100kt/a雙加壓硝酸裝置的增產(chǎn)節(jié)能改造

何肖廉，金沛燦，黎志敏

（杭州龍山化工有限公司，杭州311228）

100kt/a雙加壓硝酸裝置的增產(chǎn)節(jié)能改造

何肖廉，金沛燦，黎志敏

（杭州龍山化工有限公司，杭州311228）

介紹了龍山化工的100kt/a雙加壓法稀硝酸裝置自投產(chǎn)以來(lái)，存在產(chǎn)量偏低、熱能回收效率低等一些不足，針對(duì)該情況通過(guò)一系列的改造及優(yōu)化，取得了良好的增產(chǎn)節(jié)能效果，為硝酸行業(yè)內(nèi)今后類似的改造提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

雙加壓法；硝酸；熱能回收；增產(chǎn)節(jié)能

近年來(lái)，雙加壓法硝酸工藝以其氨耗低、成品酸濃度高、熱能回收效率高和尾氣中NOx含量低等諸多優(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。按照國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)“十二五”發(fā)展指南戰(zhàn)略目標(biāo)要求，在“十二五”期間，采用先進(jìn)的雙加壓法生產(chǎn)工藝的硝酸產(chǎn)能在行業(yè)內(nèi)的比例將由64.3%提高至87.3%以上［1］。

杭州龍山化工有限公司目前有1套100kt/a稀硝酸生產(chǎn)裝置，建成于2010年4月，采用先進(jìn)的法國(guó)G.P雙加壓法工藝流程，產(chǎn)品的各項(xiàng)消耗指標(biāo)屬于國(guó)內(nèi)行業(yè)中領(lǐng)先技術(shù)水平，但與國(guó)外先進(jìn)雙加壓硝酸裝置相比，還是存在產(chǎn)能偏低、熱能回收效率低等一些不足之處。

對(duì)此，公司對(duì)硝酸裝置進(jìn)行了一系列的增產(chǎn)節(jié)能優(yōu)化改造，其中針對(duì)在實(shí)際運(yùn)行中夏季高溫制約產(chǎn)量的瓶頸，在2014年進(jìn)行了脫濕節(jié)能增效改造，使其硝酸產(chǎn)量在夏季高溫時(shí)也能達(dá)到或接近設(shè)計(jì)值水平，同時(shí)也使裝置進(jìn)一步節(jié)能降耗，取得了良好的效果［2］。在2015年，公司又對(duì)裝置分別進(jìn)行了增壓風(fēng)機(jī)增產(chǎn)節(jié)能和尾氣熱能回收改造，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)裝置的硝酸產(chǎn)量和熱能回收效率。

1　低溫?zé)崮芑厥崭脑?/h2>

目前公司雙加壓稀硝酸裝置中的尾氣透平機(jī)出口NOx尾氣溫度偏高，達(dá)到160℃左右，該尾氣原是通過(guò)管線直接送往Ф1.2×62m尾氣煙囪進(jìn)行高空排放，造成這部分NOx尾氣低溫?zé)崮芪茨艹浞只厥绽?。煙囪NOx尾氣溫度偏高的主要原因是：一是裝置中的氧化爐-廢熱鍋爐出口氣體溫度高，為430～460℃，造成尾氣透平機(jī)進(jìn)口NOx尾氣溫度偏高，達(dá)360～370℃，從而引起出口的尾氣溫度也偏高。二是國(guó)產(chǎn)尾氣透平機(jī)的實(shí)際熱能回收效率偏低，造成出口尾氣溫度偏高，與設(shè)計(jì)值存在一定的差距。

1.1低溫?zé)崮芑厥崭脑旆桨?/p>

為提高整個(gè)生產(chǎn)裝置的熱能回收利用率，考慮利用熱交換來(lái)進(jìn)一步回收利用這部分尾氣的低溫?zé)崃?。因?yàn)樵谙∠跛嵫b置中的原Ф500氨過(guò)熱器需要熱量給氣氨加熱，目前使用的是0.6MPa、160℃低壓蒸氣，考慮將熱源介質(zhì)改為NOx尾氣來(lái)加熱氣氨，相應(yīng)就能節(jié)約這部分低壓蒸氣用量，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

具體實(shí)施方案即新增一臺(tái)尾氣氨過(guò)熱器代替原氨過(guò)熱器。將稀硝酸裝置型號(hào)為WP4.2-940/360尾氣透平機(jī)與Ф1200m尾氣煙囪之間的Ф1100尾氣消音器設(shè)備移除，在該位置新布置一只Ф2000× 4000mm尾氣氨過(guò)熱器，配套管線與原氨過(guò)熱器聯(lián)通。該換熱器可利用高溫NOx尾氣的熱量給來(lái)自AB氨蒸發(fā)器的氣氨加熱，在尾氣氨過(guò)熱器投入運(yùn)行后，NOx尾氣溫度由160℃降低至140℃，氣氨溫度從12℃升至120℃。其工藝流程見(jiàn)圖1。

1.2尾氣氨過(guò)熱器工藝計(jì)算

在硝酸裝置中原Ф500氨過(guò)熱器使用0.6MPa低壓蒸氣來(lái)加熱氣氨，根據(jù)熱力學(xué)第一定律熱量平衡的關(guān)系，氣氨加熱所吸收的熱流量Q吸收等于蒸氣放出的熱流量Q放出，即Q吸收=Q放出。根據(jù)介質(zhì)流量、壓力和溫度，查找介質(zhì)相關(guān)的物化數(shù)據(jù)［3］，對(duì)項(xiàng)目可行性計(jì)算分析及確定新氨過(guò)熱器換熱面積等技術(shù)參數(shù)。圖2、3分別為原、新熱量平衡圖。

1.2.1可行性分析

圖1　低溫?zé)崮芑厥崭脑旃に嚵鞒毯?jiǎn)圖

圖2　原熱量平衡圖

為簡(jiǎn)化工程計(jì)算，將殼程介質(zhì)氣氨視為理想氣體，其熱流量計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為［4］：

式中：Cp為氣氨比熱容為定值，2.11kJ/kg.℃；qm為氣氨質(zhì)量流量，qm=ρ×V，其中ρ為密度，0.77kg/ Nm3；V為體積流量，5000Nm3/h；△t為氣氨溫度變化差值，進(jìn)出口溫差△t=135-12=123℃。

由于管程內(nèi)介質(zhì)低壓蒸氣在換熱過(guò)程中由氣相變?yōu)橐合啵媒橘|(zhì)的焓值計(jì)算較為方便，熱流量計(jì)算公式［5］：

式中：qm為質(zhì)量流量；h1為進(jìn)口溫度下蒸氣對(duì)應(yīng)的比焓值，2764kJ/kg；h2為出口溫度下蒸氣對(duì)應(yīng)的比焓值，630kJ/kg。

圖3　新熱量平衡圖

根據(jù)熱量平衡的關(guān)系，即Q吸收=Q放出，則相應(yīng)消耗蒸氣質(zhì)量流量為：

若考慮實(shí)際熱交換時(shí)的熱損失量為10%，則實(shí)際低壓蒸氣消耗量為468×（1+10%）=515kg/h。

由于NOx尾氣相關(guān)的物化數(shù)據(jù)查找較為困難，現(xiàn)用N2相關(guān)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行熱能計(jì)算：

式中：Q為氣氨的熱流量，999190kJ/h；Cp為N2的比熱容，1.038kJ/kg；qm為N2的質(zhì)量流，qm=ρ×V，其中ρ為密度，1.256kg/Nm3；V為體積流量，46000Nm3/h。

尾氣進(jìn)口溫度約160℃，這樣出口溫度為140℃，通過(guò)工藝上計(jì)算溫降不大，其降溫后送往尾氣煙囪排放是可行的。

1.2.2新氨過(guò)熱器換熱面積計(jì)算

尾氣透平機(jī)出口的NOx尾氣壓力較低，設(shè)計(jì)值為0.007MPa，氣體流量較大為46000Nm3/h。初步估算換熱面積［6］：式中：Q為熱流量，999190kJ/h（即999190/3600

=277552W）；K為傳熱系數(shù)，在計(jì)算列管式換熱器“由氣體到氣體”進(jìn)行換熱的流體時(shí)，其傳熱系數(shù)K［6］值的范圍為12～35W/m2·K，現(xiàn)取中間值20W/m2· K估算；△tm為平均溫差，該換熱器采用逆流換熱，則其平均溫度差△tm（逆）計(jì)算值如下：

為使換熱器的管程阻力盡量小，同時(shí)考慮到實(shí)際換熱效率問(wèn)題，最終選取的換熱器換熱面積比估算值更大。

結(jié)合裝置現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備安裝布置實(shí)際情況，為便于操作維護(hù)，此換熱器采用臥式列管換熱器，其規(guī)格和參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　新氨換熱器技術(shù)規(guī)格和參數(shù)表

1.3改造后效果

稀硝尾氣氨過(guò)熱器改造項(xiàng)目于2015年3月成功投入使用，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，該新尾氣氨過(guò)熱器可完全代替原Ф500×3200氨過(guò)熱器，各項(xiàng)工藝指標(biāo)參數(shù)能滿足要求，而尾氣氨過(guò)熱器的阻力增加不大，約700Pa；同時(shí)尾氣透平機(jī)、四合一機(jī)組未出現(xiàn)位移、振動(dòng)值偏高等異?，F(xiàn)象，尾氣溫度降低約20℃后仍能正常送往尾氣煙囪高空排放。

通過(guò)改造后取得了以下良好的效果：一是節(jié)能降耗。降低了雙加壓稀硝酸裝置的低壓蒸氣消耗，從而提高了裝置的整體熱能回收利用率。能降低0.6MPa、160℃低壓蒸氣消耗約0.7t/h，若0.6MPa低壓蒸氣價(jià)格以120元/t計(jì)，則年節(jié)省費(fèi)用0.515×120×8000=50萬(wàn)元。二是提高裝置的穩(wěn)定性。改造后氨過(guò)熱器的熱量將由稀硝酸裝置自給，減少了因外界0.6MPa低壓蒸氣系統(tǒng)波動(dòng)時(shí)帶來(lái)的影響，硝酸生產(chǎn)裝置整體運(yùn)行將更加穩(wěn)定。

2　增壓風(fēng)機(jī)節(jié)能增產(chǎn)改造

在硝酸裝置四合一機(jī)組中的AV40-15軸流壓縮機(jī)，其設(shè)計(jì)條件為：進(jìn)氣壓力：0.093MPa（A），進(jìn)氣溫度：29℃，轉(zhuǎn)速：8000r/min，進(jìn)氣量：60000Nm3/h，出口壓力：0.45MPa（A）。由于進(jìn)氣條件與設(shè)計(jì)值的區(qū)別和軸流壓縮機(jī)本身效率等原因，造成軸流壓縮機(jī)實(shí)際打氣量、出口壓力都偏低，在2014年，我公司進(jìn)行了脫濕節(jié)能增效改造，降低軸流壓縮機(jī)進(jìn)口空氣的溫度和含濕量，使其硝酸產(chǎn)量在夏季高溫時(shí)也能達(dá)到或接近設(shè)計(jì)值水平?，F(xiàn)又通過(guò)增壓鼓風(fēng)的方式，提高了軸流壓縮機(jī)進(jìn)口空氣的壓力，相應(yīng)軸流壓縮機(jī)的打氣量和出口壓力都有所增加，從而達(dá)到增產(chǎn)節(jié)能的目的。

我們通過(guò)在軸流壓縮機(jī)與三級(jí)空氣過(guò)濾器之間增加一只離心風(fēng)機(jī)，其型號(hào)為Y5-55NO12.5D 75000m3/h，全壓5500Pa。通過(guò)其增壓鼓風(fēng)，來(lái)提高軸流壓縮機(jī)的打氣量和出口壓力，同時(shí)給風(fēng)機(jī)電機(jī)配置變頻調(diào)速，便于開(kāi)停車時(shí)同步調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的打氣量，在離心風(fēng)機(jī)進(jìn)口設(shè)置一電動(dòng)緊急吸入閥，減少風(fēng)機(jī)事故狀態(tài)時(shí)風(fēng)量減小時(shí)對(duì)硝酸裝置的影響。其工藝流程見(jiàn)圖4。

圖4　增壓風(fēng)機(jī)節(jié)能增產(chǎn)改造工藝流程圖

在2015年4月增壓風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行后，軸流壓縮機(jī)的空氣打氣量增加約3000Nm3/h，外供3.9 MPa中壓蒸氣，蒸氣增加約0.2t/h。整個(gè)生產(chǎn)裝置的系統(tǒng)壓力得到提升，其中軸流空氣壓縮機(jī)出口壓力由0.28MPa提高至0.31MPa，NOx壓縮機(jī)出口壓力由0.88MPa提高至0.91MPa。在酸吸收塔的吸收壓力提高后，成品酸濃度相應(yīng)由60%～61%提高到60.5%～61%，這樣進(jìn)入后續(xù)硝鎂間硝法濃硝酸裝置后，其98%成品酸產(chǎn)量有所提高，相應(yīng)濃硝1.6MPa中壓蒸氣消耗也降低。

3　小結(jié)

杭州龍山化工有限公司一直十分注重行業(yè)內(nèi)的“新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料”動(dòng)態(tài)發(fā)展，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)雙加壓硝酸裝置中存在的一些不足之處，在增產(chǎn)擴(kuò)能、低溫?zé)崮芑厥盏确矫孢M(jìn)行了一系列大膽的試驗(yàn)性改造，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行來(lái)看取得了良好的改造效果，為國(guó)內(nèi)硝酸行業(yè)類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］黎志敏，何肖廉，洪潘飛.脫濕技術(shù)在雙加壓法硝酸裝置中的應(yīng)用［J］.杭州化工，2015,45（1）：33-37.

［3］石油化學(xué)工業(yè)部化工設(shè)計(jì)院主編.氮肥工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)理化數(shù)據(jù)分冊(cè)［M］.北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1977：242-262.

［4］曾丹苓，敖約，張新銘，等.工程熱力學(xué)第三版［M］.北京：高等教育出版社，2002：125-126.

［5］張學(xué)學(xué)，李桂馥，史琳.熱工基礎(chǔ)第二版［M］.北京：高等教育出版社，2006：27-28.

［6］譚天恩，竇梅.化工原理第四版上冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014：147-148，208.

煙氣干法脫硫脫氮新工藝誕生

經(jīng)過(guò)5年多的科技攻關(guān)，中石化集團(tuán)公司科研課題催化裂化煙氣脫硫脫氮技術(shù)工業(yè)側(cè)線試驗(yàn)（干法脫硫脫氮試驗(yàn)）日前完成攻關(guān)任務(wù)，通過(guò)中國(guó)石化科技部組織的由曹湘洪院士擔(dān)任評(píng)議委員會(huì)主任的技術(shù)評(píng)議。

該試驗(yàn)裝置通過(guò)催化劑直接脫除煙氣中的硫化物和氮氧化物。相對(duì)于傳統(tǒng)的濕法脫硫脫氮技術(shù)，干法脫硫脫氮新技術(shù)不僅環(huán)保效果好，并且整個(gè)工藝路線也更加方便、高效、經(jīng)濟(jì)，具有設(shè)備精簡(jiǎn)、占地面積小、運(yùn)行管理方便、生產(chǎn)成本低和無(wú)廢水二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：催化裂化煙氣中硫氧化物、氮氧化物的脫除率分別高達(dá)95%和60%，硫氧化物和氮氧化物的質(zhì)量濃度最小值均低于10mg/m3，且無(wú)二次污染物排放，對(duì)煙氣適應(yīng)能力強(qiáng)，吸附劑可作為催化裂化的催化劑使用。

據(jù)介紹，該項(xiàng)目由中國(guó)石化工程建設(shè)公司、石科院、中原油田聯(lián)合承擔(dān)。試驗(yàn)裝置建在中原油田石油化工總廠，采用吸附—再生連續(xù)循環(huán)模式，以催化裂化催化劑為吸附劑、以含氫或小分子飽和烴介質(zhì)為還原劑，實(shí)現(xiàn)硫氧化物到硫化氫的資源化回收、氮氧化物到氮?dú)獾臒o(wú)害化排放目標(biāo)。試驗(yàn)裝置自2013年10月建成開(kāi)始試驗(yàn)，兩年來(lái)，經(jīng)過(guò)科技人員的精心調(diào)試，反復(fù)測(cè)驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期，凈化后的煙氣達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)外常用的催化裂化煙氣濕法脫硫脫氮技術(shù)占地面積大、后處理部分復(fù)雜，并且容易引起后續(xù)水的二次污染，在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)已開(kāi)始被淘汰，開(kāi)發(fā)干法同時(shí)脫硫脫氮過(guò)程成為一種趨勢(shì)。

現(xiàn)有的煙氣干法脫硫脫氮技術(shù)是一體化路線，其特點(diǎn)是整體效率高，占地面積小，但其脫除NOx時(shí)使用了氨氣，容易導(dǎo)致氨逃逸形成二次污染。至于在燃煤電廠煙氣脫硫中采用的半干法技術(shù)，則由于吸附劑沒(méi)有再生能力，在達(dá)到吸附飽和后只能外排而形成固體廢物，結(jié)果要么形成二次污染，要么需要增加投入進(jìn)一步治理。

中國(guó)石化此次開(kāi)發(fā)的干法脫硫脫氮新技術(shù)，使用催化裂化催化劑作為吸附劑，采用循環(huán)流化床吸附—再生工藝，不改動(dòng)催化裂化裝置的現(xiàn)有流程和操作條件，吸附劑可以循環(huán)使用。與此同時(shí)，催化裂化干氣等經(jīng)過(guò)再生還原后，吸附劑上的硫氧化物被還原為硫化氫，后續(xù)加以利用，氮氧化物被還原為氮?dú)鉄o(wú)害排放，凈化煙氣中夾帶的吸附劑粉塵，可以采用成熟的干式除塵方式予以回收。

碳纖維耐磨性能檢測(cè)難題破解

近日從河南能源集團(tuán)永煤碳纖維有限公司獲悉，該公司自主研制的碳纖維耐磨性能檢測(cè)設(shè)備和方法在碳纖維耐磨性試驗(yàn)中已順利完成了物理指標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型測(cè)試設(shè)備和方法能夠一次性準(zhǔn)確測(cè)量碳纖維在后續(xù)應(yīng)用中的關(guān)鍵指標(biāo)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。據(jù)悉，此次進(jìn)行的碳纖維耐磨性能測(cè)試在國(guó)際上尚屬首次。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上碳纖維測(cè)試儀器主要測(cè)試指標(biāo)是拉伸強(qiáng)度、模量、伸長(zhǎng)率、灰分、元素分析、截面形態(tài)等，這些通用的檢測(cè)滿足不了碳纖維應(yīng)用需求。永煤公司自主研發(fā)的設(shè)備和方法可通過(guò)設(shè)定張力、摩擦速度等參數(shù)，對(duì)不同規(guī)格試樣進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格碳纖維的耐磨性測(cè)試。

10.13752/j.issn.1007-2217.2016.01.011

2015-12-17