化肥廠含氫尾氣循環利用優化設計

劉正文

（上海茂盟醫藥化工工程技術有限公司，上海 201203）

化肥廠含氫尾氣循環利用優化設計

劉正文

（上海茂盟醫藥化工工程技術有限公司，上海 201203）

從化肥廠全廠整體角度進行工藝優化設計，使合成氨和尿素工段中排放的含氫尾氣得以循環利用，實現工廠節能減排。

合成氨；尿素；工藝優化；尾氣

以合成氣為原料生產尿素的大型化肥廠其凈化、合成氨、尿素工段的工藝技術主要為以下幾種，凈化工段的低溫甲醇洗和液氮洗工藝，合成氨工段的卡薩利制氨工藝、尿素工段的二氧化碳汽提工藝。

液氨作為合成尿素的一種原料由合成氨工段產生，氨合成塔產生的液氨在雖然經過高、中、低壓閃蒸釋放出一部分未反應的氫氣，但液氨中仍然含有一定量的氫氣，這部分氫氣在尿素合成過程中不參與反應，而是隨反應后的尾氣減壓洗滌后放空或燒掉，同時氨合成工段低壓閃蒸出的氫氣也放空或燒掉，這兩部分排放的氫氣對于工廠來說是一種損失，本文以日產4 000t的尿素工廠為例，從全廠整體角度進行工藝優化設計，使這部分含氫尾氣得以循環利用進而實現節能減排。

1 優化前的設計方案

基于上述工藝路線設計的工廠，主要工藝流程為來自變換工段的合成氣經過凈化工段低溫甲醇洗單元中的吸收塔吸收酸性氣體后再經過液氮洗單元最終凈化并配氮，之后進入合成氨工段的合成氣壓縮機壓縮送入氨合成塔進行反應，氨合成塔出來的高溫、高壓氨經過熱回收后依次進高壓閃蒸、中壓閃蒸、低壓閃蒸分離出未反應的氫氣和氮氣等，高、中壓閃蒸尾氣通過壓縮機壓縮后循環利用，低壓閃蒸尾氣進入火炬系統燒掉，閃蒸后的低壓液氨通過高壓氨泵加壓后送入尿素合成圈；凈化工段低溫甲醇洗單元的二氧化碳產品塔產出的二氧化碳產品通過二氧化碳壓縮機壓縮并脫硫后送入尿素合成圈，二氧化碳和液氨在尿素合成圈高溫、高壓下合成尿素，尿素合成圈產生的含氫尾氣經低壓洗滌后排入大氣。工藝流程中合成氨工段和尿素工段排放尾氣主要參數見下表1。

表1　尾氣主要參數表

由上表可以看出，兩股尾氣中均含有一定比例的有效組分氫氣和氨，但兩股尾氣在各自工段的系統中由于壓力較低，流量不大或回收手段復雜等原因沒有有效回收利用，絕大多數工廠采取放空或燃燒等方式處理。

2 優化后的設計方案

針對上述兩股尾氣回收工藝優化思路，首先需將合成氨工段和尿素工段看作為一個整體進行分析，同時結合技術專利商突破性的工藝技術，對基于上述工藝路線設計的工廠進行了工藝優化，在理論上有效地解決了尾氣回收循環利用的問題。

優化后的主要工藝流程為來自變換工段的合成氣經過凈化工段低溫甲醇洗單元中的吸收塔吸收酸性氣體后再經過液氮洗單元最終凈化并配氮，之后進入合成氨工段的合成氣壓縮機壓縮送入氨合成塔進行反應，氨合成塔出來的高溫、高壓氨經熱回收后進高壓閃蒸，高壓閃蒸尾氣通過壓縮機壓縮后循環利用，高壓閃蒸后的高壓液氨直接送入尿素合成圈；凈化工段低溫甲醇洗單元的二氧化碳產品塔產出的二氧化碳產品通過二氧化碳壓縮機壓縮并脫硫后送入尿素合成圈，二氧化碳和液氨在尿素合成圈高溫、高壓下合成尿素，尿素合成圈產生的含氫尾氣經中壓洗滌后與來自變換工段合成氣匯合進入凈化工段低溫甲醇洗單元循環利用。

3 優化前后的方案對比

優化后的工藝流程中合成氨工段正常操作工況取消了中壓閃蒸、低壓閃蒸流程設置，進而避免了合成氨工段產生低壓的含氫尾氣。高壓液氨中未反應的氫氣和氮氣等直接帶入尿素合成圈，這些組分均不參與尿素合成反應，最終全部存在于尿素合成圈尾氣中，出尿素合成圈的尾氣經過洗滌除去尾氣中氨組分后循環利用。同時由于采用高壓閃蒸后的高壓液氨無須泵加壓而直接送至尿素合成圈，尿素工段正常操作工況不使用高壓液氨泵。優化前后正常工況下主要關鍵參數及能耗對比見下表2。

由上表2可以看出，優化后的工藝方案提高了氨合成系統的壓力，使氨合成與尿素合成在液氨輸送上實現了通過壓差流而無須泵送。壓力提高使氨合成的轉化率提高，降低了循環量，進而降低了熱回收量，導致熱回收的換熱器、管道尺寸減小但設計壓力有所提高壁厚加厚，會導致初期一次投資增加。合成氣壓縮機的功率有所增加，但循環氣壓縮機、氨冰機功率均有所下降，再綜合液氨泵的停用，總體上實現了節能減排。

4 優化方案的前提條件

上述含氫尾氣循環利用優化設計方案的實現存在一些技術上的必要條件。第一，采用以上方案優化設計的工廠，在尿素工段的技術選擇上必須采用荷蘭Stamicarbon公司最新的尿素高壓合成圈技術，該技術尿素合成圈設備采用了獨特的Safurex材料，這種材料抗腐蝕能力超強，避免了為抗腐蝕而向尿素合成圈加入氧氣，從而消除了與氫氣形成爆炸混合氣的危險，這是優化設計方案的技術基礎。第二，采用以上優化設計方案時需將合成氨工段與尿素工段視為一個整體進行設計，需要在與各專利商進行技術談判階段就要貫徹這個思想并執行下去才能達到理想的效果，例如設備布置上氨合成塔與尿素合成圈設備盡量在一個框架內布置等細節問題。

表2　優化前后關鍵參數及能耗對比表

5 結語

本文僅對技術優化方案的一些主要技術路線及關鍵點進行了說明，還有一些相關方面的技術問題本文并未完整敘述，方案對大型化肥廠起到了節能減排的作用，但目前還未經過實際投產的工廠驗證，供籌建中的大型化肥工廠的為解決同類問題時參考使用。

[1] 楊建國.一種合成氣生產尿素流程中含氫尾氣循環利用工藝[P].中國專利：201210065655，2012.

Optimization Design of Hydrogen Gas Recycle in Chemical Fertilizer Plant

Liu Zheng-wen

To analysis the whole process of the fertilizer plant and optimize the design，so that the synthetic ammonia and urea plant emissions containing hydrogen gas can be recycled，realizing energy saving and emission reduction.

synthetic ammonia；urea；Process optimization；waste gas

TQ440

A

1003-6490（2016）01-0005-02

2016-01-12

劉正文（1982—），男，遼寧海城人，工程師，主要從事工藝及管道方面設計工作。