秦樹青
（山西晉煤天源化工有限公司，山西 高平048400）
［摘 要］山西晉煤天源化工有限公司“40·60”項目近年來經挖潛改造，產品產能進一步提升，工業尾氣量也明顯增大，為了“吃干榨凈，變廢為寶”，于2018年10月—2019年11月對氨合成尾氣排放系統實施了技改——新增塔后排放氣膜提氫裝置+塔后排放氣PNG裝置（形象地稱為“糖葫蘆”技改）、儲槽氣氫回收裝置。簡介氨合成尾氣排放系統技改的實施背景及改造思路，著重介紹膜提氫裝置、PNG裝置、儲槽氣氫回收裝置的技改情況及技改后的運行狀況，并對改造效果及效益進行了分析。生產實踐表明，通過實施氨合成尾氣排放系統技改，不僅解決了合成氨工業尾氣的回收利用和環境保護問題，而且為企業創造了良好的經濟效益。
［關鍵詞］氨合成系統尾氣；“糖葫蘆”技改；膜提氫裝置；PNG裝置；儲槽氣氫回收裝置；改造效果；效益分析
［中圖分類號］TQ113.28 ［文獻標志碼］B ［文章編號］1004-9932（2020）06-0031-03
1 實施背景
山西晉煤天源化工有限公司（簡稱晉煤天源）于2004年成立，產品產能設計為2×180 kt/a合成氨、2×300 kt/a尿素，聯產40 kt/a甲醇，其“40·60”項目（采用固定床煤氣爐制氣）于2006年3月建成投產。2015年合成氨裝置進行節能挖潛改造，新增1套高壓氨合成系統，合成氨產能由360 kt/a提高至450 kt/a，甲醇產能由40 kt/a提高至100 kt/a，尿素產能由600 kt/a提高至700 kt/a。目前晉煤天源共有3套氨合成系統，分別是初建的2套卡薩利氨合成系統（φ2 300 mm氨合成塔，氨合成系統壓力14.2 MPa）和新建的1套南京國昌化工科技有限公司（簡稱南京國昌）開發的高壓氨合成系統（φ1 600 mm氨合成塔，系統壓力22.0 MPa）；高壓氨合成系統包括醇烴化和氨合成系統，與原雙甲（醇烷化）+氨合成系統并聯，此舉不僅提高了整套系統的生產能力，同時可以回收2套卡薩利氨合成系統排放氣繼續生產合成氨。
氨合成系統尾氣包括高壓系統塔后排放氣和儲槽氣（液氨球罐氣和中壓氨分離器閃蒸氣）。對于塔后排放氣的回收，業內普遍采用水洗+膜分離氫回收裝置回收其中的氨和氫氣后送入三廢混燃爐燃燒（副產蒸汽）；而儲槽氣一般壓力較低，通常只進行水洗回收氨后直接送入三廢混燃爐燃燒。目前晉煤天源高壓系統塔后排放氣量達20 000 m3/h，塔后排放氣經水洗和膜分離［1#膜分離裝置、2#膜分離裝置，并聯運行］后，尾氣中的氫含量高達20%以上、甲烷含量達40%；氨合成系統儲槽氣量達1 000 m3/h，經水洗回收氨后，其尾氣氫含量近60%。此兩股氨合成系統尾氣送入三廢混燃爐進行燃燒，造成其回收價值較低。
2018年，晉煤天源提出“吃干榨凈，變廢為寶”的戰略，先后與大連邁泰克科技開發有限公司和徐州勇源制冷工程有限公司開展合作，先后新增了膜提氫裝置、儲槽氣氫回收裝置和PNG裝置（即管道天然氣裝置）。以下對有關情況作一總結。
2 技改情況
本次技改，主要是在原塔后排放氣膜分離氫回收裝置尾氣管線上新增1套膜提氫裝置，再在膜提氫裝置尾氣管線上增設1套PNG裝置，即塔后排放氣先后通過三級回收，將氫回收率提高至95%以上，同時生產管道天然氣產品，甲烷回收率不低于80%。另外，氨合成系統儲槽氣在原有的水洗氨回收系統后增設低壓膜分離氫回收裝置，回收儲槽氣中的氫氣，返回系統生產合成氨。
2.1 氨合成系統塔后排放氣回收技改
2.1.1 新增膜提氫裝置
原始設計的2套卡薩利氨合成系統排放氣（13.5 MPa）經增壓至25.0 MPa后送入高壓氨合成系統，與新增的醇烴化精制氣（25.0 MPa）匯合，繼而在高壓氨合成系統中合成氨，高壓氨合成系統塔后排放氣平均分配送入2套膜分離氫回收裝置。一直以來，2套膜分離氫回收裝置氫回收率在85%左右，尾氣中氫含量較高，基本上在20%以上。為降低消耗、減少廢氣排放、降低尾氣氫含量，經研究決定新增1套膜提氫裝置，以進一步回收尾氣中的氫氣。
原膜分離氫回收裝置的尾氣，送至新增的膜提氫裝置界區，通過自動調節閥控制膜前壓力在9.5 MPa左右后進入膜分離器（3臺φ219 mm膜分離器，并聯運行）；膜分離器內部裝填中空纖維膜絲，原料氣從側面進入，在恒定壓差作用下，膜分離單元滲透側得到壓力0.7 MPa的滲透氣（富氫氣）送至半水煤氣壓縮機三段進口（0.7 MPa）予以回收利用，尾氣（非滲透氣）則減壓至0.1 MPa后送至界區外三廢混燃爐燃燒副產蒸汽。
膜提氫裝置于2018年12月28日開車，其運行數據（見表1）基本上滿足設計要求。經測算，可回收氫氣約1450×80%=1 160 m3/h，年可回收氫氣約8 000 km3，年創效益不低于800萬元。
2.1.2 增設PNG裝置
高壓系統塔后排放氣經新增的膜提氫裝置以后，尾氣中的氫含量已降至6.0%以下，但剩余6 000 m3/h的尾氣（非滲透氣）中含有約40%的甲烷，其中的甲烷回收用作管道天然氣供城市燃氣管網，相較于天然氣具有價格優勢，故晉煤天源決定在膜提氫裝置后串入第3個“糖葫蘆”（第1個“糖葫蘆”意指“原膜分離氫回收裝置”，第2個“糖葫蘆”意指“新增的膜提氫裝置”，因本技改措施順系統工藝流程一個接著一個，如“糖葫蘆”般，故形象地稱為“糖葫蘆”技改）——PNG裝置。
PNG項目屬于晉煤天源氨合成系統廢氣綜合利用項目，以6 000 m3/h膜提氫尾氣為原料，采用深冷精餾工藝，利用氮氣、甲烷、氬氣、氫氣沸點的不同，實現沸點高的甲烷與沸點相對較低的氮氣、氬氣及氫氣的液化與分離，提純甲烷，生產純度達98%以上的PNG產品。PNG裝置在-160 ℃的溫度條件運行，其冷量主要來自系統內的尾氣透平膨脹機及高壓氣體節流制冷，無需外界提供冷量，無動力消耗，不增加設備維護費用，所產PNG產品質量完全超過燃氣（天然氣）質量標準，且不含硫等雜質，產品質量較高。
PNG項目于2019年10月25日技改完成后一次性開車成功，其運行數據見表2。經測算，可年產PNG約14 400 km3，PNG單價不低于1.2元/m3，每年可創造經濟效益1 500萬元以上，增加公司產品附加值。
至此，氨合成系統塔后排放氣經過3個“糖葫蘆”徹底回收了其中的氫氣和甲烷，送至三廢混燃爐的尾氣中氫含量在8%以下、甲烷含量在7%以下，基本上做到了將工業尾氣“吃干榨凈”，不僅降低了廢氣處理費用，而且帶來了良好的經濟效益。
2.2 氨合成系統儲槽氣回收技改
更多內容詳見《中氮肥》2020年第6期