淺析中抽式、離心式氨壓縮機在合成氨中的應(yīng)用

王加速

(安徽六國化工股份有限公司, 安徽銅陵 244000)

安徽六國化工股份有限公司(簡稱六國化工)氮肥廠氨壓縮機系統(tǒng)是由東華科技設(shè)計院基于卡薩利1 000 t/d合成氨工藝包設(shè)計，由重慶通用集團(tuán)公司生產(chǎn)制造。氨壓縮機系統(tǒng)主要為低溫甲醇洗、合成氨提供冷量，同時為六國化工本部提供磷酸二銨生產(chǎn)原料之一的氣氨。氨壓縮機系統(tǒng)裝置由汽輪機、氨壓縮機、氨冷凝器、氨分離器、段間冷卻器等設(shè)備組成。

六國化工1 000 t/d合成氨項目，包含氣化、凈化、氨合成[1]，分別采用多元料漿氣化爐加壓工藝、低溫甲醇洗和液氮洗工藝、卡薩利工藝。低溫甲醇洗工藝需要大量冷量來吸收、分離與凈化系統(tǒng)中的合成氣。氨合成工藝需要大量的冷量來冷凝合成氣，從而分離合成氣與液氨。以上工藝就需要設(shè)置制冷設(shè)備氨壓縮機來提供冷量。

同時，六國化工磷酸二銨生產(chǎn)主要采用外環(huán)流氨化噴漿造粒工藝、管式反應(yīng)器—轉(zhuǎn)鼓氨化工藝、預(yù)中和—管式反應(yīng)器—轉(zhuǎn)鼓氨化工藝，其生產(chǎn)原料之一就是氣氨。由于市場采購或氨儲存罐輸送的都是液氨，需要通過設(shè)置氨蒸發(fā)器來加熱液氨使其變成氣氨。

鑒于合成氨與磷酸二銨裝置需求，本項目自主開發(fā)一款既能滿足合成氨裝置的冷量需求，同時又能為磷酸二銨裝置提供氣氨的一種中抽式氣氨的氨壓縮機。

1 工藝流程

來自凈化甲醇洗的氣氨(工藝參數(shù)：壓力為0.07 MPa、溫度為-38.2 ℃、質(zhì)量流量為10.7 t/h)，經(jīng)一段入口分離器氣液分離后，進(jìn)入一段壓縮；來自氨合成氣氨(0.26 MPa、-12 ℃、16.3 t/h)經(jīng)氣液分離后，在氨壓縮機的低壓缸缸內(nèi)與出一段氣氨(0.26 MPa、82.5 ℃、10.7 t/h)進(jìn)行混合，混合后的氣氨(0.26 MPa、24.5 ℃、27.4 t/h)進(jìn)入二段壓縮；二段壓縮后的氣氨(0.59 MPa、104 ℃、27.4 t/h)經(jīng)過段間冷卻器冷卻之后，氣氨(0.57 MPa、40 ℃、27.4 t/h)與來自氨合成經(jīng)過氣液分離的氣氨(0.57 MPa、8.1 ℃、15.7 t/h)混合；混合后的氣氨(0.57 MPa、27.7 ℃、43.1 t/h)在進(jìn)入三段入口之前，中抽一部分氣氨(0.54 MPa、27.7 ℃、10 t/h)送往六國化工本部，其余部分的氣氨(0.57 MPa、22.7 ℃、33.1 t/h)進(jìn)入三段壓縮。經(jīng)三段壓縮后的氣氨(1.70 MPa、145 ℃、33.1 t/h)進(jìn)入2個氨冷凝器(冷卻溫度至40 ℃)冷凝為液氨后送往氨儲槽。

中抽的氣氨送往磷酸二銨裝置，與磷酸進(jìn)行中和反應(yīng)，經(jīng)過噴漿造粒、干燥、篩分、破碎等工序，生成磷酸二銨產(chǎn)品。

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點的應(yīng)用

2.1 高端的氨壓縮機研發(fā)與設(shè)備制造

本創(chuàng)新點屬于氨壓縮機制造設(shè)備工藝方向。卡薩利為世界最先進(jìn)的五大工藝包之一，與各系統(tǒng)匹配度高、能源調(diào)度合理，可以達(dá)到較佳使用效益，產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量好，且能源消耗較低。要達(dá)到卡薩利工藝包的設(shè)計要求，就必須配備高質(zhì)量的設(shè)備與優(yōu)化的操作方式。在六囯化工1 000 t/d合成氨項目中，相比常規(guī)工藝包，對離心式制冷壓縮機組技術(shù)要求更高。

整個氨制冷循環(huán)系統(tǒng)中的氨離心壓縮機組需要適應(yīng)抽氣工況和非抽氣工況運行。非抽氣工況下，每月運行2～3次，每次8 h，高壓缸出口氣氨質(zhì)量流量為43 191 kg/h。抽氣工況下，從氨離心壓縮機高壓缸進(jìn)口抽出，高壓缸出口氣氨質(zhì)量流量為33 191 kg/h，抽氣質(zhì)量流量為10 000 kg/h，壓力為0.54～0.60 MPa，占循環(huán)流量的23.3%。以上數(shù)據(jù)可以看出高壓缸的質(zhì)量流量變化較大，設(shè)計難度大。

離心式壓縮機的運行范圍一般在設(shè)計點的75%～110%[2]?？紤]到防喘振的安全余量，在不開防喘振的情況下，機組的工作范圍一般下限為80%～85%。若機組按照常規(guī)設(shè)計，當(dāng)機組運行在抽氣工況時，需要開啟防喘振。為了在抽氣工況下機組不開啟防喘振控制，壓縮機系統(tǒng)需要在設(shè)計過程中考慮擴大壓縮機運行工況范圍，并在抽氣工況下提高效率。開啟抽氣工況時，機組冷凝壓力發(fā)生變化，需要考慮抽氣后對整個冷凝系統(tǒng)的影響。

為了使機組能夠?qū)崿F(xiàn)寬工況高效運行，在壓縮機設(shè)計時采取以下措施：

(1) 首級葉輪對壓縮機的工況范圍影響最大，因此在機組的每一段進(jìn)氣均采用三元葉輪。三元葉輪具有效率高、變工況性能好的特點，能夠擴大壓縮機的工況范圍。

(2) 對于工況變化較大的高壓缸內(nèi)的其它級葉輪出口，采用小角度安裝角使其性能曲線平坦，適應(yīng)工況變化能力強。

(3) 對機組進(jìn)行流體動力學(xué)(CFD)流暢分析，通過CFD模擬各種工況下機組的氣動性能，對于不利因素逐一修正，直到壓縮機能夠在足夠?qū)挼倪\行范圍內(nèi)保證較高效率。

(4) 除對此機組的高壓缸葉輪采取CFD模擬驗證以外，還進(jìn)行了單級的模型級驗證，并根據(jù)其結(jié)果改進(jìn)葉輪性能，使其能夠滿足使用要求。

(5) 由于氨制冷壓縮機組是整體系統(tǒng)，除了考慮壓縮機本身的性能，還需要考慮機組各段進(jìn)口氣氨質(zhì)量流量變化對整個系統(tǒng)造成的影響。當(dāng)機組運行在抽氣工況時，經(jīng)過冷凝器的流量減少，冷凝壓力下降，機組出口壓力也隨之降低，抽氣設(shè)計時需要考慮出口壓力變化對壓縮機的影響，將壓縮機的高效點設(shè)為抽氣后的運行點。

(6) 機組的運行范圍與防喘振線密切相關(guān)，一般防喘振線超出計算值5%～10%。為了盡可能節(jié)能，機組在現(xiàn)場運行一段時間后，完成防喘振線的實測，以獲得更加精確的防喘振線，保證機組的運行范圍更加精確。

不凝氣體會降低冷凝器的冷凝效果，從而使壓縮機的出口壓力升高，產(chǎn)生額外的功耗。為了降低不凝氣體的影響，一般在貯槽上設(shè)置排空閥來排除不凝氣體，但同時貯槽內(nèi)的氨氣也會隨之排出，造成極大浪費。為了解決此問題，采用了新型不凝氣體分離裝置，使不凝氣體中的氨氣冷凝成液氨后再重新回到貯槽中。為了加強不凝氣體分離器的效果，裝置直接設(shè)置在貯槽上方，增大了不凝氣體分離器的換熱面積，降低了不凝氣體的流速，提高了換熱效果。在不凝氣體分離器與貯槽之間設(shè)置填料函，可以初步分離不凝氣體中攜帶的液氨。氣體中混有的氨氣則在通過不凝氣體分離器時被冷卻為液氨。在分離器的出口設(shè)置控制閥，可以控制不凝氣體排放速度。不凝氣體的實際冷卻效果與不凝氣體冷卻用液氨進(jìn)液閥和排放閥的開度緊密相關(guān)，經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)測試排放管路上不凝氣體中氨氣的含量，找到最佳的閥門控制開度，獲得適當(dāng)?shù)姆蛛x效果。

2.2 氨壓縮機與磷酸二銨工藝優(yōu)化的研發(fā)

本創(chuàng)新點屬于化工工藝流程優(yōu)化及操作方向。磷酸二銨生產(chǎn)工藝采用外環(huán)流氨化噴漿造粒工藝，磷酸與氣氨在外環(huán)流反應(yīng)生成磷酸二銨料漿，再通過噴漿造粒、干燥、篩分等流程生產(chǎn)磷酸二銨產(chǎn)品[3]。由于市場采購或氨儲存罐輸送的都是液氨，需要把液氨轉(zhuǎn)化為氣氨才能作為生產(chǎn)原料，為此設(shè)置氨蒸發(fā)崗位，主要配備氨蒸發(fā)器設(shè)備，工藝流程見圖1。

經(jīng)過優(yōu)化后的磷酸二銨工藝，由氨壓縮機直接提供氣氨，則無需設(shè)置氨蒸發(fā)崗位。如此，既優(yōu)化了工藝流程及操作，又減少了設(shè)備裝置及維護(hù)成本，降低了人工操作強度，節(jié)約了蒸汽能源消耗。

圖1 氨蒸發(fā)工藝流程

氨壓縮機一段氣氨來自低溫甲醇洗，二段、三段氣氨來自氨合成。從氨壓縮機三段進(jìn)口抽一部分氣氨輸送去磷酸二銨生產(chǎn)，可減少氨壓縮機三段進(jìn)口流量，同時降低了氨壓縮機一段、二段進(jìn)口壓力。匹配氨壓縮缸體各段進(jìn)氣量，降低氨壓縮機的轉(zhuǎn)速，優(yōu)化氨壓縮機運行指標(biāo)，有利于氨壓縮機安全平穩(wěn)運行，降低氨壓縮機的功率。

2.3 氨壓縮機工藝優(yōu)化的研發(fā)

本創(chuàng)新點屬于化工工藝流程優(yōu)化及操作方向。一段進(jìn)口氣氨來自低溫甲醇洗，氣氨的設(shè)計工藝參數(shù):壓力為0.07 MPa、溫度為-38.2 ℃、質(zhì)量流量為10.7 t/h。但實際生產(chǎn)運行中，低溫甲醇洗不需要這么多冷量，滿負(fù)荷情況下，來自低溫甲醇洗氣氨最大質(zhì)量流量約為8 t/h，其流量落在氨壓縮機一段喘振區(qū)間內(nèi)。要使氨壓縮機不發(fā)生喘振，一段進(jìn)口必須補充氣氨，而補充的氣氨來自壓縮機三段出口，需要通過一段防喘振閥調(diào)節(jié)體積流量；同時，補充氣氨的溫度為130 ℃左右，要使其降至-38 ℃，需要根據(jù)溫度變化，調(diào)節(jié)液氨溫度控制閥閥門開度。壓縮機二段、三段的氣氨分別來自氨合成裝置中的2個氨冷凝器，其設(shè)計參數(shù)分別為0.26 MPa、-12 ℃、16.9 t/h和0.57 MPa、8.1 ℃、15.6 t/h；實際運行中，氨合成需要更多的冷量，滿負(fù)荷情況下，二段補氣氣體質(zhì)量流量為18.9 t/h，三段補氣氣體質(zhì)量流量為21.1 t/h，其質(zhì)量流量大于設(shè)計值，導(dǎo)致氨壓縮機出口冷凝器超負(fù)荷，部分氣氨不能冷凝成液氨，造成壓縮機二段、三段進(jìn)口和三段出口超壓。特別到夏季，循環(huán)水溫度高，氨冷凝器冷凝效果降低，三段進(jìn)出口超壓特別明顯，此時系統(tǒng)必須減負(fù)荷生產(chǎn)。根據(jù)壓縮機一段流量不夠而三段進(jìn)口流量超出設(shè)計值導(dǎo)致的壓縮超壓現(xiàn)象，提出工藝優(yōu)化方案：把三段進(jìn)口部分氣氨供給壓縮機一段，既減少了三段進(jìn)口補氣量，減輕了壓縮機壓力，又減少了部分氣氨在氨壓縮機內(nèi)部循環(huán)，優(yōu)化了工藝流程，降低了氨壓縮機的負(fù)荷[4]。

3 效果分析

3.1 節(jié)能對比分析

由于常規(guī)離心式氨壓縮機無法在中間段進(jìn)行抽氣，一般只能從氨壓縮機高壓缸出口抽氣。

夏季循環(huán)水進(jìn)水溫度為33 ℃，10 000 kg氣氨消耗的氨壓縮機功率為455 kW，折合蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)耗量約為2 t/h；磷酸二銨生產(chǎn)節(jié)約蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)耗量為10 t/h。

冬季循環(huán)水進(jìn)水溫度為25 ℃，10 000 kg氨氣在高壓缸壓縮所耗功率為371 kW，折合蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)耗量約為1.62 t/h；磷酸二銨生產(chǎn)節(jié)約蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)耗量為10 t/h。

為了計算方便，全年夏冬兩季各按照50%(全年為300 d)計算天數(shù)。蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)價格為160 元/ t，蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)價格為100元/t。

夏季節(jié)約蒸氣消耗的金額為： 2 t/h×24 h×150 d×160元/t+10 t/h×24 h×150 d×100元/t=475.2萬元。冬季節(jié)約蒸汽消耗的金額為： 1.62 t/h×24 h×150 d×160元/t+10 t/h×24 h×150 d×100元/ t=453.3萬元。全年節(jié)約蒸汽消耗金額總計為928.5萬元。

同時，全年節(jié)約設(shè)備維修費及人工費用為30萬元。

無不凝氣體排放裝置時，排放不凝氣體中的氨氣體積分?jǐn)?shù)約為60%，通過新型分離器分離后，氨氣體積分?jǐn)?shù)降為5%。機組每次排放時壓力由1.65 MPa降至1.45 MPa，持續(xù)時間為10 min，儲罐的容積為44 m3，經(jīng)過計算，每次排放的不凝氣體質(zhì)量約為0.680 t。經(jīng)過不凝氣體分離裝置分離后能夠回收0.374 t的氨。每天排放5次，一年(300 d)能夠節(jié)約的總氨質(zhì)量為561 t。以氨的價格為3 200元/t計算，節(jié)約費用為 179.52萬元。

將以上節(jié)約費用加總，每年總共節(jié)約費用為1 138.02萬元。

3.2 社會效益與間接經(jīng)濟效益

氨壓縮機中抽部分氣氨，既可降低壓縮機功率，節(jié)約蒸汽能耗，又有利于壓縮機平穩(wěn)運行。因此，此項目成果在設(shè)備裝置及維護(hù)、優(yōu)化工藝流程、降低勞動強度、穩(wěn)定工藝指標(biāo)、節(jié)約能源消耗等方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢。同時，節(jié)約蒸汽消耗，間接減少碳排放量，有利于保護(hù)環(huán)境。

4 結(jié)語

通過中抽式、離心式壓縮機設(shè)計制造及實際運行控制效果來看，既滿足了生產(chǎn)裝置需要，又優(yōu)化了工藝流程及操作，具有良好的社會效益與經(jīng)濟效益。