03-0041-03

收稿日期：2016-01-21

作者简介：刘珍（1986-），女，工程师，从事化工生产管理工作，电话：13419831125。