摘要：现如今，我国的科技发展十分迅速，合成氨、甲醇工厂合成装置的放空气中含有CH4、H2等具有经济价值的气体，利用深冷分离技术可以回收其中的CH4和H2，对企业提高经济效益、减少排放具有重要意义。文中采用ASPENPLUS化工流程模拟计算软件，对两种不同的合成放空气制取LNG工艺进行模拟，并对两种工艺路线从能耗、投资、操作性等方面进行了分析。结果表明：采用混合制冷工艺制取LNG在能耗上具有优势，采用纯氮气制冷工艺制取LNG在投资上具有优势，分析结果对深冷分离制取LNG的工艺路线选择具有一定的指导意义。
关键词：合成放空气；LNG；混合制冷；氮气膨胀制冷
引言
为了节约合成氨生产的能耗，氨合成过程中的放空气和弛放气的回收利用，以及如何提高回收效率是一个值得研究和探讨的问题。以煤为原料时，合成放空气一般为300m3/吨氨，弛放气为40m3/吨氨，总共为340m3/吨氨。混合后气体成分一般氢为58%，甲烷为19%。其热值约为3115大卡/m3，总热值约为1百多万大卡。1980年全国小合成氨吨氨总能耗平均为21.15百万大卡，则合成废气的热值约占吨氨总能耗的5%。对于面广量大的合成氨生产如何尽可能充分回收这部分能量对节约能源确实有着十分巨大的意义。目前小化肥厂普遍采用的回收方法是作为锅炉燃料烧掉。
1回收工艺流程
2008年以前，洗氨后的氨罐弛放气主要送往低压膜分离装置提氢，提取的氢气返回合成氨系统压缩工序。后来由于洗氨后的氨罐弛放气不能满足低压提氢膜的净化度要求（主要是氨含量和水含量较高），低压膜提氢装置被迫停运，氨罐弛放气经洗氨后送往公司燃料气系统。合成系统放空气经过第一级膜分离器后，渗透气去二级膜分离器，一级膜分离后的尾气也是送往公司燃料气系统；二级渗透气（高纯度氢气）送往合成氨工序作为生产原料，二级膜分离后的尾气返回氢氮压缩机三段进口作为合成氨原料气使用。后来随着公司合成氨生产规模的不断扩大，氨罐弛放气气量逐渐增大，目前约为1600m3/h。而随着双氧水生产规模的扩大，要求一级膜分离的生产负荷必须加大，导致一级膜分离尾气出口阀门开度过大，出现了一级尾气H2含量跑高的现象（最高时曾经达到40%以上）；同时燃料气系统的压力也上升较多，尽管后来粉煤加压气化装置消耗了一部分燃料气，但还是出现了因燃料气压力过高而放空的浪费现象。2011年初，公司经过考察论证，决定新建1套变压吸附提氢装置来回收燃料气中的氢气，即采用二级膜分离串联变压吸附的气体回收流程：合成系统放空气经过二级膜分离后，渗透气作为合成氨生产的原料气，二级尾气返回合成氨压缩系统；一级尾气与洗氨后的氨罐弛放气绝大部分送往变压吸附装置提氢，提取的氢气返回合成氨系统，少部分作为燃料气使用。
2主要流程的模拟
本模拟的原料气工艺参数由某合成厂提供，详见表1，采用深冷分离工艺生产的LNG产品质量要求见表2，且甲烷回收率≥98%（V）。ASPENPLUS11.1建立模型。采用ASPENPLUS11.1对以上两种制冷工艺进行模拟，流程模拟过程中选择PR（Peng-Robinson）物性方程进行混合物的相平衡计算，压缩机等熵效率取值为0.8、增压透平膨胀机等熵效率取值为0.8。图2、3分别为根据产品要求及制冷工艺建立的两种模型，其中图2为纯氮气制冷模型，图3为混合制冷模型。从以上模型中可以清晰的看出，以上两种工艺的主工艺流程是基本一致，主要区别在于纯氮气制冷工艺采用氮气循环压缩膨胀制冷和氮气节流制冷组合方式为冷箱提供冷量，而混合制冷工艺采用混合冷剂节流制冷和氮气节流制冷组合方式为冷箱提供冷量，相比较而言纯氮气制冷工艺更为简洁。
表1原料气工艺参数
表2LNG产品质量要求
图2纯氮气制冷工艺模型
图3混合制冷工艺模型
3模拟结果及分析
（1）模拟结果通过用ASPENPLUS11.1模拟软件对上述合成放空气制取LNG装置在两种不同工艺条件下的模拟，得到结果如表3所示。该结果是在LNG产量、质量均相同的条件下进行比较分析。
表3ASPENPLUS软件采用PR方程得到的模拟结果
由表3可知，模拟计算中LNG产品质量符合要求，经计算CH4回收率98.5%、H2回收率47%，均高于一般技术要求，并且在尾气中CH4含量极低，说明深冷分离效果极佳。（2）能耗及投资分析采用深冷分离技术回收合成放空气中CH4和H2主要能耗在制冷循环压缩过程中，主要消耗为电和循环水，具体参数见表4。采用纯氮气制冷工艺和混合制冷工艺制取LNG的工程设计中，主要差异在于循环制冷剂介质不同，因混合制冷工艺采用的制冷介质含有甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷等易燃易爆介质，混合冷剂压缩机必须采用防爆压缩机、压缩机厂房需考虑泄爆、配套电仪均应按照爆炸危险区域划分要求进行设计，此外混合制冷过程中冷剂压缩机微量的泄露会造成制冷剂的损失，需专门设置冷剂罐组用于混合冷剂的补充，
综合以上采用混合制冷工艺制取LNG投资略高于纯氮气制冷工艺，具体情况见表4。
表4两种工艺消耗、投资比较
从表4中可以看出采用混合制冷工艺比纯氮气制冷电耗少700KW、循环水消耗少20t/h，主要原因为混合冷剂为多组分，可以根据不同热力性质的原料气配置不同的混合冷剂组分，从而满足液化原料对于不同温区的冷量需求，而纯氮气制冷工艺制冷剂只有氮气，只是运用了氮气在不同压力下所体现出来的泡点和沸点不同的热力学性质，其对换热器的匹配能力没有混合冷剂强，所以两种工艺技术能耗具有一定的差异。
4经济效益分析
膜分离装置满负荷运行时每小时可回收纯度为98.5%的氢气5000m3/h，吨氨耗氢气约200m3，则每小时可生产双氧水25t，每吨氨毛利以200元计，全年（330d）可产生经济效益3960万元。公司2套合成氨装置总投资约1.2亿元，其中固定资产投资约8800万元。2套膜分离装置总投资320万元，其中固定资产投资280万元。膜分离装置由冰机操作人员兼管，无需另外增加人员。扣除设备折旧费及维修费后（年折旧费以固定资产投资的8.0%计，年维修费以固定资产投资的2.5%计，下同），装置运行后每年产生经济效益3000余万元，稳定运行4a即可收回合成氨装置及膜分离装置总投资。
结语
本文主要对合成放空气制取LNG两种不同的工艺路线采用ASPENPLUS软件进行模拟得出了一些结果，根据结果从能耗和投资方面进行了分析，得出如下结论：（1）采用深冷分离技术制取LNG时，混合制冷工艺和纯氮气制冷工艺均为常用技术，各有优缺点。两种工艺所不同的是混合制冷工艺采用压缩节流制冷方式，冷剂由多种组分组成；而纯氮气制冷工艺主要是压缩膨胀制冷方式，冷剂为纯氮气。（2）两种工艺技术制取的LNG产品、回收率均可达到用户要求。LNG纯度为98%（V）、回收率为98.5%，具有较高的水平。（3）混合冷剂制冷工艺在能耗上具有较为明显的优势。（4）鉴于混合制冷工艺能耗较低、投资较高、操作相对复杂，本文建议当生产LNG装置规模较大时优先选择混合制冷工艺；当生产LNG装置规模较小，工厂缺乏高水平技术人员时优先选择纯氮气制冷工艺。
参考文献：
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论文作者:朱志国
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/25
标签：工艺论文; 氮气论文; 合成氨论文; 两种论文; 装置论文; 膜分离论文; 尾气论文; 《基层建设》2019年第3期论文;