100 kt/a雙加壓稀硝酸裝置的改造及優(yōu)化

黎志敏

（杭州龍山化工有限公司，杭州311228）

近年來(lái)，雙加壓法硝酸以其氨耗低、鉑耗低、成品酸含量高和尾氣中NOx含量低等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為我國(guó)硝酸行業(yè)發(fā)展的主要生產(chǎn)工藝，預(yù)計(jì)2015年在硝酸產(chǎn)能行業(yè)內(nèi)的比例將達(dá)90%以上[1]。目前杭州某公司1套100 kt/a雙加壓法稀硝酸裝置，自2010年4月投入生產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，出現(xiàn)了如低壓反應(yīng)水冷器列管易泄漏、廢熱鍋爐爆管及高溫季節(jié)裝置產(chǎn)量偏低等問(wèn)題，為此進(jìn)行了一系列相應(yīng)的改造和優(yōu)化，達(dá)到了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和裝置節(jié)能降耗的目的。

1 低壓反應(yīng)水冷器改造

1.1 設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀

φ1 400 mm低壓反應(yīng)水冷器使用2 a后，每次停車(chē)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)φ25mm×2mm換熱管都有不同程度的泄漏現(xiàn)象。在多次對(duì)管板和換熱管進(jìn)行焊補(bǔ)后，原總共822根換熱管，已經(jīng)焊補(bǔ)封堵了120余根，換熱面積下降約15%，造成了設(shè)備出口的NOx溫度由37℃上升到補(bǔ)漏后的42～45℃，而氣體溫度偏高會(huì)影響后續(xù)NOx壓縮機(jī)的提壓效率，同時(shí)部分泄漏的稀硝酸進(jìn)入殼程后加速了碳鋼設(shè)備和管線(xiàn)的腐蝕。

由于該設(shè)備的換熱管材質(zhì)采用304L不銹鋼，總質(zhì)量22 t，換熱面積702m2，若調(diào)換整臺(tái)設(shè)備費(fèi)用需120萬(wàn)元以上，維修成本過(guò)高。

1.2 腐蝕原因分析

1)溫差應(yīng)力腐蝕。由于低壓反應(yīng)水冷器的換熱管與管板之間采用常規(guī)的貼脹+強(qiáng)度焊接形式，在脹管處管壁減薄及焊接容易造成殘余應(yīng)力，而設(shè)備入口處的NOx氣體溫度高達(dá)到170℃，循環(huán)冷卻水的溫度約30℃，2者溫度相差較大，而過(guò)大的溫差應(yīng)力極易造成換熱管薄弱處破損。

2)高溫冷凝稀酸沖刷。入口處NOx氣體溫度高達(dá)到160～170℃，出口為40℃左右，該氣體的露點(diǎn)溫度97℃，在冷卻過(guò)程中不斷有冷凝酸產(chǎn)出。按照理論數(shù)據(jù)及使用經(jīng)驗(yàn)，超過(guò)70℃的冷凝稀硝酸對(duì)304L不銹鋼的腐蝕比較嚴(yán)重，特別是在高速氣流的帶動(dòng)下對(duì)管束的沖刷比一般的電化學(xué)腐蝕更大。目前低壓水冷器進(jìn)口的NOx氣體溫度約為160℃，所以水冷器的腐蝕主要集中在了前半段。

3)Cl-聚集應(yīng)力腐蝕。換熱管材質(zhì)采用的304 L不銹鋼不耐Cl-腐蝕，容易引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，同時(shí)由于采取常規(guī)的管板焊接方法，在管束和管板之間存在間隙，如果循環(huán)冷卻水中的Cl-含量較高，容易在間隙死角處產(chǎn)生了Cl-聚集，從而容易使管子表面形成點(diǎn)坑或縫隙腐蝕[2]。

1.3 措施及建議

在具體改造實(shí)施過(guò)程中，改變了設(shè)備的布置形式，將原來(lái)1臺(tái)φ1 400 mm臥式低壓反應(yīng)水冷器拆除后，改為2臺(tái)同等換熱面積的小設(shè)備。其中前置水冷器改為立式布置，后面1只仍為臥式布置，新?lián)Q2臺(tái)φ1 500mm水冷器的熱管規(guī)格為φ25mm×5 500 mm，共計(jì)948根，換熱面積為401 m2，2臺(tái)水冷器換熱面積共計(jì)802m2。設(shè)備直徑變大后使氣體流通面積有所增加，保證改造后系統(tǒng)的阻力不至于增加很大；立式低壓反應(yīng)水冷器冷凝酸停留時(shí)間減少降低了對(duì)換熱管的沖刷程度。一般情況下，只需調(diào)換前置低壓反應(yīng)水冷器即可，能減少設(shè)備維修成本。

同時(shí)還可以通過(guò)以下幾方面措施：

1)保證冷卻水質(zhì)量。要嚴(yán)格控制循環(huán)水的各項(xiàng)指標(biāo)，減少懸浮物、雜質(zhì)等帶入，特別是要定期分析Cl-含量防止超標(biāo)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.2×10-3），通過(guò)殼程的排污口對(duì)循環(huán)水進(jìn)行定期排放等措施，同時(shí)可在裝置停車(chē)檢修期間進(jìn)行物理或化學(xué)專(zhuān)業(yè)清洗，消除污垢。盡量減小換熱管死角處的Cl-聚集，防止腐蝕的發(fā)生。

2)采用先進(jìn)制造工藝。換熱器的換熱管與管板之間一般采用傳統(tǒng)的貼脹+強(qiáng)度焊接形式，建議改為目前先進(jìn)的內(nèi)孔焊技術(shù)，用內(nèi)孔焊制造的換熱器耐應(yīng)力腐蝕破裂性能優(yōu)于未采用內(nèi)孔焊的換熱器[3]。不僅能提高焊接質(zhì)量，也能消除換熱管和管板之間的縫隙死角，減小Cl-集聚引起的應(yīng)力腐蝕。

3)選擇適用的耐腐蝕材料。考慮到設(shè)備投資的問(wèn)題，改造時(shí)換熱器的換熱管材質(zhì)還是選用了304L不銹鋼。事實(shí)證明鈦材能更好的適應(yīng)70℃的冷凝稀硝酸工作環(huán)境，如果在金屬市場(chǎng)鈦材價(jià)格適中，可將前置低壓反應(yīng)水冷器換熱器的列管和管板選擇為鈦材，適當(dāng)減小換熱管壁厚，即能保證換熱效果，也能延長(zhǎng)使用壽命。

1.4 改造后運(yùn)行情況

低壓反應(yīng)水冷器在通過(guò)改造后，前置立式水冷器產(chǎn)生的冷凝酸溫度約55℃，NOx分離器處的冷凝酸溫度約36℃。這樣后置水冷器的管程工作溫度＜70℃，大大延緩了其腐蝕程度，進(jìn)入酸塔的冷凝酸溫度降低3℃，相應(yīng)提高了酸吸收效率。通過(guò)運(yùn)行約2 a來(lái)檢修時(shí)查漏情況，未出現(xiàn)明顯泄漏現(xiàn)象。

2 氧化爐-廢熱鍋爐改造

2.1 設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀

氧化爐-廢熱鍋爐運(yùn)行4 a以來(lái)，已出現(xiàn)4次蒸發(fā)段爆管現(xiàn)象，合計(jì)堵φ45mm×5mm加熱管6根（總共38根），隨之而來(lái)廢鍋爐出口NOx氣體溫度不斷上升至480～490℃，與設(shè)計(jì)指標(biāo)的400℃相差較大，廢鍋換熱效果不好必然使裝置自產(chǎn)蒸汽不足，蒸汽系統(tǒng)自平衡困難，同時(shí)整個(gè)裝置能量回收效率差。

針對(duì)此情況，在初期發(fā)生爆管現(xiàn)象后也采取了一些措施，如增加了1臺(tái)大流量的鍋爐循環(huán)水泵（將體積流量由300m3/h增加到350m3/h），提高鍋爐的循環(huán)倍率；汽包排污方式也由不定期排污改為定期排污；控制好氧化爐中部溫度不要超過(guò)880℃等，但也沒(méi)能徹底解決設(shè)備存在的問(wèn)題。

2.2 原因分析

氧化爐-廢熱鍋爐也是選用傳統(tǒng)的巴布考克爐型，隨著這些年以來(lái)行業(yè)內(nèi)裝置運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該鍋爐存在NOx氣體出口溫度過(guò)高、換熱管爆管和檢修困難等一系列通病。之所以達(dá)不到預(yù)期的使用壽命，其主要原因就是設(shè)計(jì)上鍋爐水的節(jié)流分布問(wèn)題和國(guó)內(nèi)設(shè)備加工制造水平與國(guó)外廠家存在一定的差距。

2.3 改造措施及建議

從行業(yè)內(nèi)的新技術(shù)、新設(shè)備應(yīng)用動(dòng)態(tài)來(lái)看，拉蒙特爐型廢熱鍋爐將是雙加壓法稀硝酸裝置今后應(yīng)用趨勢(shì)，其更加合理的結(jié)構(gòu)形式能夠基本解決以上問(wèn)題。與巴布考克爐型相比，該爐型主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。首先換熱盤(pán)管采用蛇形水平排列，這樣的設(shè)計(jì)克服了巴布考克爐型鍋爐垂直彎頭過(guò)多的缺陷，因?yàn)閺濐^處受到的熱應(yīng)力大，尤其是在開(kāi)停車(chē)時(shí)候彎頭處熱應(yīng)力更大，也避免了彎頭處的渦流對(duì)管壁的沖刷磨損。同時(shí)蒸汽過(guò)熱段盤(pán)管位于上下2層蒸發(fā)段盤(pán)管之間，有效地避免過(guò)熱段盤(pán)管受到高溫輻射熱。

2)熱能回收效率較高。水平盤(pán)管布滿(mǎn)整個(gè)筒體空間，工藝氣體不會(huì)走短路，廢熱鍋爐出口NOx氣體溫度能基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求的400℃左右，相應(yīng)鍋爐的產(chǎn)汽量更大。同時(shí)設(shè)計(jì)理念的不同，鍋爐系統(tǒng)的鍋爐水循環(huán)倍率較小，配套鍋爐水循環(huán)泵所需電機(jī)功率小，相應(yīng)節(jié)省設(shè)備運(yùn)行電費(fèi)。

3)檢修難度相對(duì)較小。巴布考克爐型鍋爐內(nèi)的換熱盤(pán)管布置十分密集，檢修空間極其狹小，一旦出現(xiàn)爆管現(xiàn)象需要查漏檢修時(shí)，要先進(jìn)入爐內(nèi)上部查找泄漏點(diǎn)，再進(jìn)入爐下部的進(jìn)出集汽箱封堵?lián)Q熱管。如果泄漏點(diǎn)不是位于頂部第1層盤(pán)管將很難查找到，而巴布考克爐型鍋爐的進(jìn)出集汽箱位于爐外，內(nèi)部檢修空間相對(duì)較大，查漏比較方便。

2.4 改造后運(yùn)行情況

2014年8月更換了1臺(tái)φ3 600 mm新拉蒙特爐型氧化爐-廢熱鍋爐。在投入生產(chǎn)運(yùn)行后，初步取得以下良好的效果：

1)熱能回收效率高。原廢熱鍋爐出口NOx溫度為450～460℃（爆管后期高達(dá)480～490℃），水冷壁溫度250～260℃；調(diào)換新設(shè)備后廢鍋出口溫度為415～425℃，水冷壁溫度230～240℃。汽包最大產(chǎn)汽量由16 t/h提高到18 t/h。

2)無(wú)需過(guò)熱蒸汽噴水減溫。原廢熱鍋爐的過(guò)熱段通過(guò)噴水減溫器噴水約1.5 t/h來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)熱器出口的蒸汽溫度，采用新?tīng)t型后現(xiàn)在基本無(wú)須噴水減溫，過(guò)熱蒸汽就能保持在420℃左右，可取消原噴水減溫裝置，減小因噴水減溫而引起的蒸汽熱能損失。

3)運(yùn)行費(fèi)用降低。鍋爐水循環(huán)量由300 m3/h減少至160 m3/h，相應(yīng)鍋爐水循環(huán)泵電機(jī)功率由90 kW減小到55 kW，年節(jié)省電費(fèi)約16.8萬(wàn)元。

3 冷凍脫濕系統(tǒng)節(jié)能改造

3.1 產(chǎn)量不達(dá)標(biāo)原因分析

在夏季高溫天氣時(shí)，雙加壓稀硝酸裝置的產(chǎn)量只有270～310 t/d（折100%的HNO3，下同），達(dá)不到設(shè)計(jì)的350 t/d。其最主要原因就是夏季空氣溫度較高、濕度較大時(shí)候，造成了“四合一機(jī)組”中的空氣軸流壓縮機(jī)的打氣量嚴(yán)重不足（最低約為設(shè)計(jì)值的80%）。即作為生產(chǎn)原料之一的空氣量大幅減少，從而使硝酸成品的產(chǎn)量隨之也降低。

杭州夏季平均氣溫32℃，平均相對(duì)濕度80%以上。近年來(lái)隨著全球氣候變暖的趨勢(shì)，甚至多次出現(xiàn)了40℃以上極端高溫氣溫，受此影響特別是夏季時(shí)硝酸產(chǎn)量將大幅減少。

3.2 改造原理

針對(duì)裝置夏季產(chǎn)量偏小的原因，最直接有效的辦法就是使生產(chǎn)用原料氣（即空氣）降溫和脫濕，而常見(jiàn)的降溫除濕方法有冷水噴淋除濕和換熱器除濕。由于冷水噴淋存在大量的凝結(jié)水分離較為困難，不利于后續(xù)工序的軸流壓縮機(jī)工作的安全性。綜合考慮后，選擇換熱器冷凍法來(lái)降低原料氣（即空氣）的溫度和濕度。通過(guò)降低軸流壓縮機(jī)送入后端工藝裝置的單位體積空氣的絕對(duì)含水量，提高空氣密度，實(shí)現(xiàn)低溫低濕進(jìn)風(fēng)，從而增加壓縮機(jī)的進(jìn)風(fēng)品質(zhì)、流量，大幅度降低壓縮機(jī)的單產(chǎn)能耗。

3.3 改造設(shè)計(jì)方案

脫濕項(xiàng)目的整體方案采用制冷機(jī)組間接制冷的方式，使四合一機(jī)組中的AV40-15軸流壓縮機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度降至10℃左右，進(jìn)風(fēng)的平均水的質(zhì)量濃度降低到10 g/m3左右，每年脫濕運(yùn)行時(shí)間在4 000 h以上，最大程度的解決由于季節(jié)氣溫、濕度的變化對(duì)硝酸四合一裝置運(yùn)行的影響，達(dá)到節(jié)能增產(chǎn)的綜合效果。

3.4 脫濕裝置工藝流程

經(jīng)3級(jí)空氣過(guò)濾器過(guò)濾后的常溫32℃空氣進(jìn)入高效鋁制板翅式換熱器，和來(lái)自離心式冷水機(jī)組制出的7℃冷水，進(jìn)行熱交換后，空氣降溫至10℃，進(jìn)入除霧器脫水后送往后續(xù)的軸流空氣壓縮機(jī)壓縮。而換熱升溫至12℃的冷水經(jīng)冷水循環(huán)泵加壓后送至離心冷水機(jī)組降溫至7℃循環(huán)利用。同時(shí)除霧器分離出的10℃的空氣冷凝水經(jīng)過(guò)自動(dòng)排水器送冷水回收裝置。同時(shí)經(jīng)膨脹水槽隨時(shí)將脫鹽水補(bǔ)充封閉冷水系統(tǒng)循環(huán)的損失水量。

主要設(shè)備及參數(shù)：

1)脫濕器。板翅式換熱器，型號(hào)BD1000。設(shè)計(jì)夏季平均最高參數(shù)：空氣體積流量1 000m3/min；入口32℃，相對(duì)濕度80%，水的質(zhì)量濃度31.8 g/m3；出口10.0℃，水的質(zhì)量濃度10.0 g/m3；脫出水1 300 kg/h，進(jìn)出口壓差≤1 kPa。外形長(zhǎng)×寬×高為7.4m×4.0m×6.0m。

2)制冷站離心式冷水機(jī)組。型號(hào)LCP195-10，制冷量2 285 kW；冷凍水體積流量390 m3/h，進(jìn)出口溫度分別為32℃和7～12℃。配套冷凍水泵流量420m3/h，揚(yáng)程35m。

3.5 實(shí)施效果

脫濕裝置在2014年6月投入運(yùn)行后，取得效果良好，長(zhǎng)期使空氣軸流壓縮機(jī)進(jìn)口空氣的溫度保持在7～9.5℃，壓縮機(jī)的進(jìn)氣量有了明顯的提升約10%，出口壓力相應(yīng)由0.27 MPa提高到0.32 MPa以上；脫除空氣中的水的質(zhì)量流量約1 t/h，使裝置的低壓反應(yīng)水冷器處冷凝酸的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高了約1%。在6-8月運(yùn)行期間的主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)后對(duì)比如表1所示。

表1 改造前后脫濕裝置運(yùn)行（）情況對(duì)比Tab 1 Running condition contrastof dehumidifying device before and after transformation

3.6 節(jié)能增產(chǎn)效益

3.6.1 軸流壓縮機(jī)節(jié)能

空氣經(jīng)過(guò)降溫除濕后，可使壓縮機(jī)的軸功率降低。四合一裝置中的軸流壓縮機(jī)，在其入口溫度由夏季平均30℃降至10℃后，理論上可以使軸流壓縮機(jī)軸功率降低約9.4%。但壓縮機(jī)軸功率無(wú)法直接測(cè)量，在實(shí)際生產(chǎn)中節(jié)能表現(xiàn)為，作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)的汽輪機(jī)，其消耗3.9 MPa，420℃高壓蒸汽用汽量相應(yīng)會(huì)有所減少0.6～1.2 t/h，平均約1 t/h。

根據(jù)脫濕裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)，脫濕系統(tǒng)每年在杭州的使用期在6個(gè)月以上，即每年的4—10月，由此計(jì)算脫濕裝置的節(jié)省蒸汽量為4 000 t。3.9 MPa、420℃高壓蒸汽按照260元/t的價(jià)格計(jì)算，則脫濕裝置每年的節(jié)能蒸汽消耗效益約為104萬(wàn)元。

3.6.2 硝酸增產(chǎn)

經(jīng)脫濕裝置之后，壓縮機(jī)吸入空氣溫度降低，空氣密度增加，同等能耗下可是壓縮機(jī)質(zhì)量流量增大，從而增加硝酸裝置產(chǎn)量。同時(shí)，空氣中水分去除后，原先的水分不參與壓縮，可使進(jìn)風(fēng)的含氧量增加，也可使硝酸產(chǎn)量增加。

根據(jù)100 kt/a硝酸裝置運(yùn)行參數(shù)，在夏季軸流壓縮機(jī)入口最大體積流量為45×103m3/h，最低還可能降至41×103m3/h左右；而在春秋季節(jié)，軸流壓縮機(jī)入口最大體積流量可達(dá)52×103m3/h左右，最少相差7×103m3/h。脫濕裝置投用后，壓縮機(jī)入口溫度降至10℃，可達(dá)到春秋季節(jié)的水平。

按照風(fēng)量增大產(chǎn)量同幅度增大的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律計(jì)算，脫濕裝置投運(yùn)后60%硝酸年產(chǎn)量將增加10%，即6 kt以上。按照稀硝酸250元/t的利潤(rùn)計(jì)算，裝置的效益每年將增加150萬(wàn)元。

3.6.3 裝置運(yùn)行費(fèi)用

裝置中的冷水機(jī)組額定功率為402 kW，根據(jù)負(fù)荷不同取平均值370 kW，冷水泵75 kW，循環(huán)水體積流量490m3/h。電價(jià)和水價(jià)分別按照0.6元/kWh和0.6元/t計(jì)算，則電費(fèi)106.8萬(wàn)元；循環(huán)水來(lái)自公用工程循環(huán)水站，其規(guī)模為3 000m3/h、500 kW，成本折算為電費(fèi)為36萬(wàn)元。綜合項(xiàng)目投運(yùn)后年效益為104+150-106.8-36=111.2萬(wàn)元。

4 小結(jié)

針對(duì)硝酸裝置中的低壓反應(yīng)水冷器列管泄漏、廢熱鍋爐爆管和夏季產(chǎn)量偏低等一些問(wèn)題進(jìn)行了大膽的試驗(yàn)性改造，是國(guó)內(nèi)硝酸行業(yè)首家采用脫濕節(jié)能裝置和首套100 kt/a拉蒙特廢鍋爐使用單位，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行來(lái)看取得了良好的效果，為國(guó)內(nèi)硝酸行業(yè)今后類(lèi)似的改造提供了示范性參考。

[1]唐文蹇,張友森.我國(guó)硝酸工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀分析及發(fā)展建議[J].化肥工業(yè),2013(1)：31-34.

[2]王全文.雙加壓硝酸裝置中低壓反應(yīng)水冷凝器泄漏及改進(jìn)[J].煤化工,2013(6):37-39.

[3]秦萬(wàn)慶,陳大雄.內(nèi)孔焊接在低壓反應(yīng)水冷凝器制造中的應(yīng)用[J].壓力容器,1991,8(6):72-77.