超纯氨装置中氨尾气系统优化改造的研究与探讨

超纯氨装置中氨尾气系统优化改造的研究与探讨

薛巧云

实联化工（江苏）有限公司  江苏省淮安市 223102

摘要：随着超纯氨生产技术的不断发展和环保要求的日益严格，氨尾气系统的优化改造成为提高生产效率、降低能耗、减少环境污染的重要途径。本文基于当前超纯氨生产中的氨尾气处理现状，分析了传统尾气吸收方法的优缺点，并提出了一系列优化改造方案。通过实际运行数据验证，优化改造后的氨尾气系统不仅大幅提高了氨的吸收率，还有效改善了环境状况，实现了变废为宝、节能降耗的目标。本文的研究对于超纯氨生产企业的尾气处理系统改造具有重要的指导意义。

关键词：超纯氨装置、氨尾气、环保、节能

1. 引言

近年来，中国集成电路产业迅猛发展，市场需求激增，跃居全球核心市场，市场份额近60%，销售额从1260亿元增长至1.2万亿元，展现了强劲增长力与韧性。电子化学品与特种气体作为关键原料，在高科技领域不可或缺，特别是在集成电路制造中，其高纯度特性是技术创新的核心。

中国政府高度重视半导体产业，通过政策扶持与科技专项如“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”，尤其是高纯电子气体研发项目，强化自主创新能力，促进产业链协同发展。同时，《国家集成电路产业发展推进纲要》明确了战略定位与分阶段目标，旨在提升国际竞争力，实现产业全面升级。

在此背景下，我司凭借技术优势，于2019年启动6000吨/年超纯氨项目，并于2023年正式投产，以其稳定品质赢得市场认可，推动化工产业升级，助力国家科技发展战略。

超纯氨作为电子、半导体、光伏等行业的重要原料，其生产过程中产生的尾气处理一直是企业关注的焦点。氨尾气若处理不当，不仅会对操作人员造成身体上的损害，还存在火灾爆炸的隐患。同时，氨尾气向环境中排放还会造成大气污染等一系列环境问题。因此，对超纯氨装置中的氨尾气系统进行优化改造，提高尾气处理效率，减少环境污染，并同时有利于系统能耗的降低，具有重要的现实意义。

2. 氨尾气处理现状分析

2.1 氨尾气来源

7N装置安全阀起跳（包括氨缓冲罐、低沸塔、高沸塔、氨回收槽、氨成品槽车充装安全阀），引风机抽吸尾气（包括来自低压尾气缓冲罐、装置区抽风、现场分析间抽风、5N/7N灌装区抽风）。

2.2 传统尾气吸收方法及其局限性

传统的氨尾气吸收方法主要包括填料吸收塔和喷淋吸收塔等。这些方法在一定程度上能够处理氨尾气，但其局限性也十分明显。例如，填料吸收塔在处理高浓度氨尾气时效果较好，但设备投资较大，且易堵塞；喷淋吸收塔虽然设备简单，但处理效果受洗涤液温度、喷淋量等因素影响较大，且易产生二次污染。

其主要工艺流程为尾气首先进入第一个尾气吸收塔，通过循环泵喷淋吸收，高浓度（20%以下）的氨水经循环氨水泵打入氨水储槽，经输送泵输送至联碱氨水槽。未被完全吸收的氨气，经过第二个尾气吸收塔吸收，该塔功能设计为填料、喷淋分组分级式，尾气先与塔釜液相充分接触吸收后，进入一级填料功能段，通过循环液进行一级循环喷淋，使气液二相得到第三次充分接触，通过不断循环吸收，同时浓度较低的氨水（5%以下）通过循环氨水泵输送给第一个尾气吸收塔作为补水；经多次处理后的废气进入二级填料除盐水喷淋功能段，再使废气得到更充分的气液二相接触反应，同时有效抑制氨水挥发，尾气由排气筒达标排。本尾气处理工艺存在的问题主要在于串联的两水吸收塔均通过循环水降温以促进其氨尾气的吸收，尾气处理系统水吸收氨是一个放热反应，每吸收1kg氨气会放出87.7kcal( 注:1kcal=4.17kJ)溶解热。因此，必须及时把这部分热量取走，并且根据水吸收氨的平衡曲线来控制温度，才能保证氨和水的高效反应使氨水达到指标浓度。目前工艺中循环洗涤吸收，使用循环水通过列管换热器移走溶解热，浓度20%的氨水供热电厂脱硫脱硝使用，尾气处理回收系统要求尾气被处理后排放的废气中氨含量能达到国家的排放标准，按恶臭污染物排放标准( GB 14554—93) ，氨气有组织排放烟囱高度为15m时排放标准为≤4.9kg/h，但是该工艺，在夏季运行循环水温度高、换热效果不佳，两个尾气吸收塔处理能力下降，就需要对前端高压尾气缓冲罐中高压气氨进行深度冷却降低后端尾气处理量，通过提升换气热制冷剂用量加大液氨回收量，以减少后端两个氨吸收塔处理强度，保证操作各项指标在标。大幅度增加了系统的能耗，并且存在尾气超标排放的风险。

3. 优化改造方案设计

基于我司主产品工艺为联合制碱法的工艺特点就是采用氨、盐、水、二氧化碳进行纯碱和氯化铵的生产。其工艺，联碱法生产纯碱采用浓气制碱工艺，工艺描述为二氧碳化与氨、盐、水在碳化塔内反应生成碳酸氢钠和氯化铵的晶浆液经过滤煅烧生产纯碱，滤液经冷析、盐析产出氯化铵再经干燥生产干铵，其原料为NaCl（湿盐）、NH3(液氨)、H2O、CO2(气)，本工艺具有一次加盐、二次吸氨、一次碳化，母液系统循环形成环形反应系统，一、一次加盐在联碱工艺中，“一次加盐”指的是在整个循环过程中，只在特定的步骤加入原料盐（NaCl）。这一步骤通常发生在碳化过程之后，用于生成氯化铵。具体来说，在碳化过程中，氨盐水（由氨气、水和二氧化碳反应生成碳酸铵后进一步处理得到）与二氧化碳反应生成碳酸氢钠沉淀和氯化铵。此时，为了补充因生成氯化铵而消耗的氯离子，需要加入原料盐，以保持溶液中的离子平衡，确保循环的持续进行。二、两次吸氨“两次吸氨”则是联碱工艺中的一个关键步骤，它有助于优化反应条件，提高产品纯度和收率。具体来说，两次吸氨分别在两个不同的阶段进行：第一次吸氨：在碳化过程开始之前或过程中，向母液中加入一部分氨气。这一步骤的主要目的是提高母液中的氨浓度，为后续的碳化反应提供充足的氨源。通过增加母液中的氨浓度，可以促进碳酸氢铵的生成，进而有利于碳酸氢钠的沉淀和析出。第二次吸氨：在碳化过程结束后，向经过过滤和分离得到的母液（此时已含有氯化铵）中再次加入氨气。这一步骤的主要目的是补充因生成氯化铵而消耗的氨，并调整母液中的氨浓度，为后续的循环生产做好准备。通过第二次吸氨，可以确保母液中的氨浓度保持在适宜的范围内，从而保证整个循环生产的稳定性和高效性。主要反应方程式：NaCl(液)＋NH

3(液)+H2O(液)＋CO2(气)＝ NaHCO3(固)＋NH4Cl(液)；② 2NaHCO3(固)＝Na2CO3(固)+CO2(汽）+H2O↑(汽）；本工艺生产原料为CO2、NH3、NaCl、H2O；

本改造针对超纯氨生产系统产生的气量在第二次吸氨中进行，目前国内联碱法生产纯碱厂家约17家，其最小产能为25万吨每年，根据联碱工艺物料平衡图和实际生产情况MⅡ吸氨基本一致，我们采用物料平衡图数据210.4kg/t，国内最小联碱装置每年MⅡ吸氨5.26万吨，其气氨需求量远超国内任一超纯氨生产装置能力，完全具备处理超纯氨装置系统产生的氨尾气。

超纯氨不需要增设尾气处理系统同样实现氨尾气的“零排放”，不在有恶臭污染物氨的外排，也降低了传统的双塔水洗进行氨水制备的在夏季运行不易控制的难题及后续氨水售卖或无需再探索厂内再结合其他用于的工艺条件。在控制合理的超纯氨产率的基础上可以降低氨气冷凝器工作负荷以降低冷媒循环系统功耗以达到节能目的。

改造后的工艺描述为超纯氨装置系统产生的气氨经低压氨尾气缓冲罐中的常压气氨经氨引风机提压后与结晶工序外冷系统来的气氨（压力0.3-0.4Mpa）一同进入喷射吸氨器与MⅡ结合形成AⅡ经28、AⅡ分配罐进入AⅡ澄清桶后续经溢流管到液称呼为AⅡ澄清桶最后AⅡ送碳滤工序进行碳化反应过滤等单元操作过滤液送结晶工序进行循环作业。

4. 优化改造效果验证

我们取了改造前2个月及改造后一个月的数据进行效果验证，其相关数据如下，2024年6月运行24天，原料氨：344.61t，超纯氨产量：234.42t，有组织尾气排放口量：5.52t，残液工业氨量：57.08t，20%氨水量（已依原料氨浓度折算）：47.59t其中残液工业氨为系统排放轻重组份杂质过多已无法继续作为原料氨重新回系统进行使用同制备成20%的氨水同尾气处理部分的浓度20%氨水一同送热电厂供氨法脱硫脱硝使用，电耗811KWH/T,2024年7月运行31天，原料氨：309.38t，超纯氨产量：231.29t，有组织尾气排放口量：3.89t，残液工业氨量：36.74t，20%氨水量（已依原料氨浓度折算）：37.46t其中残液工业氨为系统排放轻重组份杂质过多已无法继续作为原料氨重新回系统进行使用同制备成20%的氨水同尾气处理部分的浓度20%氨水一同送热电厂供氨法脱硫脱硝使用，电耗808KWH/T;2024年8月运行31天，原料氨：396.69t，超纯氨产量：341.98t，有组织尾气排放口量：0t，残液工业氨量：54.71t，经调试气氨直接23氨引风机送联碱厂结晶工序喷射吸氨器进行吸氨，残液工业氨部分直接送联碱结晶工序作为系统降温冷氨，电耗798KWH/T。

根据三个月运行情况6月份超纯氨的产出率68.02%，7月份超纯氨的产出率74.76%，8月份超纯氨的产出率86.21%,创新应用后超纯氨的产出率显著提升，不在有氨水产生，双塔吸收制备氨水装置停止运行，整个装置系统用电由6月811KWH/T，到创新应用后8月直接下降至798KWH/T。

5. 结论与展望

本文通过对超纯氨装置中氨尾气系统的优化改造研究提出了一系列有效的改造方案。这些方案在实际应用中取得了显著效果不仅提高了氨的吸收率还改善了环境状况实现了节能降耗的目标。未来随着科技的不断发展新的尾气处理技术和方法将不断涌现为超纯氨生产企业的尾气处理提供更加高效、环保的解决方案。同时企业也应加强内部管理提高操作人员的环保意识和技术水平确保尾气处理系统的稳定运行和持续优化。

参考文献

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