合成氨工業氨尾氣處理方法研究

高 源，倪福鑫，閆玲玲

(青島伊科思技術工程有限公司，山東 青島 266045)

山西省為產煤大省，煤化工中的合成氨產業規模全國領先，但合成氨工廠大都采用較落后的工藝，安全閥泄放的氨尾氣大都直接對空排放，最新的山西省規定已明確氨尾氣禁止對空排放，取而代之的為閉路處理、達標排放。目前氨氣的吸收方法主要為馳放氣吸收制取氨水，該工藝中進入吸收系統的氨氣連續排放且流量穩定；安全閥泄放的氨氣時間較短、瞬間泄放量很大、兩次泄放間隔一般按年統計。傳統的馳放氣吸收系統一般造價較高，主要針對連續、低流量的氨馳放氣，普通企業不會采用該系統吸收安全閥泄放的氨氣。在此背景下，提出了兩種設計氨尾氣吸收系統的方法，第一種方法采用單塔單罐，第二種采用單塔兩罐，各設備均為常壓下操作，兩種方法已被陽煤集團及山西晉豐煤化工有限責任公司所采納，并得到以上公司的認可。

1 氨尾氣吸收系統

1.1 單塔單罐氨尾氣吸收法

氨吸收系統有化學吸收法和水吸收法，目前國內外對氨的吸收大都采用水洗吸收法，該工藝流程簡單、操作可靠、投資低[1]，單塔單罐氨尾氣吸收法示意圖如圖1。

圖1 單塔單罐氨尾氣吸收系統示意圖

氨尾氣吸收系統主要設備包括：尾氣吸收塔、氨吸收劑儲罐及吸收劑泵(一用一備)。尾氣吸收塔內采用DN50的鮑爾環填料，氨吸收劑儲罐內存有一定量的吸收劑(脫鹽水)，正常工況下吸收劑泵從氨吸收劑儲罐抽取吸收劑，送至塔頂，吸收劑經過塔頂處液體分布器后均勻地噴淋于填料上部，穿過填料的吸收劑從塔底出口重新進入氨吸收劑儲罐。由于安全閥起跳具有不可預測性，因此需保持1臺吸收劑泵處于常開狀態以維持吸收劑在氨吸收劑儲罐和尾氣吸收塔之間的循環。

該方法操作簡單，但存在以下缺點：

1)瞬時泄放量較大，為達環保要求，吸收劑的循環量一般較大，直接導致泵的耗電量較大；

2)氨吸收為放熱過程，產生的熱量無法帶出，導致氨的吸收效率降低，為保證泄放時間內氨達標排放，需設計較大的儲罐存放大量氨吸收劑；

1.2 單塔兩罐氨尾氣吸收法

單塔兩罐氨尾氣吸收方法如圖2。

圖2 單塔兩罐氨尾氣吸收系統示意圖

與單塔單罐方法對比，本系統增加以下兩點內容：

1)在尾氣進口管路上增加外浮頂罐，并在其后增加流量調節閥組，本設計考慮到安全閥瞬時泄放量較大，為減小下游裝置的處理量，增加該緩存設計，使進塔的氨氣維持較低流量。

2)氨尾氣進口管路增加一流量開關，氨尾氣吸收塔底部吸收液管路增加一開關閥1，并在其后增加一支路，支路上帶有一開關閥2。本設計考慮了如何將吸氨過程的熱量排出，從而避免了對氨吸收的影響。安全閥未泄放時，開關閥1開啟，開關閥2關閉，從而實現吸收劑在氨吸收劑儲罐和尾氣吸收塔之間的循環；安全閥泄放時開關閥1關閉，開關閥2開啟，此動作可將氨吸收過程中產生的熱量排出氨尾氣吸收系統。

增加以上兩點內容可有效地克服單塔單罐方法中的缺點，但此方法設計的氨尾氣吸收系統操作過程復雜、設備的可靠性降低。

2 設備參數確定方法

2.1 填料層數、吸收劑循環量的確定方法

使用Aspen中RadFrac塔模塊，該模塊中有兩種模型：Equilibrium和Rate-based。其中Rate-based模型不僅涉及平衡反應還涉及動力學反應，模擬結果更精準[2]，選擇Rate-Based模型，在設定填料層數(Number of stages)的基礎上，結合Aspen中的設計規定，規定塔頂氨出口量，計算出所需的吸收劑循環量。改變填料層數，重復上面步驟，直到計算出較優的結果。不同于單塔兩罐的方法，單塔單罐方法中的吸收劑需循環使用，因此應適當增加吸收劑循環量以增加吸收劑的吸收時間。

2.2 塔徑、填料高度確定方法

2.2.1 塔徑計算方法

使用埃克特通用關聯圖法[3]，計算出式(1)

(1)

WL—吸收劑質量流量，kg/h；

WV—馳放氣質量流量，kg/h；

ρV—馳放氣密度，kg/m3；

ρL—吸收劑密度，kg/m3。

通過埃克特通用關聯圖查出式(2)值：

(2)

φ—填料因子，1/m；

ψ—液體密度修正系數；

μL—吸收劑黏度，cp；

計算出空塔氣速uF，考慮安全系數計算出操作下的空塔氣速u；

(3)

通過式(3)計算出塔徑，塔徑圓整后，計算出操作時的噴淋密度，與下式(4)最小噴淋密度對比：

Umin=(LW)minσ

(4)

如操作噴淋密度小于噴淋密度，則需對塔直徑進行再設計，直到大于最小噴淋密度為止。

2.2.2 填料高度

采用等板高度法：

Z=(HETP)NT

HETP—等板高度，與填料有關，通過實驗求得。

NT—理論板層數。

3 工廠案例

3.1 案例介紹

我公司已完成了對山西晉豐煤化工有限責任公司及陽煤集團氨尾氣系統的設計，以山西晉豐煤化工有限責任公司為例，對兩種方法進行對比分析。

基于現場調研的數據，山西晉豐煤化工有限責任公司合成氨工廠凈化區部分安全閥泄放量及設定壓力等參數如表1所示。

表1 凈化區安全閥參數

通過表1可得：螺桿機進口和分離器頂部安全閥設定壓力都較低，但分離器頂部安全閥泄放量遠遠超過螺桿冰機出口安全的泄放量，導致分離器頂部安全閥動背壓較高，由于安全閥形式為彈簧式，因此需考慮動背壓對安全閥影響，保證動背壓不大于設定壓力的10%[4]。綜上，設計氨尾氣吸收系統時應以分離器頂部安全閥泄放量和設定壓力為基準，保證吸收系能夠吸收23900kg/h的氨氣且動背壓不大于該安全閥設定壓力的10%。本文將安全閥泄放時間統一定為15min以定量分析各方法優缺點。

3.2 方案結果

采用第一種方法單塔單罐設計時計算結果如表2。

表2 方法一方案結果

采用第二種方法單塔單罐設計時計算結果如表3。

表3 方法二方案結果

通過表2和表3，可得：第二種方法相對于第一種方法循環水量減小了74%，氨吸收劑儲罐體積減小了22%，塔徑減小了33%，說明第二種方法設計出的氨尾氣吸收系統操作費電較低、設備投資費用較低。

由于第二種方法需增加浮頂式罐，如果泄放氣量較大，可能會造成罐不穩定，并且新增了兩臺開關閥一臺調節閥及兩臺流量測量表，第二種方法設計出的氨尾氣吸收系統可靠性較低。

4 結論

本文提出了設計氨尾氣吸收系統的兩種方法，第一種方法采用單塔單罐，操作簡單，可靠性較強；第二種方法采用單塔兩罐，相對于第一種方法，操作費用較低，設備投資費用較低，但可靠性低于第一種方法。在第二種方法中，通過將吸收劑排出氨尾氣吸收系統外從而帶走氨吸收過程中產生的熱量以減小放熱對氨吸收的影響，此種方式會造成吸收劑的流失。后期在如何通過引入換熱器從而避免吸收劑流失的前提下帶走多余的熱量方面可展開研究。

參考文獻

[1]向素平,孫明燁,周義超,等.城鎮燃氣調壓器后安全閥的選型計算[J].煤氣與熱力,2015,35(2):8-12.

[2]江文敏,方夢祥,項群揚,等.基于Rate_based模型的氨水脫碳吸收過程模擬[J].能源工程,2010(6):1-6.

[3]夏 清,陳常貴,姚平英.化工原理(下冊)[M].天津:天津大學出版社,2010:190-192.

[4]胡元剛.大型氨廠馳放氣中氨的回收[J].化工環保,1992(12):340-346.