蒸吸工序氨氣管線的優(yōu)化與改造

王 劍

(1.唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305；2.河北省純堿堿渣減量與資源化技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 唐山 063305)

氨是氨堿法生產(chǎn)純堿不可或缺的中間媒介，氨鹽水碳酸化反應(yīng)離開氨則不能成立。氨氣管線是將氨從蒸餾工序輸送至吸收工序的重要通道，管線內(nèi)部介質(zhì)主要有氨氣、蒸汽、CO2等，溫度約62 ℃，運(yùn)行壓力約在-10～5 kPa。我公司氨氣管線運(yùn)行至今已長達(dá)15年之久，部分管道老化、內(nèi)層脫落，存在較大安全風(fēng)險。

1 氨氣管線存在的問題

1)管線老化。氨氣管線已使用近15年，部分管段老化、內(nèi)部脫層、管托內(nèi)陷，存在破裂、坍塌風(fēng)險，易造成系統(tǒng)停車事故，氨氣大量泄漏將危及職工人身安全。另外，管線法蘭口偶有漏氣現(xiàn)象，影響下段氣濃度，不利于碳化等關(guān)鍵工序工藝指標(biāo)優(yōu)化。

2)管線材質(zhì)缺陷明顯。目前氨氣管線全部為玻璃鋼(FRP)材質(zhì)，導(dǎo)熱性差，彈性模量低。首先，管線導(dǎo)熱性差。相較于其它材料不易散熱，氨氣溫度經(jīng)管道輸送的過程中變化幅度小，對吸收工序吸氨的效果沒有助益。其次，彈性模量低。玻璃鋼材質(zhì)彈性模量為7×104MPa，鋼的彈性模量在2.1×105MPa左右，遠(yuǎn)小于鋼材質(zhì)，剛性不足，容易變形，加之管道本身老化，一旦變形嚴(yán)重，氨氣泄漏的風(fēng)險增大。

3)流程復(fù)雜。氨氣管線分為兩部分：9#、1#、2#、3#、4#、7#、8#螺旋板出氣進(jìn)DN1200玻璃鋼管線去往1#、2#、3#吸收塔，另一條復(fù)線由5#、6#螺旋板出氣、固定銨出氣進(jìn)DN800玻璃鋼管線去往4#、5#吸收塔。兩條管線在4#吸收塔處有DN500串聯(lián)管線。現(xiàn)場流程繁雜，不便于現(xiàn)場操作和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。復(fù)線連接蒸餾塔氨氣管線，由于來氣管線較長，且復(fù)線氨氣的來源較少，在蒸餾塔系統(tǒng)停車時，管線內(nèi)氨氣的濃度波動較大，影響4#、5#吸收塔吸氨，造成氨鹽水質(zhì)量波動。管線流程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)有氨氣管線流程示意圖

2 氨氣管線的設(shè)計

若要從根本上解決，保持設(shè)備長周期穩(wěn)定運(yùn)行，就必須對氨氣管線進(jìn)行更換，并優(yōu)化工藝流程。主要從四個方面進(jìn)行深入研究。

2.1 管道材質(zhì)

TA2材質(zhì)是目前工業(yè)生產(chǎn)中性能非常優(yōu)異的材料，它導(dǎo)熱性較強(qiáng)，比玻璃鋼散熱性好；具有很高的強(qiáng)度，且密度僅為鋼的60%，強(qiáng)度卻優(yōu)于普通鋼強(qiáng)度；同時在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)環(huán)境中擁有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和自鈍化能力，這些性能完全契合了氨氣運(yùn)輸?shù)臈l件。首先散熱性強(qiáng)，氨氣管線內(nèi)各介質(zhì)含量占比如表1，其中水蒸汽含量占總體積的9.75%，水蒸汽更容易冷凝，減少水蒸汽進(jìn)入吸收塔。另外，有利于管線內(nèi)的氨氣降溫，提高吸收塔的吸氨效果。其次強(qiáng)度高、耐腐蝕，管線內(nèi)部為負(fù)壓真空狀態(tài)，TA2材質(zhì)自身的高強(qiáng)度導(dǎo)致設(shè)備承受真空壓力時不易變形，避免了管道縫隙漏氣和管道破裂的風(fēng)險。

表1 氨氣管線內(nèi)介質(zhì)含量占比

2.2 管線流程

流程的優(yōu)化以便于操作，便于記憶為方針進(jìn)行設(shè)計。因此可將復(fù)線去掉，將5#、6#螺旋板出氣、固定銨系統(tǒng)出氣并入總管，使所有的氨氣均從主線通過，達(dá)到簡化流程、縮短管線的目的。另外，調(diào)整氨氣總管與各螺旋板換熱器出氣的接口間距，使每個螺旋板出氣的間距保持相同，以此保證總管內(nèi)氨氣濃度的均衡，減小氨氣濃度波動程度。按照這個思路設(shè)計的氨氣管線流程圖如圖2。

圖2 優(yōu)化后氨氣管線流程圖

2.3 主線管徑

復(fù)線去掉后雖然流程得到簡化，但主線管徑必須擴(kuò)容。原氨氣主線直徑為1 200 mm，復(fù)線直徑為800 mm，那么總的流通面積為：

新管線的流通面積應(yīng)不小于1.63 m2，因此可計算新管主線管徑：

求得x≥1.44 m?？紤]未來如果蒸氨量增加，為了保證管道流通面積充足，減小管線阻力，避免限量，氨氣主線管徑選擇1 600 mm。

2.4 主管線強(qiáng)度

主管線改為TA2材質(zhì)后自身強(qiáng)度得到增強(qiáng)，但為了保證管道在負(fù)壓狀態(tài)下更加穩(wěn)定，在管線外每隔一段增加一圈加強(qiáng)筋，使管道更加穩(wěn)定、耐用。

3 投用后效果

氨氣管線優(yōu)化改造完成后，經(jīng)過一段時間的使用，運(yùn)行效果良好。

1)強(qiáng)度增加，密封性更強(qiáng)。由于設(shè)備全部改為TA2材質(zhì)，強(qiáng)度有了明顯的增加，抗腐蝕性更強(qiáng)，且加強(qiáng)筋的存在使氨氣管線受力更加平衡、穩(wěn)定，進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)了管道的抗壓強(qiáng)度，新管由于減少了不必要的法蘭口，使管線漏氣的可能性更小，確保管線使用周期更長。

2)阻力變小。改造后管徑由1.2 m改為1.6 m，流通面積大大增加，且管線縮短，氨氣流通更加順暢，阻力變小。

3)系統(tǒng)聯(lián)系更緊湊。氨氣能夠從蒸餾塔進(jìn)入吸收塔，依靠淡氨鹽水吸氨以及吸收塔的真空產(chǎn)生動力。改造后由于阻力變小，氨氣更容易進(jìn)入吸收塔，這樣帶來的最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是系統(tǒng)反應(yīng)更敏捷、快速。當(dāng)吸收塔提真空時，系統(tǒng)反應(yīng)更加迅速，原來要4～5 min，現(xiàn)在只需要1～2 min，提高了吸收塔的操作節(jié)奏，同時吸收、蒸餾工序連接也更加緊湊。

4)提高氨鹽水濃度。氨氣管線設(shè)有集液箱，當(dāng)約62 ℃的氣體從管線經(jīng)過， 與外界空氣間接換熱，氣體中的部分水蒸汽就會冷凝沿集液箱排出。改造后由于管道材質(zhì)有良好的導(dǎo)熱性，主線溫度下降，水蒸汽更容易冷凝，減少了進(jìn)入吸收塔的水蒸汽，因此改造后氨鹽水濃度有所提高。

4 小 結(jié)

通過對原有氨氣管線的多方面優(yōu)化改造，管道存在的安全問題得到徹底解決，且阻力變小，系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性更加緊密，水蒸汽分離效果更好，氨鹽水濃度得到提高，蒸吸工況明顯好轉(zhuǎn)。