第58卷第6期2020年12月
化肥设计txue
Chemical Fertilizer Design
Dec.2020
专题综述
“变康为宝”—P N G装置论述
史保峰
(晋煤天源化工有限公司，山西高平048400)
摘要P N G即管道天然气（英文P ip e lin e N a tu a lG a s，简称P N G#指采用管道输送的气态天然气，管道压力较 〇<=低$针对晋煤天源化工有限公司合成氨弛放气提氢尾气存在大量放空的现象，分析了提氢尾气的有效成分 及各种成分的利用价值，采取了深冷和精馏的方式对其中的曱烷进行分离提纯，使之达到国家天然气二级标准后 进行销售，实践证明：该装置投资少，收益快，合成氨弛放气提氢尾气的利用度得到了提高，合成氨降耗效果显著，
具有较好的成本优势及应用市场$
关键词合成氨；天然气；P N G；深冷；废气
doi:10.3969'.issn.1004 — 8901.2020.06.001
中图分类号T E973 文献标识码A文章编号1004 —8901(2020)06 —0001 —03
^Turning Waste into Treasure^----Discussion on PNG Device
SHI Bao-feng
H ian yuan Chemical Co, .Ltd, o f Shanxi Jincheng Anthracite C o a lM in in g G ro u p，Gaoping Shanxi048400 »
Abstract：PNG refers to the pipe-conveyed gaseous natural gas»whose pipe pressure is lower than that of the CNG(compressed natural gas). Giv
en the large quantity of vent gas existing in the hydrogen-stripping tail gas of the synthetic ammonia purge gas of Tianyuan Chemical Co. »Ltd.
of Shanxi Jincheng Anthracite Coal Mining Group，he effective components of the hydrogen-stripping tail gas as w ent ingredients are a nalyzed. Cryogenic distillation is adopted for separation and purification of the methane gas«so that the state Level-II stand
ard could be met and the methane could get ready for sale. Practice has proved that this device featur vated use level of h ydrogen-stripping tail gas of the synthetic ammonia purge gas as well as remarkable decrease in ammonia consumption»which
thus boasts desirable cost advantage and application market.
Keywords：synthetic ammonia；natural gas；PNG；cryogenic； waste gas
doi:10. 3969*. issn. 1004-8901. 2020. 06. 001
晋煤天源化工有限公司（以下简称天源化工)是以 山西晋城高平地区无烟煤为原料，采用成熟、先进、合理 的工艺技术，生产合成氨及尿素产品。天源化工设计生 产规模为合成氨36万t/a，甲醇4万t/a，大颗粒尿素 60万*a。多年以来，改造和扩大现有的生产设备，包括 合成氨、尿素生产等，天源化工都是坚持以清洁生产为 理念，力求做到节能降耗、减亏增效。天源化工经过仔 细考察PNG产品的发展前景和周密分析市场供需量 后，决定利用天源化工合成氨生产过程产生的含甲烷废 气为原料，新上一套2 700NmVh PNG装置，该流程充分 利用了合成氨废气中的有效成分，提高了经济效益。 1应用背景
合成气在氨合成回路中循环使用，循环气中
c h4含量不能太高，必须放出部分尾气（弛放气），以控制系统中惰性组分甲烷浓度，保证正常的氨合 成反应。天源化工氨合成系统中有上游半水煤气带来的2%〜3%的甲烷气体累积，达到一定浓度后 需从合成系统中排出，弛放气经提氢后CH4浓度超 过35%，并带有部分氢气、氮气和氩气，技术上称为 “膜提氢尾气”。改造前，天源化工将合成氨提氢尾 气用于生活煤气和锅炉燃烧，CH4气体的经济利用 率低。
CH4是高质量的化学原料和高热值的清洁燃料，如果简单地燃烧，将直接造成资源浪费。另外，靠近
厂区外5k m有天然气管网，送至管网不仅有助
作者筒介：史保峰（1983年一），男，山西平遥人，2005年毕业于太原
科技大学化学工程与工艺专业，工程师，现主要从事化工工作。
化肥设计
2020年第58卷
于解决当地天然气紧缺的现状，同时也可为公司创 造经济效益。
pe附着力促进剂
为此，将甲烷提纯为P N G 出售，是一项降低合 成氨成本的有效措施，既降低能耗，又拓展了合成 氨的产业链，经济、社会效益可观。
2工艺原理
本项目是将合成岗位产生的废气进行综合利
用，即以合成岗位膜提氢尾气为原料（主要成分为 CH 4、H $、N2和A r )，采用先进、合理的组合净化及 低温液化精馏分离技术，通过膨胀制冷和能量耦合 技术，净化并提纯CH :，生产合格的P N G 产品。
主要利用甲烷、氮气、氢气、氩气这四种气体沸 点的不同，在有压力的状态下实现沸点高的甲烷与 沸点相对较低的氮气、氩气及氢气的液化与分离， 装置的原始冷量主要来自装置中的尾气透平膨胀 机与高压气体节流制冷。
3设计指标
(1)
项目实施后，可获得PNG 2700Nm3/h ，按
热值计，可替代92"汽油16 610t /a 。
(2) 本项目甲烷回收率保证值为85X ，甲烷纯
度在〜之间。产品质量满足国家二类天
然气标准（GB 17820 — 2018)。
(3) 主要工艺操作条件：①液化操作压力为6.7木制灯笼
M Pa(g )，温度为45Y 〜160Y ;②精馏操作压力为
0.75M Pa(g )，温度为一128Y 〜160Y ;③分子筛吸
附压力6.71M Pa(g )，吸附温度为45Y 。再生压力
为 0.05M Pa(g )，再生温度 200°C 。
4工艺流程
工艺流程主要包括原料气脱水、液化分离。装
置工艺流程见图1，物料平衡表见表1。管道天然气 (PNG )属甲B 类可燃气体，本项目不设置天然气储 存装置，采用边生产边输送的形式，直接输送至厂 外天然气管网。
表1
物料平衡表
项目
膜提氢尾气
PNG 氮氢尾气流量/(N m 3 • h-丄）712727004427压力/M Pa(g) 6. 720. 500. 05温度/C 40
40
35
组成/<?%
c h 4
42. 2987. 5H 2 4. 708. 5N 245. 8074. 5Ar
7. 3
2
9. 5
图1
装置工艺流程
4.1工艺流程说明
(1)
原料气干燥脱水。从10M Pa (g )减压至
6.72MPa (g )的膜提氢尾气进入分子筛干燥塔A 的 底部，用分子筛吸附脱除尾气中夹带的少量水分， 干燥脱水后，原料气的露点温度可降至一 70C ，最 后从干燥塔A 的上部排出。智能商用豆浆机
(2)
天然气液化分离。气体从分子筛干燥塔A
内出来后，通往第一板翅式换热器冷却，原料气会 被分为两股流并且下降到一70C ，其中一股通往第 二换热器，冷却后其温度下降到一128C ，紧接着通
往第三板翅式换热器中。另外一股流通往甲烷蒸
发器，其温度为99C ，再通往再沸器，该部件位于精
馏塔底部位置，在此过程中，依然会进行冷却，一直
到一128C 为止，然后通往第三板翅式换热器。当
原料气从第三板翅式换热器出来以后，其温度将下
降为一160C ，此时，除氢气以外的其他气体均会处
于液化状态，紧接着通往缓冲分离器。当原料气被
液化以后，将其排出的位置位于缓冲分离器底部，
紧接着通往第三板翅式换热器进行加热，使之温度
达到一137C ，同时减压，使之压力为0.75MPa (g )，
最终通往精馏塔内实施分离步骤。
在精馏塔顶端位置，原料液可以通过通道进入 精馏塔中，液体在流动的过程中会跟下端升起的热 气体遭遇，由于氩气以及氮气沸点不高，因此很快 会被蒸发，而越是靠近底部，温度越高，含有的甲烷 的量也逐步增加，到达底部时，甲烷的纯度是98X 。 液体甲烷被排出以后，就会通往第三板翅式换热 器，通过加热以后，再通往冷凝分离器中，通过闪蒸
的方式将一些气体排出，紧接着流向第二换热器， 处于底部位置的液体甲烷则会流向甲烷蒸发器的 壳层部位，通过蒸发制冷的方式让原料气温度下 降，第二换热器以及甲烷蒸发器蒸发出的甲烷会混 合于一处，共同流向第一板翅式换热器，通过复热 以后流向膨胀机增压端，在实施0.5MPa (g )加压以 后，通过水冷器使之冷却，温度降至40C 进行输送， 使之离开界区。混合气通过位于精馏塔顶端的排 气口被排出之后，流向第三板翅式换热器中，
在进
第6期 史保峰“变废为宝”——PNG 装置论述
行复热提供冷量以后，再流向透平膨胀机进行制 冷，所获得的低温气体流向位于精馏塔上端的冷凝 器，再依次流向第三、第二以及第一板翅式换热器 内，其中有一些送往界区外的三废炉，另外一些则 作为再生气供分子筛干燥塔使用，出干燥塔的再生 气也送往界区外的三废炉。
膨胀循环制冷采用单级膨胀制冷，其主要由氮 气一甲烷透平膨胀机、冷箱等设备构成。通过循环 为原料气的液化与分离提供冷量。
图2
工艺流程
4.2主要设备
王要设备见表2。
表2
主要设备
序号设备名称设备位号数量备注1第一换热器E23011板翅式2第二换热器E23021板翅式3第三换热器E23031板翅式4再沸器E23041板翅式5冷凝器E23051列管式6甲烷蒸发器E23061列管式7水冷却器E23071列管式8缓冲分离器V23011离心分离9冷凝分离器V23021离心分离
10机前缓冲罐V23031一11膨胀机ET23011增压式12精馏塔T23011规整填料13干燥塔T2501A/B 2分析设计制造
14粉尘过滤器F25011一15
再生加热器
E2501
1
列管式
5试车情况
(1)
P N G 项目于2019年3月开工，2019年8
月完工，9月组织开始试车。
(2) 试车期间，膜提氢尾气甲烷含量没有达到
原设计：2%、最低35%的要求，经分析发现是精馏 塔再沸器换热面积不够所致，精馏塔返厂，对塔内
再沸器重新设计制作，延误约一个月时间。
(3)
试车期间，因不锈钢三通的质量问题，先后
两次造成管件破裂、低温可燃气体泄漏，停车对不 锈钢三通和弯头、冷箱内所有不锈钢弯头及冷箱外 部分不锈钢弯头和变径进行更换。
(4) 试车期间，因开车操作不当，膨胀机轴承气
大幅波动，导致膨胀机断轴，对其进行解体并更换
备件。
(5) 2019年11月9日开车，生产出合格甲烷气。
(6)
因燃气公司销售量的影响，外管网压力长
期处于憋压状态，产品气压力突然升高，造成安全 阀经常性起跳，2020年4月23日，在产品气管线上 加装一台压力调节阀通至燃料气气柜。6
存在的问题及改进措施
<7产品气憋压问题
受外管网用户用量的影响，产品气压力不稳 定，安全阀经常性起跳，且缺少远传压力表，不能实 时监控产品气压力，已通过技改方式解决，增加了
产品气远传压力和调压阀。<2
膨胀机问题(1)
原设计膨胀机轴承气为系统外供氮气，因
不具备条件，改为原料气供应，这可能导致前工段
突发性跳车、分子筛压力高安全阀突然起跳泄压、 缓冲分离器压力高安全阀突然起跳泄压，造成轴承 气大幅波动，损坏膨胀机。针对此问题，择机改为 氮气。
(2)
膨胀机无备机。膨胀机转速高、两段温差
大(制冷端一160Y ，制动端70°C )，是整套系统最脆 弱的部分，也是最容易损坏的部件。如果发生断轴 事件，需厂家进行定制，定制时间为10〜3〇d 。6.3紧急停车联锁问题
现场可燃气探头只要一个超标，即联锁隔离跳 车，已改为4取2。6.4冷箱保冷问题
(1)
冷箱西侧防爆窗口泄漏封氮较多，上升到
冷箱顶部的氮气较少，需在西侧防爆窗口处进行适 当密封，但不应影响其超压开启的阈值。
(2)
冷箱设计偏小，保冷材料不足，冬季箱体结
冰、结霜严重。
(3) 冷箱南侧小冷箱防水不完善，保冷材料进
水，且应增加氮封。
(下转第25
页）
第6期朱周军塔底再沸器弹簧支架设计• 25 •
另外，考虑到设备运行初期设备的工作质量未 达到稳定运行时的质量，当弹簧装置释放时，可能 发
生向上位移的情况。为保证设备不会被弹簧推 至倾斜或者由此导致设备管嘴受力过大，在弹簧上 方置了限位，最终支架见图F 。
4结语
(1)再沸器作为化工装置中的重要设备，其工
作温度较高，必须对其相关管线进行应力计算。对 于这种离塔近、管径大且缺少自然补偿空间的情 况，则需要考虑以弹簧支架作为换热器的支撑。
图7弹簧支架设计
(2)卧式再沸器由于封头部分的质量分布不均 句，导致每一^组弹賛的受力都不一^样，在换热器建 模时，应尽量提高模型准确性，对各部分质量进行 细化分割。应力分析除了要计算各弹簧支撑的受 力，还要保证管口受力及扭矩不能过大，同时建议 对法兰面进行泄漏性校核。此外，设计弹簧支架时 应考虑设备的稳定性以及对安装、运行等工况的适 应性，例如将单个弹簧改成弹簧箱、设置限位等。参考文献（
[1] 周小兵.塔与再沸器的配管及应力分析-].化肥设计，2008 47
!) :32-34.
[2] 唐永进.压力管道应力分析[M ].北京：中国石化出版社，2003.
修改稿日期202011—20
(上接第3页）
<7控制系统问题
分子筛缺A B 罐远传压力表（已加装）和压差 表，应设置压差高联锁控制，防止两罐因压差大，出 现切换时气量波动或分子筛粉化的现象。6.6其他问题
(1) 分析表导压管为塑料材质，且无减压表。
(2) 精馏塔设计压力0. 8MP a (g )，安全阀整定 压力0. 81MP a (g )，需进行调整，因涉及到高压串低 压，且设备在冷箱内，查漏不便，建议并联一台安全 阀，且增加根部阀，可互相切换校验。
7经济效益分析
7.1项目投资
黄粉虫筛选机该项目共投资706. 08万元，投资统计见表3。
表=
投资统计
序号
项目
费用金额（万元）1总包合同
638. 72设备材料费
422.72安装工程费161技术服务费
552 产品气管网（厂区内）
材料费
6. 4施工费
17. 43
土建施工费
8. 64计量加臭撬装设备14. 965 环境影响评价报告 8.56安全预评价报告11. 57
合计
706. 08
根据投资和产出测算，正常生产约4个月即可 收回全部投资成本。7.2经济效益
日运行费用（按合成氨系统满负荷，膜提氢尾 气大约7 000〜8 500Nm 3/h 核算）见表4。
表4
日运行费用
项目
用途
日用量单价日运行 成本/元中压蒸汽分子筛再生51
82元八410膜提氢尾气
PNG 原料气
168 000Nm3 〜 204 000Nm3
母线框0. 09 元/N m 3
15120〜 18360合计
15530〜18770
单日可外销产品甲烷气42 000〜47000N *3，单 价1.35元/Nm 3，除去日运行费用，日净收益41 170 〜44 680元，全年为公司增收13 58. 6〜1 474. 4万元 (全年按330天计），经济效益相当可观。
8结语
通过本装置的实施，将合成弛放气中甲烷提取 并出售，降低了合成氨生产成本，吨氨生产成本降 低约为40元。此次改造在为天源化工创造了大的 经济效益的同时，更增强了企业的抗风险能力。
修改稿日期
2020-10-15
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