碳铵工艺技术方案.docx
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碳铵工艺技术方案
4.3碳酸氢铵工艺技术方案
4.3.1碳铵装置工艺概述
4.3.1.1产品规模和规格
（1）年操作日
年操作日：
300天/年
（2）产品产量
时产量：
农用碳铵31.25吨+食品碳铵14.58吨
日产量：
1100吨
年产量：
330000吨
（3）产品规格
农用碳酸氢铵产品质量符合国标GB3559-2001的规定，主要指标见下表：
表4-9碳酸氢铵主要质量指标表
项目
指标
湿碳酸氢铵
优等品
一等品
合格品
氮含量（N）≥
17.2
17.1
16.8
水分（H2O）≤
3.0
3.5
5.0
注：
优等品和一等品必须含添加剂。
食品碳酸氢铵产品质量符合国标GB1888-2008的规定，主要指标见下表：
表4-10350t/d食品碳铵质量指标表
项目
指标
总碱量（以NH4HCO3计），w/%
99.2～100.5
氯化物（以Cl计），w/%≤
0.003
硫的化合物（以SO4计），w/%≤
0.007
不挥发物，w/%≤
0.05
砷（As），w/%≤
0.0002
重金属（以Pb计），w/%≤
0.0005
4.3.1.2碳铵装置工艺技术方案
（1）工艺生产方法的比较
碳化生产流程根据压力的不同总的可分为低压碳化和高压碳化。
目前生产中采用的有以下几种操作压力：
1）低压碳化
采用低压碳化压力为0.3～0.34MPa进入碳化系统。
2）高压碳化
采用高压碳化压力为0.6～0.7MPa。
（2）工艺技术选择
碳化生产流程操作压力虽有大小不一，但碳化系统的生产工艺过程和操作控制原理相同，上述二种方法技术均成熟可靠。
由于高压碳化不但可以把原料气中二氧化碳和氨清除得比较干净，而且该项目是由天然气为原料生产合成氨，以氨及副产的CO2和部分弛放气为原料生产碳酸氢铵。
因此本项目的可研报告则选择采用0.7MPa左右高压并联碳化流程，用浓氨水吸收二氧化碳，同时产出成品农用及食品碳酸氢铵作为碳铵装置的工艺方案。
（3）碳铵装置工艺原理及流程叙述
1）工艺原理
用氨水吸收二氧化碳，在很早以前就用于焦炉气深度冷冻前少量二氧化碳的脱除，我国的小合成氨厂将此法发展成为碳化法合成氨生产流程。
氨水溶液的碳化过程是一个伴有化学反应的吸收过程，其总反应如下：
CO2＋NH3＋H2O＝NH4HCO3
吸收过程的总反应按如下两个反应进行：
2NH3＋CO2＋H2O＝（NH4）2CO3碳酸铵
（1）
NH3＋CO2＋H2O＝NH4HCO3碳酸氢氨
（2）
实际上的反应过程是氨及二氧化碳首先反应生成氨基甲酸铵
2NH3＋CO2＝NH4COONH2
氨基甲酸铵水解进一步反应生成碳酸氢铵
NH4COONH2＋H2O＝NH4HCO3＋NH3
氨和水作用生成氢氧化铵
NH3＋H2O＝NH4OH
水解的碳酸氢铵及氢氧化铵作用生成碳酸铵
NH4HCO3＋NH4OH＝（NH4）2CO3＋H2O
碳酸铵再吸收二氧化碳生成碳酸氢铵
（NH4）2CO3＋CO2＋H2O＝2NH4HCO3
实际上反应过程是比较复杂的，具体的反应机理尚有待进一步研究，但大致反应可分述如下：
A.吸氨过程
气氨溶于水中，大部分及水结合成一水合氨
NH3（气）＋H2O（液）＝NH3·H2O（溶液）
氨水一水合氨
由于母液稀氨水中尚存在NH4＋、NH2COO－，CO32－等离子。
因此，吸氨过程在溶液中还存在下列可逆反应，并重新建立各离子之间的平衡。
NH3（溶）＋HCO3－＝NH2COO－＋H2O
氨碳酸氢根离子氨基甲酸根离子水
NH3（溶）＋HCO3－＝NH4＋＋CO32－
B.碳化过程
首先，二氧化碳从气相溶解于液相：
CO2（气）＝CO2（液）
二氧化碳二氧化碳
溶解态的二氧化碳及溶液中的游离氨（水合和未水合的氨分子）形成氨基甲酸铵（NH4COONH2）
CO2（液）＋2NH3（液）＝NH4COONH2（液）
二氧化碳氨基酸氨基甲酸铵
随后，溶液中的氨基甲酸铵水解形成碳酸氢铵或碳酸铵：
NH4COONH2＝NH4＋＋NH2COO－
氨基甲酸铵铵离子氨基甲酸根离子
NH2COO－＋H2O＝NH3＋HCO3－
氨基甲酸根离子水氨碳酸氢根离子
NH3＋HCO3－＝NH4＋＋CO32－
氨碳酸氢根离子铵离子碳酸根离子
在碱性较强的溶液中主要形成CO32－，而在PH值8～10.5之间或高浓度CO32－的溶液中主要形成HCO3－。
据测定，当碳化塔溶液中碳化度由115﹪增加到155﹪时，溶液的PH值由9.40降低到8.58。
因此，碳化主塔内主要是生成碳酸氢铵。
在碳化过程中，随着碳酸氢铵的不断生成，当溶液中碳酸氢铵的浓度超过它在该温度下的溶解度时，便以结晶形成析出。
此外，由于原料气中含有大量惰性气，当原料气通过碳化塔、预碳化塔时，及浓氨水接触，就会有氨气从溶液中脱吸出来。
其反应如下：
NH3·H2O＝NH3↑＋H2O
一水合氨氨水
在氨回收过程中，用软水吸收原料气带出的氨和部分CO2，循环使用。
碳酸氢铵结晶经过离心分离及溶液机械分离，得到成品碳酸氢铵。
2）工艺流程叙述
该碳铵装置流程，属于高压并联碳化流程。
该流程由下述工序组成：
·压缩工序
·碳化工序
·离心分离、干燥工序
·吸氨工序
工艺流程说明参见工艺流程图
A.压缩工序
来自合成氨装置脱碳工序的产品CO2气，通过原料气水分离器（02S0102）至CO2压缩机（02C0102ab）入口。
经压缩机压缩至0.7MPa（A）及同样来自合成氨氢回收装置补充的弛放尾气在CO2压缩机出口混合，再及来自碳化工序综合塔（02T0102）顶的通过尾气水分离器（02S0101）至尾气循环压缩机（02C0101ab）压缩至0.7MPa（A）循环使用的尾气一起配成混合气（干基计，CO240％V），进入碳化工序。
B.碳化工序
配成的混合气（干基计，CO240％V），压力0.7MPa（A）、温度≤38℃，进入双系列并联的碳化塔主塔（02T0201-1/2）的底部。
在碳化塔上部加入从碳化泵（02P0201abc）来的碳化液（此碳化液为来自固定副塔并被预碳化的预碳化液），及混合气逆流鼓泡接触，吸收其中的二氧化碳，大部分CO2被吸收生成碳酸氢铵结晶。
含CO2约10％（Vol％）的气体从主塔顶出来，进入碳化副塔，被从综合塔来的浓氨水吸收CO2后，含CO2约10％（Vol％）的气体再进入综合塔底部，分别被综合塔固定副塔段浓氨水吸收CO2使尾气中的CO2含量小于0.4％（Vol％），进入综合塔上部回收清洗段，经清洗段脱盐水吸收CO2和清洗NH3后，CO2含量小于0.4％（Vol％）NH3含量小于0.07％（Vol％），压力为0.5MPa（A）的尾气经尾气水分离器至尾气循环压缩机压缩至0.7MPa（A）配成混合气后再进入碳化工序循环使用。
、
在综合塔回收清洗段上部，加入经过软水冷却器（02E0201）冷却至20℃的软水进入回收清洗塔上部，在回收清洗段通过筛板进入吸收，用以回收气体中的NH3和CO2，保证尾气合格。
碳化主塔在吸收后CO2，生成碳铵结晶，大部分以悬浮液送到后工段，少量结晶粘附在塔壁和冷却水箱上，影响水箱换热。
生产中每1-2个班次将碳化主、副塔调换1次，将有结晶的主塔调换为副塔，由浓氨水在内鼓泡清洗溶化结晶碳铵。
C.离心分离、干燥工序
在进入双系列并联的碳化塔（02T0201-1/2）中生成的碳酸氢铵固体悬浮液，含结晶40％左右的悬浮液从塔下部取出，送入稠厚器（02S0401），然后流入离心机（02C0401）分离，使碳酸氢铵结晶及母液分离，得到湿的碳酸氢铵成品。
其中一部分湿的碳酸氢铵作为农用碳酸氢铵成品经皮带称称重包装后送去成品仓库。
另一部分湿的碳酸氢铵经螺旋输送机（02L0401）送入热风干燥管（02L0402）。
热风干燥管底部通入来自空气鼓风机（02C0402）并经空气加热器（02E0401）预热后的热空气，通过气流输送把干燥后的碳酸氢铵送至旋风分离器（02L0403）进一步分离，得到食品级碳酸氢铵成品。
食品碳酸氢铵成品经皮带称称重包装后送去成品仓库。
出离心机的液体称为母液，含有穿漏的碳酸氢铵结晶，进入晶液分离器（02S0402），液体经溢流管进入母液贮槽（02V0302ab）。
下部的晶浆经滤液泵（02P0401ab）返回稠厚器。
出旋风分离器含粉尘的气体经引风机（02C0403）进入尾气洗涤塔（02T0401）底部及从上部填料床层喷淋加入的软水作吸收剂，下部填料床层喷淋加入自底部尾洗塔循环泵（02P0402ab）并经尾洗塔循环冷却器（02E0402）冷却后的循环液作吸收剂进一步吸收。
出尾气洗涤塔的吸收液送入稀氨水槽（02V0303）。
出尾气洗涤塔的气体通过压力调节阀排入大气。
D.吸氨工序
综合塔回收清洗段上部加入的软水，吸收放空尾气中的氨，生成4％（Wt％）的稀氨水，送入稀氨水槽（02V0303）。
母液贮槽的母液及稀氨水贮槽的稀氨水混合后经吸氨泵（02P0302ab）送入吸氨喷射器（02X0301），及界区外送来的液氨经液氨蒸发器（02E0301）后的气氨进行反应，制成浓氨水，浓氨水经吸氨冷却器（02E0302）冷却后，送入浓氨水贮槽，用浓氨水泵（02P0301ab）送到综合塔的副塔段，在塔内吸收一部分CO2而生成高碳化度浓氨水液，经浓氨水加压泵加压后送入碳化副塔，副塔氨水吸收CO2后，还溶解部分结疤成预碳化液，由碳化泵送入碳化主塔塔内，进一步吸收CO2并生成碳酸氢铵结晶。
离心机分离得到的母液进入母液贮槽，及稀氨水一起被吸氨泵打入吸氨喷射器中吸氨而做成浓氨水，形成循环。
按生成碳酸氢铵的化学平衡，即生成1吨碳酸氢铵在理论上需要加软水256Kg，加上生成来的4％（Wt％）的稀氨水，用吸氨喷射而生成为浓氨水循环的方法，可不排放稀氨水，故而本工序无废水排放。
表4-11消耗定额（以一吨产品碳铵计）
序号
项目
规格
单位
数量
1
液氨
100%NH3计
kg
220.9
2
CO2
100%CO2计
kg
563.2
3
循环冷却水
m3
88.9*
4
脱盐水
kg
256.0
5
电
kwh
54.5*
（4）碳铵装置主要设备概述
1）主要设备选型
A.碳化塔
碳化工序中的主要设备为碳化塔，碳化塔主要结构型式及传统碳铵碳化塔基本一样，为满足工艺要求本塔采用内径3000mm，高度16000mm，内件设有冷却水箱14层，分上、中、下三部分，每层互错设置有6个U型φ420左右的水箱，U型冷却管材料为φ25×2.5的SS304不锈钢管，冷却面积约1100m2，本方案主要考虑了材质的选择，以前大部分采用碳钢加防腐冷却管，这一次采用SS304不锈钢管。
相比碳钢防腐寿命长，比全部采用铝管合理。
因为在塔的中、下部出现大量的碳铵结晶体，由于纯铝管不耐冲刷和腐蚀故寿命较短，现改为SS304不锈钢管可提高使用寿命，大大减少更换水箱次数，这样既节省了费用又增加了产量从而提高了效益。
B.离心机
离心机是离心分离工序的主要设备，主电机带动转鼓全速旋转，物料由进料管连续引入，均匀分布到转鼓内段滤网壁上，在离心力作用下，液相物穿过滤网和转鼓壁滤孔排出转鼓，经机壳排液管排出机外，固相物截留在转鼓内，形成环形滤饼层。
推料盘及转鼓同时旋转的同时，在活塞推动下，连续轴向往复运动，推动滤饼层间歇不断地向转鼓外端移动排出转鼓，从前机壳底部排出机外。
离心机选用卧式活塞单级推料、连续操作带式过滤离心机，离心机为六开二备。
生产能力8～12T/h，含湿量小于3%，适合分离含固相物粒度大于0.1mm，浓度大于40%的悬浮物。
C.CO2压缩机
CO2压缩机为二段离心式压缩机。
合成氨装置脱碳工序来的CO2压力0.13MPa（A），温度40℃，CO2纯度最低98.5%。
压缩机为一开一备。
排出压力0.7MPa（A），温度≤38℃。
D.尾气循环压缩机
尾气循环压缩机为离心式压缩机，压缩机为一开一备。
压缩机吸入压力0.5MPa（A），排出压力0.7MPa（A），温度≤38℃。
2）碳铵装置主要设备表
表4-12碳铵装置主要设备表
位号
名称
数量
主要材料
备注
压缩工序：
02S0101
尾气水分离器
1
SS
02S0102
原料气水分离器
1
CS
02C0101ab
尾气循环压缩机（全套）
含段间分离器及冷却器
1+1
SS+CS
02C0102ab
CO2压缩机（全套）
含段间分离器及冷却器
1+1
SS+CS
碳化工序：
02T0201abc-1
碳化塔-1
2
SS+CS
02T0201abc-2
碳化塔-2
2
SS+CS
02T0202-1
综合塔-1
1
SS+CS
02T0202-2
综合塔-2
1
SS+CS
02E0201
软水冷却器
1
CS
02P0201ab
浓氨水泵
2+1
SS
固定副塔及吸氨公用
02P0201abc
碳化泵
2+1
SS
位号
名称
数量
主要材料
备注
吸氨工序：
02E0301
液氨蒸发器
1
SS
02X0301
吸氨喷射器
1
SS
02E0302
吸氨冷却器
1
SS
02V0301ab
浓氨水贮槽
1+1
SS
02V0302ab
母液贮槽
1+1
SS
02P0301ab
吸氨泵
1+1
SS
02V0303
稀氨水贮槽
1
SS
02V0305
吸氨冷却器液位槽
1
SS
离心分离工序:
02S0401
稠厚器
1
SS
02S0402
晶液分离器
1
SS
02C0401
离心机
6+2
SS+CS
02P0401ab
滤液泵
1+1
SS
02L0401
螺旋输送机
1
SS
02L0402
热风干燥管
1
SS
02C0402
空气鼓风机
1
CS
02E0401
空气加热器
1
CS
02C0403
引风机
1
SS
02L0403
旋风分离器
1
SS
02T0401
尾气洗涤塔
1
SS
02E0402
尾洗塔循环冷却器
1
SS
02P0402ab
尾洗塔循环泵
1+1
SS
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