gototopgototop

Проблема утилизации танковых и продувочных газов отделения синтеза производства аммиака

Пронин Константин Сергеевич - аспирант Череповецкого государственного университета. (г.Череповец)

Аннотация: В статье описана проблема утилизации танковых и продувочных газов отделения синтеза производства аммиака. Показаны существенные недостатки применяемых на предприятиях по производству аммиака способов утилизации танковых и продувочных газов. Рассмотрены основные способы утилизации и методы извлечения ценных компонентов из танковых и продувочных газов. Выбран наиболее оптимальный вариант модернизации существующих на аммиачных производствах установок утилизации танковых и продувочных газов.

Ключевые слова: Аммиак, утилизация, танковые, продувочные, оксиды азота, гомогенная, скруббер, мембранный, криогенный

Одним из наиболее эффективных путей совершенствования технологии синтеза аммиака является утилизация продувочных и танковых газов.

При изыскании способов оптимальной утилизации газов необходимо стремиться к комплексному использованию компонентов газовых смесей с учётом их энергетических показателей. Особенно важно полное извлечение из продувочных и танковых газов аммиака как основного продукта.

Продувочные и танковые газы образуются в отделении синтеза цеха по производству аммиака в баках-расширителях, ресиверах, охладителях аммиака. Эти газы не вступают в реакции синтеза основного продукта и поэтому являются балластными компонентами.

Продувочные и танковые газы имеют следующий состав, % об.:
- аммиак (NH3) – 0,1-12;
- водород (H2) – 15-58;
- другие газы (азот – N2, метан – CH4, аргон – Ar, гелий – He) – остальное.

Как известно, производительность катализатора определяется, прежде всего, его химическим состоянием, макро- и микроструктурой, размером зёрен, условиями восстановления и формирования. Зависит она от давления, температуры, объёмной и линейной скоростей газового потока, состава газовой фазы по основным компонентам (N2, H2, NH3) и по примесям инертных газов (CH4, Ar, He). Присутствие инертных примесей в смеси равносильно снижению общего давления, с увеличением их содержания скорость реакции уменьшается. Влияние инертных примесей на скорость реакции выражается (если отбросить второстепенные факторы) в том, что каждый процент этих примесей увеличивает эффективную мольную долю аммиака на 2%. А поскольку в первом приближении скорость реакции обратно пропорциональна эффективной мольной доле аммиака, то каждый процент инертных примесей уменьшает скорость реакции на 2% [1, 9].

Учитывая высокую конкурентоспособность продукции азотной промышленности на внутреннем и внешнем рынках, а также большую потребность многих стран мира в аммиаке, снижение производительности аммиачных агрегатов недопустимо.

Избавиться от инертных примесей, содержащихся в газе (начиная от природного и конвертированного газа и заканчивая синтез-газом), невозможно. И поэтому необходимо утилизировать продувочные и танковые газы, а именно извлекать из них ценные компоненты (N2, H2, NH3) и направлять их обратно в колонну синтеза для получения дополнительного количества аммиака.

В настоящее время на ОАО «ФосАгро-Череповец» в цехе по производству аммиака №1 утилизация танковых и продувочных газов, содержащих аммиак, осуществляется путём сжигания этих газов в смеси с топливным газом в печи первичного риформинга(ППР) поз. 101-В. В результате чего содержание оксидов азота в дымовых газах достигает 400 мг/м3 и выше. Количество образующихся оксидов азота также зависит от режима горения [2].

При использовании в качестве топлива, наряду с природным газом, танковых и продувочных газов, не отмытых от аммиака, количество оксидов азота увеличивается примерно в 3-4 раза. С целью снижения выбросов оксидов азота в атмосферу с дымовыми газами из трубчатой печи, предусмотрено гомогенное восстановление их аммиаком.

Метод основан на избирательном восстановлении оксидов азота аммиаком в газовой фазе в отсутствии катализатора при температуре 900-980 °С по реакциям:
1) 6NO + 4NH3 = 5N2+ 6H2O+1593 кДж/моль;                  (1)
2) 6NO2 + 8NH3 = 7N2 + 12H2O+2931 кДж/моль.            (2)
Кроме того при температуре 900-950 °С при контакте аммиака с металлом или керамическими материалами, которые используются для футеровки поверхностей, возможны побочные реакции окисления аммиака кислородом:
3) 4NH3 + 3O2 = 3N2 + 6Н2О + 1236 кДж/моль;         (3)
4) 4NH3 + 5O2 = 4NО + 6Н2О + 759 кДж/моль;          (4)
5) 4NH3 + 4O2 = 2N2О+ 6Н2О + 989 кДж/моль.         (5)

В качестве газа-восстановителя используются:
-танковые газы отделения синтеза;
- газообразный аммиак из линии всаса второй ступени аммиачного компрессора поз. 105-J;
- десорбированные газы из ёмкости мгновенного вскипанияпоз. 116-F;
- газы дистилляции отпарной колонныпоз. 103-E.

Сжигание продувочных и танковых газов в ППР имеет ряд существенных недостатков:
1) из-за низкой калорийности этих газов возрастает расход основного (топливного) природного газа с большей калорийностью, что существенно сказывается на увеличении себестоимости производимого аммиака;
2) образование вредных оксидов азота приводит к загрязнению атмосферы, что ведёт к ухудшению экологической обстановки предприятия и города;
3) очистка образовавшихся оксидов азота осуществляется подачей аммиаксодержащих газов в зону реакции, что приводит к дополнительным затратам основного продукта и, соответственно, снижению производительности.

Рациональным путём улучшения технологии производства аммиака является прекращение подачи танковых и продувочных газов на сжигание в ППР, что позволит исключить необходимость проведения гомогенного восстановления оксидов азота. А это в свою очередь приведёт к:
1) снижению себестоимости продукции;
2) повышению производительности агрегата;
3) исключению выбросов оксидов азота в атмосферу.

В литературе приведено много способов утилизации танковых и продувочных газов, среди которых наибольшее распространение получили криогенный метод и селективное прохождение различных газов через мембраны. Существуют современные установки, отличающиеся друг от друга не только конструктивно, но и по характеру, принципу действия и назначению:
1)установки одновременного извлечения аммиака из продувочных и танковых газов[3];
2) установкиизвлечения аммиака из продувочных газов [4];
3) установкиизвлечения аммиака из танковых газов;
4) установки выделения водорода [5];
5) установки выделения инертных примесей [6];
6) установки по утилизации продувочных газов с образованием аммиака [7];
7) установки по утилизации продувочных газов с образованием метанола [8] и др.

Способ одновременного извлечения аммиака из продувочных и танковых газов (см. Приложение 1, рис. 1) включает раздельную промывку газов в скрубберах и общую стадию конденсации и сушки аммиака. Промывка производится в многоступенчатых скрубберах с охлаждением аммиачных растворов между ступенями абсорбции, а выделение аммиака после первой ступени каждого скруббера осуществляется методом выпаривания аммиачных растворов, подаваемых при одинаковом давлении в общий аппарат объёмного или плёночного типа, после совершения каждым раствором работы расширения в гидравлических турбинах. Очищенные от аммиака продувочные и танковые газы направляются в отдельные установки по рекуперации водорода и извлечению аргона [3].

Достигаемый технический результат – улучшение экономических и экологических показателей производства.

В настоящее время считается общепринятым, что при выделении из продувочных и танковых газов водорода, азота, аргона и криптоноксеноновой смеси, независимо от применяемого способа их разделения (низкотемпературный, мембранный или адсорбционный), необходимо обеспечить их предварительную очистку от аммиака. Это связано с тем, что попадание аммиака на мембраны вызывает их необратимое уплотнение: в криогенных системах аммиак может переходить в твёрдое состояние; в адсорбционных установках наличие аммиака в перерабатываемом газе снижает активность адсорбентов.

Согласно проведённым расчётам производительность установки по переработке 4000…6000 нм3/ч продувочных и 1500…2500 нм3/ч танковых газов с концентрацией аммиака 1,5 и 5,0 % об.соответственно, в течение года достигает 720-1200 тонн.

Удельный расход воды на промывку продувочных и танковых газов, как правило, не превышает 0,15 кг/нм3. Применительно к агрегатам аммиака типа АМ-76 это соответствует потреблению воды на скруббер 820…1270 кг/ч.

Основным энергопотребляющим оборудованием стадии отмывки продувочных и танковых газов от аммиака являются водяные насосы. Вместе с тем, расход электрической энергии на их привод удаётся существенно уменьшить за счёт использования работы расширения водоаммиачных растворов в гидравлических турбинах.

Дополнительным эффектом от внедрения разработанного способа извлечения аммиака из продувочных и танковых газов является исключение сбросов в канализацию аммиаксодержащей воды, что способствует улучшению экологической обстановки и снижению затрат на переработку стоков. Исключается также образование оксидов азота в результате сжигания продувочных и танковых газов, отмытых от аммиака, в печах риформинга. К тому же поток «отмытых» танковых газов можно направить на эксплуатируемую в цехе по производству аммиака №2 установку выделения водорода (УВВ).

Способ одновременного извлечения аммиака из продувочных и танковых газов является наиболее оптимальным вариантом совершенствования технологии аммиачного производства, поскольку:
1)подвергаются чистке сразу оба потока газов;
2) исключается образование оксидов азота в ППР, следовательно, гомогенную очистку проводить не нужно;
3) снижается себестоимость готовой продукции;
4) повышается производительность агрегата аммиака.

Приложение 1

Рисунок 1. Установка одновременного извлечения аммиака из продувочных и танковых газов:
1,24 – скруббер; 2,23 – буферная ёмкость; 3,4,22,25 – охладитель; 5,7,9,14,18,21 – насос; 6,20 – гидравлическая турбина; 8,17 – электродвигатель; 10 – влагоотделитель; 11 – адсорбер; 12 – воздушный конденсатор; 13 – вентилятор; 15 – выпарной аппарат; 16 – рекуперативный теплообменник; 19 – отсоединительная муфта

Список литературы:

1. Кузнецов Л.Д., Дмитриенко Л.М., Рабина П.Д. Синтез аммиака. – М.: Химия, 1982.
2. Инструкция по рабочему месту и охране труда аппаратчика синтеза цеха по производству аммиака №1. ИРМ и ОТ АМ–1–27. – Череповец: ОАО «Череповецкий «Азот», 2009. – 199 с.
3. Пат. 2372567 Российская Федерация, МПК F25J3/06. Способ извлечения аммиака из продувочных и танковых газов. Заявитель и патентообладатель ОАО «Тольяттиазот» – № 2008111663/06; заявл. 26.03.2008; опубл. 10.11.2009, Бюл. № 31. – 6 с.
4. Пат. 2314255 Российская Федерация, МПК C01C1/02, B01D 53/04. Извлечение аммиака из продувочного газа. Заявитель и патентообладатель ХальдорТопсеэ А/С – № 2003106981/15; заявл. 14.03.2003; опубл. 10.01.2008, Бюл. № 1. – 7 с.
5. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. Мембранное разделение газов. – М.: Химия, 1991.
6. Демиденко И.М., Янковский Н.А., Степанов В.А. и др. Аммиак. Вопросы технологии / Под общ.ред. Н.А. Янковского. – Донецк: ГИК «Новая печать», ООО «Лебедь», 2001. – 497 c.
7. Пат. 2217669 Российская Федерация, МПК7F25J 3/06. Способ утилизации аммиака из продувочных и танковых газов. Заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн Стирол» – № 2001103788/06; заявл. 13.02.2001; опубл. 27.11.2003. – 9 с.
8. Пат. 2268252 Российская Федерация, МПК C07C31/04, С07С 29/151. Способ производства метанола из продувочных газов. Заявитель и патентообладатель Сосна М.Х. – № 2004127252/04; заявл. 14.09.2004; опубл. 20.01.2006, Бюл. № 2. – 10 с.
9. Справочник азотчика. Справоч. изд. Т.1. – М.: Химия, 1986.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его печать и доставку, составляет 350 рублей для России и 420 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость свидетельства о публикации составляет 120 рублей

Реквизиты для оплаты через банк