硝酸生產(chǎn)過(guò)程中四合一機(jī)組的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 勛

（華陽(yáng)新材料集團(tuán)新能源蓄能新材料事業(yè)部，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

四合一硝酸生產(chǎn)裝置的加工生產(chǎn)工藝及主要部件的結(jié)構(gòu)布局主要取決于四合一硝酸生產(chǎn)裝置生產(chǎn)工藝的相關(guān)要求。4 臺(tái)硝酸生產(chǎn)機(jī)的速度可獨(dú)立設(shè)計(jì)，分別完成同軸線(xiàn)。同一軸上的電機(jī)轉(zhuǎn)速可單獨(dú)設(shè)計(jì)，完成不同生產(chǎn)線(xiàn)軸上不同傳動(dòng)軸上的電機(jī)轉(zhuǎn)速[1]。4 個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝位置可以分別在4 個(gè)電機(jī)軸的兩端設(shè)定，即可單獨(dú)安裝在4 個(gè)電機(jī)軸的末端。各硝酸裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硝酸生產(chǎn)原料的選擇過(guò)程都必須嚴(yán)格遵循本生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中強(qiáng)調(diào)的節(jié)能、環(huán)保、高效原則。

1 機(jī)組結(jié)構(gòu)

硝酸四合一生產(chǎn)裝置本身就是一種非常典型的利用電動(dòng)機(jī)能量自給自足硝酸生產(chǎn)裝置，硝酸四合一機(jī)組主要由空氣壓縮機(jī)、NOx壓縮機(jī)、齒輪箱、汽輪機(jī)、尾氣透平膨脹機(jī)組成。

1.1 空氣壓縮機(jī)

在四軸雙合一空氣壓縮機(jī)組中，空氣壓縮機(jī)組的主要目的就是既可以壓縮同時(shí)又可以進(jìn)行無(wú)機(jī)混合氨氧化和有機(jī)混合氮氧化的空氣，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)機(jī)外的空氣同時(shí)運(yùn)行。在新空壓機(jī)整體技術(shù)選型及工藝設(shè)計(jì)方面，由于快速壓力波動(dòng)的最大振幅相對(duì)較低，大多數(shù)都會(huì)選擇新型的反作用力軸流空壓機(jī)。對(duì)于具有反作用軸流部分的轉(zhuǎn)子進(jìn)行增壓的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)葉片，可以選擇反作用類(lèi)型，這樣齒輪運(yùn)動(dòng)可利用調(diào)節(jié)增壓器轉(zhuǎn)子來(lái)驅(qū)動(dòng)增壓器[2]。液壓壓力可調(diào)的部分液壓轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)采用可調(diào)驅(qū)動(dòng)裝置的形式，可調(diào)驅(qū)動(dòng)裝置可以設(shè)置為全部液壓。

1.2 氧化氮?dú)怏w壓縮機(jī)

氮氧化物空氣壓縮機(jī)的主要目的是將氨氧化和氮混合氣體在反應(yīng)后生成的氧化氮和氨氧化達(dá)到它能吸收的空氣壓縮機(jī)操作期間所需的最大壓力。在啟動(dòng)壓縮機(jī)的過(guò)程中氧化氮混合氣體與空氣混合后，不僅有放熱反應(yīng)，還有N2O4的快速分解和熱的反應(yīng)，而后者主要是吸熱的，有著較大的影響。這不僅導(dǎo)致柴油機(jī)排氣管實(shí)際溫度變得低于理論計(jì)算值，而且可能會(huì)迅速在金屬壁上或氣流死角附近沉積大量銨鹽[3]。由于這些銨鹽在結(jié)晶壓縮過(guò)程中體積膨脹，這將引起葉輪腔內(nèi)金屬隔板的變形，影響葉輪的正常轉(zhuǎn)動(dòng)。在葉輪的選材形式上，應(yīng)優(yōu)先采用碳鋼鑄軋葉輪，以提高電氣設(shè)備的機(jī)械壓縮性能和耐腐蝕性能。

1.3 變速箱支承軸承的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在機(jī)組的加速過(guò)程中，需要快速通過(guò)3 個(gè)臨界速度?？紤]隔離裕度，該機(jī)組的快速加速范圍為1 600 r/min～4 400 r/min。按照設(shè)計(jì)，軸瓦經(jīng)常出現(xiàn)供油不足、軸瓦溫度過(guò)高、軸瓦燒損等情況。通過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)軸瓦的溫度變化曲線(xiàn)如圖1 所示，軸瓦的最高溫度已達(dá)到120 ℃左右。

圖1 齒輪箱支撐軸承溫度檢測(cè)曲線(xiàn)

針對(duì)以上問(wèn)題，應(yīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)變速箱支承軸承體，提高軸承的進(jìn)油速度，以滿(mǎn)足機(jī)組轉(zhuǎn)速快速增加時(shí)對(duì)潤(rùn)滑油的需求。將軸承的進(jìn)油孔擴(kuò)大到原孔徑的約1.35 倍，使單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的潤(rùn)滑油量比原增加約50%；同時(shí)，增加變速箱油進(jìn)口支管的壓力，以及變速箱轉(zhuǎn)速增加時(shí)所需的潤(rùn)滑油量。但是，會(huì)造成供油支管壓力下降，供油能力不足。

1.4 蒸汽壓縮機(jī)

在四合一或三合一燃?xì)鈾C(jī)組中，當(dāng)使用四缸排氣壓縮機(jī)使整個(gè)燃?xì)鈾C(jī)組正常連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它往往提供自備的燃?xì)鈩?dòng)力，尤其是當(dāng)整個(gè)燃?xì)庠O(shè)備還不能正常啟動(dòng)而沒(méi)有正常啟動(dòng)功能，排風(fēng)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)不能正常連續(xù)工作時(shí)，蒸汽柴油排風(fēng)壓縮機(jī)為整個(gè)燃?xì)鈾C(jī)組的正常運(yùn)行提供了所有必要的連續(xù)運(yùn)行。

1.5 尾氣膨脹機(jī)

在四合一排氣壓縮驅(qū)動(dòng)機(jī)組中，膨脹機(jī)的功能包括：一是將未去除的亞硝酸鹽回收。剩余排放的過(guò)程后，臭氧層清除了所有剩余能量冷卻排氣；二是為制冷空氣壓縮機(jī)和膨脹機(jī)提供排氣壓縮驅(qū)動(dòng)器[4]。根據(jù)實(shí)際技術(shù)應(yīng)用功能需要，可單獨(dú)設(shè)計(jì)2 臺(tái)廢氣膨脹壓縮機(jī)和膨脹機(jī)，分為單級(jí)、兩級(jí)或多級(jí)廢氣膨脹，葉片也可單獨(dú)設(shè)計(jì)，分為一級(jí)沖力型和一級(jí)反作用型混合使用。

2 硝酸四合一機(jī)組總體設(shè)計(jì)特點(diǎn)

進(jìn)行單機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使每臺(tái)機(jī)器的單機(jī)轉(zhuǎn)速完美匹配，保證空壓機(jī)、氮氧化物介質(zhì)壓縮機(jī)和尾氣壓縮膨脹機(jī)在高工作效率下的正常運(yùn)行?？諝鈮嚎s機(jī)靜葉轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與氮氧化物介質(zhì)壓縮機(jī)與廢氣壓縮機(jī)一級(jí)靜葉轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)之間的轉(zhuǎn)速匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足硝酸的裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)。可靠、易于維護(hù)的硝酸結(jié)構(gòu)充氣密封，保證了氮氧化物壓縮介質(zhì)和廢氣不泄漏。該系統(tǒng)采用單機(jī)組蒸汽快速清洗，清除氮氧化物介質(zhì)壓縮機(jī)排氣中形成的硝酸銨，確保壓縮機(jī)機(jī)組安全正常運(yùn)行。

3 硝酸四合一機(jī)組的自動(dòng)控制安全保護(hù)系統(tǒng)

四合一硝酸裝置設(shè)備是硝酸工藝生產(chǎn)的核心控制設(shè)備。任何一臺(tái)機(jī)器的故障都會(huì)嚴(yán)重影響硝酸產(chǎn)品的生產(chǎn)。因此，監(jiān)測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行尤為重要，監(jiān)測(cè)設(shè)備一直以來(lái)都是機(jī)組的神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)機(jī)組進(jìn)行監(jiān)控，是正常運(yùn)行不可缺少的一部分。

壓縮機(jī)組符合我國(guó)工業(yè)硝酸產(chǎn)品生產(chǎn)的行業(yè)特殊性，可進(jìn)行自控系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。為有效地保證設(shè)備的安全性，當(dāng)緩沖喘振控制工作點(diǎn)自動(dòng)接近并進(jìn)入壓縮機(jī)組系統(tǒng)時(shí)，自控系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)，同時(shí)壓縮機(jī)系統(tǒng)發(fā)出自動(dòng)關(guān)機(jī)控制信號(hào)，切斷機(jī)組氨機(jī)組進(jìn)氣閥，使機(jī)組和其他啟動(dòng)裝置同時(shí)重啟設(shè)定停機(jī)。之后找出停機(jī)原因，重新啟動(dòng)設(shè)定，停機(jī)啟動(dòng)后壓縮機(jī)能基本恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 機(jī)組運(yùn)行情況及問(wèn)題的分析

壓縮機(jī)之間的匹配和功率調(diào)節(jié)在硝酸四合一壓縮機(jī)組中，軸流高速壓縮機(jī)和雙二氧化氮軸流壓縮機(jī)的功率耗動(dòng)最大，采用高效率和節(jié)能的軸流壓縮機(jī)對(duì)保持功率平衡至關(guān)重要，否則裝置就可能無(wú)法有效維持系統(tǒng)能量自足。

從圖2 中得到，軸流空壓機(jī)的整個(gè)排氣節(jié)流壓力要求應(yīng)該滿(mǎn)足廢氣氧化劑銨氧化的排氣壓力，氮氧化物空壓機(jī)的整個(gè)排氣節(jié)流壓力要求滿(mǎn)足廢氣吸收通風(fēng)塔的廢氣吸收壓力要求，這些排氣壓力必須通過(guò)整個(gè)廢氣壓縮膨脹機(jī)的節(jié)流壓力實(shí)現(xiàn)。在硝酸工藝裝置中，壓縮機(jī)的廢氣流量密度由于各種化學(xué)反應(yīng)而不斷變化，而壓縮機(jī)與空壓機(jī)之間的壓力自動(dòng)匹配設(shè)計(jì)與整個(gè)廢氣的壓縮和膨脹是如何保證整個(gè)機(jī)組設(shè)備性能的關(guān)鍵。由于空壓機(jī)的整個(gè)排氣阻力管道上幾乎沒(méi)有壓力平衡調(diào)節(jié)控制閥，其排氣壓力平衡是由整個(gè)氮氧化物空壓機(jī)、廢氣壓縮膨脹機(jī)和吸收管網(wǎng)的排氣阻力平衡來(lái)建立的。壓縮機(jī)的壓力做功能力已成為四合一設(shè)備機(jī)組性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

圖2 雙加壓法硝酸工藝流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了四合一風(fēng)力硝酸機(jī)組設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程中的各種特點(diǎn)，進(jìn)而分析了機(jī)組設(shè)備運(yùn)行中經(jīng)?？赡軙?huì)突然出現(xiàn)的各種技術(shù)問(wèn)題以及需要及時(shí)解決的各種技術(shù)保障措施。四合一機(jī)組在正常設(shè)備運(yùn)行中，可能會(huì)突然出現(xiàn)的諸如空氣壓縮機(jī)發(fā)生振動(dòng)和哮喘振動(dòng)的現(xiàn)象，對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的正常設(shè)備運(yùn)行生產(chǎn)效率也會(huì)造成嚴(yán)重不良影響，除了以上各種原因，需要集中研究采取各種改進(jìn)后的技術(shù)保障措施外，還要在整個(gè)機(jī)組設(shè)備生產(chǎn)中深入研究各種改進(jìn)工藝，減少導(dǎo)致風(fēng)機(jī)發(fā)生故障的各種可能性地發(fā)生。