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合成氨原料气的超高效除油净化 |
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摘要：本文从原理、结构、技术性能及经济效益分析等方面论述了中、高压合成氨原料气的超高效除油净化，首次将凝聚式过滤机理与方法用于合成氨工业领域。采用不锈钢丝毡折叠滤芯与微米级超细玻璃纤维复合滤芯两级过滤，研制成功了具有国际先进水平的合成氨原料气专用除油过滤器，可有效去除亚微米级油雾微粒，彻底免除催化剂油中毒，消除事故隐患。
1. 前言
氨的生产过程主要包括原料气制备、原料气净化、氨的合成三个主要步骤。其中原料气净化与氨的合成均需在一定压力下进行。因此，压缩机生产能力及工作状况的好坏直接影响着全厂的生产，整个合成氨厂的动力消耗也主要在这些设备上。为保证压缩机的正常运行，有油活塞机等使用润滑油以减少各传动部分间磨擦并降低因磨擦而产生的温度。如常见的2D6.5-7.2/150型往复式压缩机润滑油的用量为0.2kg/h即1728kg/a；3D22-14.45/14-320型1.18kg/h即10195kg/a；6D32-250/320-I型2.5kg/h即21600kg/a。这些润滑油虽经后冷、油水分离器等装置分离净化，但因油蒸气经冷凝后形成0.01-0.8μm粒径的气溶胶悬浮油粒，传统的分离过滤方法对其无能为力或分离效率极低。因此，仍有至少5-10mg/m3左右的润滑油随原料气一起进入后续系统。以年产8-10万吨合成氨厂为例，进入合成塔的新鲜气、循环气总量约为13-17万Nm3/h，按有油或半无油压缩机排气含油量5mg/ Nm3计，每年进入该系统的微量油积累为：
5mg/ Nm3×170000Nm3/h×24h×360d×10-6=7344kg/a
即每年约有7吨之多的劣质乳化油和积碳进入氨冷器、氨分离器及合成塔。此外，传统油分离器体积庞大，维修困难。近年来发展起来的无油润滑压缩机，仍有部分微量油随活塞杆进入气缸。即使不用润滑油的透平压缩机，也需使用密封油(如离心式透平机)，若操作不当或遇紧急情况，这些密封油仍会进入合成氨系统。这些来自压缩机随原料气一起带入系统的油在任何情况下都没有好处；它不仅会使催化剂中毒失效，而且会降低换热效率，危害脱硫、变换等吸收净化系统(详见第四节"经济效益分析")。因此，原料气中夹带的油雾必须予以彻底清除，以保障合成氨系统的正常工作。近年来，在成千套低压大流量及中、高压小流量压缩空气/气体超高效除油过滤器研制与成功应用的基础上，我们开发了具有国际先进水平和凝聚式合成氨工艺气专用超高效除油过滤器。
2. 凝聚式滤芯工作原理与结构特征
凝聚式过滤器核心部件除油滤芯，主体材料为平均直径小于1微米的超细玻璃纤维纸，其过滤属于以扩散、拦截、碰撞等综合机理共同作用的深层过滤，可有效捕集亚微米级粒子。图1为美国LYDIR公司ULPA超低穿透率空气滤纸在不同比速下的粒子分级透过率曲线。
由图知0.12微米级粒子穿透率最强、过滤效率最低，即在超高效、超低微粒的情况下，只要能有效捕集0.12微米的粒子，则对大于或小于0.12微粒的粒子，更容易被捕集。这是因为超细纤维的综合过滤机理所致：粒子粒径愈大，则惯性效应愈强；粒径愈小，扩散效应愈强。因此在一定比速下，必有一粒径成为临界值，所以超细纤维滤材具有较宽的粒径捕集范围，尤其对亚微粒级粒子更具独特功能。实践证明完全有能力捕集微小至0.01微米的油雾粒子。
滤芯为圆桶状组合滤床结构，滤床由预过滤层、超细纤维层、过滤层和重力沉降层组成，内设不锈钢网支撑架。气体由里向外流动，表面积逐渐扩大，成为区别传统滤芯与凝聚式滤芯的典型特征之一(见图2)。污染物中较大固体颗粒滞留在预过滤层中，并最终阻塞纤维孔隙，导致阻力损失上升，滤芯寿命终结。呈悬浮状的液体、固体微粒进入主过滤层--超细纤维床层，微小的油气溶胶粒子在密集纤维床的直接拦截、惯性碰撞与布朗运动等机理的综合作用下，被收集在一根根超细纤维丝上，并趋于集结、凝聚。最后随气体一起进入最外层的开孔型泡沫防扩散套，由于这个套具有很大的表面积和大量的蜂窝状孔隙，故凝聚长大的液滴汇集成液膜在重力沉降作用下落入集油槽排出，洁净的气体在低速下脱离滤芯汇集排出。
综合以上特点可知，通过不同效率与极性材料的组合，可使滤芯兼有高效分水、除油、滤尘能力及优越的经济、技术综合指标(高效、低阻、容尘量大)，滤芯寿命高达12000小时以上，其间不需任何维护且效率始终不变。
3. 合成氨专用过滤器结构与性能
合成氨专用除油过滤器是两种成功过滤技术与两类优良性能过滤材料的结合产物。在此之前，我们已开发、推广运用了近千套低压大流量(1-16bar，0.3-800Nm3/min)及中、高压小流量(20-30bar，0.3-16Nm3/min)超高效除油过滤器，分别应用于压缩空气、氦气、氢气、甲烷气体、CO、CO2气体等的除油净化过程，其过滤精度可高达0.01μm，残余含油量小于0.01mg/m3，压降0.1-0.3bar，取得了良好的社会效益与经济效益。为解决合成氨生产中油污染问题，采用国际最先进的具有超大容尘量和超低压差的不锈钢丝毡折叠滤芯及德国原装凝聚式合成氨专用除油滤芯，结合多年除油净化过滤器设计经验，在国内首次研制成功了除油效率高达0.01 mg/m3的合成氨专用除油过滤器，并已为数家中氮肥扩建工程采用。
3.1 过滤器结构
图三所示为处理气量分别为17万Nm3/h/和55万Nm3/h的两种典型中、大型合成氨原料气过滤器结构示意图。
a. AN-2830/320型 b.AN-9160/150型
图3 合成氨原料气除油过滤器结构示意图
前者由预过滤室与精过滤室两部分组成，二室之间用托盘分开；后者为预过滤和精密除油过滤两级串联组成高效除油器。可安装于高压机和循环机之后(按处理气量和工作压力另行设计)，亦可安置在合成塔进气口前。预过滤器主要用于保护精密滤芯，具有效率高、阻力小、寿命长、可再生等特点。精过滤采用凝聚式合成氨专用除油滤芯，耐酸碱，耐高温。待处理的原料气自进气口a进入预过滤室，外进里出通过预过滤元件，除去气体中夹带的固体杂质与液滴等，其主要过滤机理是直接拦截与惯性效应。预滤后气流上升经过托盘进入精过滤室，里进外出通过该装置核心部件--凝聚式除油滤芯，以连续实现除油分离过程，最终由出气口b连续输出无油、无尘、无液氨的洁净原料气，以彻底免除催化剂中毒。
3.2 技术参数
3.3 压差与流量
图4a.b.所示分别为预过滤主体材料不锈钢丝毡与精滤核心元件凝聚式超细纤维复合滤芯的处理气量(亦即比速)与压差(阻力损失)间关系曲线。对不锈钢丝毡滤材，存在下述关系：
图4 压力与流量关系
亦即当滤材性质、纤维直径、孔隙率、气体粘液、滤材厚度等参数确定后，其阻力损失与流量成正比、与面积成反比。当比速由1(1/cm2.min)增加到100(1/cm2.min)时，其压降值由0.002×105 Pa增至0.2×105Pa，即比速增加100倍，其阻力损失亦增大100倍。同理，由图4b.可知，以MF型凝聚式滤芯为例，当流量由20(Nm3/h)增加至100(Nm3/h)(增大5倍)时。其压差亦由0.02bar增大至0.09bar(近5倍)。因此，增大过滤面积，适当降低比速(综合其惯性、扩散等因素)，可有效降低过滤器的阻力损失。故对预过滤元件，我们采用折叠状结构，在相同圆柱体积下，可使过滤面积增大近六倍，进而使其寿命增加62=36倍，大大提高了设备的使用效率。两级过滤器初始压降仅0.12bar。
4. 经济效益分析
合成氨生产的系统性使其具有牵一点而动全局的特点。无论是中、小型合成氨厂活塞式压缩机的润滑油，还是大型氨厂透平机的密封油，若不能有效去除或因操作不当等原因进入系统，将会对后续工序产生极大的危害。因此，若在压缩三段出口的后冷分离器后(此处油污染最为严重)及六段出口与合成塔入口前(此处对油含量要求最高)设置超高效除油过滤器，将会从以下几个方面产生良好的效益。
4.1 彻底免除催化剂油中毒
氨生产中的烃类蒸气转化、变换、脱碳、合成等工序分别使用不同的催化剂完成各自的转变反应，而进入反应塔的污染油雾，一方面油中的硫使催化剂永久中毒，另一方面油和高温积碳物覆盖在催化剂表面上，轻则会使其催化活性降低，压降升高，出现热带热斑，危及炉管寿命，重则被迫停车，更换催化剂。因此，采用凝聚式超高效除油过滤器可除去细至亚微米的油雾微粒，彻底免除催化剂的油中毒，延长其使用寿命，降低单位合成氨产量催化剂消耗量，减少更换次数。挽回因更换催化剂及停车、开车等造成的巨大直接与间接损失(大型合成氨厂催化剂更换一次需费用超过百万元)。
4.2 提高换热效率，降低换热设备费与维修费
通常水冷器、氨冷器与冷凝塔等设备除为降低气温、回收液氨外，其用途之一是除去经过油分离器的原料气中夹带的污染油份。此外，污染油与其高温碳渣会附着在换热器壁面上，形成热阻，减低换热效率。故这些设备均留有一定的设计余量。此外，因换热设备结构的复杂性，使其清理污垢等维护费增高。若采用超高效合成氨专用除油过滤器，则可提高换热效率，延长使用寿命，进而降低所需设备费与维修费。
4.3 保护净化系统正常工作，消除事故隐患
合成氨生产中的脱硫、碳化、铜洗等许多过程均存在着质量传递，这些过程都是在塔式设备中进行，如填料塔、筛板塔、泡罩塔、浮阀塔等。这些洗涤吸收净化塔均有一定的操作负荷，尤其筛板塔对负荷变化很敏感。油的介入不仅会降低洗涤液(或吸附剂)的吸收容量，影响吸附剂与吸附质间的传质速率，而且会形成发泡物系即呈泡沫状。若不能及时加入消泡剂或消泡剂作用不利，极易发生溢流液泛等泛塔事故，使吸附塔性能急剧下降，无法正常工作。因此污染油的介入极大的危害着吸收洗涤工序的工作。而凝聚式除油过滤器的使用可以彻底清除这一事故隐患。
5. 结束语
综合以上分析可以看出，凝聚式超高效合成氨专用过滤器的研制成功为我国大、中、小型合成氨厂提供了一种彻底清除油污染、消除事故隐患的有力手段及新的效益增长点。将这一目前仅被几个发达国家掌握的除油方法应用于国内合成氨工业，不仅具有较高的理论价值，而且开辟了氨原料气无油化的新途径是。可以说随着项技术革新的推广应用，必将产生巨大的经济效益。
6. 参考文献
［1］ 赵玉祥编《合成氨工艺》，化学工业出版社，1985年
［2］ 大连工学院编《合成氨生产工艺》，石油化学工业出版社，1978年
［3］ 李大明，《压缩空气净化技术发展与应用》
［4］ 于遵宏等编《大型合成氨厂工艺过程分析》，中国石化出版社，1993年(end)
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(12/6/2004) |
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