降溫降阻在合成氨生產裝置中的應用

朱之明

（晉能控股裝備制造集團天源山西化工有限公司，山西 高平 048400）

晉能控股裝備制造集團天源山西化工有限公司（簡稱天源公司）現(xiàn)有2 套18 萬t/a 合成氨生產裝置，其主要工藝流程為傳統(tǒng)的小氮肥工藝，造氣裝置生產出的合格的半水煤氣經(jīng)一級靜電除塵、羅茨風機加壓、半水煤氣脫硫、二級靜電除塵后，由原料氣壓縮機加壓送凈化、合成工段生產產品。經(jīng)過幾年的節(jié)能挖潛升級改造后，生產裝置運行趨于穩(wěn)定，增產減耗取得大幅進步。但在實際運行過程中，仍存在局部工段半水煤氣運行溫度偏離設計指標、系統(tǒng)阻力高，并且冬季產量比夏季減少10%。要想保證運行指標在設計范圍內及產量穩(wěn)定，必須保證羅茨風機及原料氣壓縮機的打氣量，而影響打氣量最重要的因素就是半水煤氣溫度和系統(tǒng)阻力偏高。筆者以天源公司合成氨生產裝置最優(yōu)運行數(shù)據(jù)為依據(jù)，對生產中半水煤氣溫度和系統(tǒng)阻力偏高進行了原因分析，現(xiàn)將技術改造情況介紹如下。

1 合成氨生產裝置改造前的運行數(shù)據(jù)和存在問題

改造前各工段半水煤氣實際運行溫度與設計溫度對比見表1，各工段系統(tǒng)運行阻力見表2。由表1 可知，造氣余熱回收器出口半水煤氣溫度180 ℃、造氣煤氣冷卻器出口半水煤氣溫度55 ℃、半脫洗滌塔出口半水煤氣溫度45 ℃、原料氣壓縮機進口半水煤氣溫度30 ℃，均高于設計值。由表2 可知，整個生產裝置的系統(tǒng)阻力主要集中在煤鼓電除塵工段、原料氣壓縮機工段、變換工段。

表1 改造前各工段半水煤氣實際運行溫度與設計溫度對比 ℃

表2 改造前各工段系統(tǒng)運行阻力kPa

2 改造方案

2.1 系統(tǒng)阻力偏高

2.1.1 煤鼓電除塵工段

天源公司共有兩級煤鼓電除塵裝置，各8 臺，均并聯(lián)運行。在實際生產過程中，因兩級煤鼓電除塵裝置均運行超過16 a，存在設備老化問題，雖然前期對電除塵設備內部結構進行了升級改造，但除塵效果仍較差，導致該工段系統(tǒng)阻力偏大，后工段原料氣壓縮機水冷器、變換溴化鋰換熱器頻繁堵塞，清洗頻次從原設計的1 年1 次縮短到約1～2 個月1 次，清洗期間，系統(tǒng)需減負荷運行，對生產系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成較大的影響。

為解決煤鼓電除塵工段除塵效果差及系統(tǒng)阻力大的問題，天源公司增加了1 臺一級靜電除塵裝置和1 臺二級靜電除塵裝置，增加的裝置與原有裝置并聯(lián)運行，從而降低了原有設備的處理氣量，在保證除塵效果的同時，降低了系統(tǒng)阻力。

改造后，煤鼓電除塵工段系統(tǒng)阻力降低了1 kPa，除塵效果明顯提高，后工段原料氣壓縮機水冷器、變換溴化鋰換熱器的清洗頻率由1～2 個月1 次延長到5～6 個月1 次。

2.1.2 原料氣壓縮機工段

天源公司原料氣壓縮機工段共有9 臺原料氣壓縮機，該工段阻力主要集中在三、四段水冷器及原料氣壓縮機四段出口管線。為了解決原料氣壓縮機工段系統(tǒng)阻力偏大的問題，更換了5 臺原料氣壓縮機三、四段水冷器，三段水冷器換熱面積由116 m2擴容至180 m2，四段水冷器換熱面積由108 m2擴容至150 m2。將替換下來的三、四段水冷器安裝到剩余4 臺原料氣壓縮機上，與原有三、四段水冷器并聯(lián)運行。此外，經(jīng)計算壓縮機四段出口管線氣體流速在15 m/s，超出了經(jīng)濟流速12 m/s，所以壓縮機四段出口管線阻力產生的原因是管道偏細，天源公司對壓縮機四段出口管道進行了更換，管徑由159 mm 增加到273 mm。

改造后，原料氣壓縮機出口半水煤氣溫度降低了3 ℃～5 ℃，原料氣壓縮機工段系統(tǒng)阻力由140 kPa 降低到70 kPa。

2.1.3 變換工段

天源公司變換工段采用全低變耐硫變換工藝，進口設置有溴化鋰換熱器，用于降低變換進口半水煤氣溫度。因溴化鋰換熱器偏小，換熱效果差，導致變換進口半水煤氣溫度偏高，氣體膨脹產生阻力。溴化鋰換熱器進口至油分離器進口阻力約20 kPa。為解決變換工段阻力問題，天源公司對變換進口溴化鋰換熱器進行了擴容改造，換熱器面積由105 m2增加到715 m2。

改造后，溴化鋰換熱器出口半水煤氣溫度由45 ℃降低到25 ℃，變換工段阻力降低了10 kPa。

2.2 半水煤氣溫度偏高

在生產過程中，半水煤氣溫度偏高直接影響整套生產裝置的生產效率，降低半水煤氣溫度是煤化工生產降本增效最有效的手段之一。引起半水煤氣溫度偏高的主要原因是各工段循環(huán)水冷卻上水（主要包括造氣循環(huán)水、半脫循環(huán)水、合成循環(huán)水）和水冷器冷卻水溫度偏高。

2.2.1 造氣循環(huán)水、半脫循環(huán)水溫度偏高

在夏季高溫天氣，天源公司造氣循環(huán)水冷卻上水溫度為44 ℃，半脫循環(huán)水冷卻上水溫度為32 ℃。為降低造氣循環(huán)水冷卻上水溫度，天源公司新增1 套1 200 m3/h 的循環(huán)水裝置，與現(xiàn)有造氣循環(huán)水裝置并聯(lián)使用。為降低半脫循環(huán)水冷卻上水溫度，新增1臺1 000 m3/h 的循環(huán)水裝置，與現(xiàn)有半脫循環(huán)水裝置并聯(lián)使用。

改造后，夏季造氣循環(huán)水冷卻上水溫度由44 ℃降低到40 ℃，造氣余熱回收器出口半水煤氣溫度由180 ℃下降至150 ℃，造氣煤氣冷卻器出口半水煤氣溫度由55 ℃下降至40 ℃；夏季半脫循環(huán)水冷卻上水溫度由32 ℃降低到28 ℃，半脫洗滌塔出口半水煤氣溫度由45 ℃降低至40 ℃。

2.2.2 合成循環(huán)水溫度偏高

在夏季高溫天氣，天源公司合成循環(huán)水冷卻上水溫度為38 ℃，為降低合成循環(huán)水溫度，天源公司對合成循環(huán)水冷水塔8 臺冷卻風機的64 片風葉進行了改造，將玻璃鋼材質風葉改造為碳纖維材質風葉，并將風葉的寬度由0.31 m 增加到0.51 m，在冷卻風機電機功率不變的情況下，提高了冷卻風量。

改造后，合成循環(huán)水的冷卻風機風速由6.7 m/s提高到7.8 m/s，合成循環(huán)水冷卻上水溫度由38 ℃降低到35 ℃，達到了設計指標。

2.2.3 水冷器冷卻水溫度偏高

天源公司9 臺原料氣壓縮機進口各設置1 臺水冷器，其中6 臺水冷器冷卻水由1#溴化鋰裝置提供，因1#溴化鋰裝置負荷有限，剩余3 臺水冷器冷卻水采用地表水。在夏季高溫天氣，因地表水溫度偏高，造成3 臺水冷器冷卻水溫度偏高，為此天源公司新增1臺溴化鋰裝置，代替地表水為剩余3 臺原料氣壓縮機進口水冷器提供冷卻水，實現(xiàn)降低水冷器冷卻水溫度的目的。

改造后，原料氣壓縮機進口半水煤氣溫度由30 ℃降低到23 ℃，達到了設計指標。

3 改造效果

天源公司合成氨生產裝置通過增加除塵裝置、循環(huán)水裝置、溴化鋰裝置，更換三、四段水冷器及原料氣壓縮機四段出口管線，對進口溴化鋰換熱器進行擴容，對合成循環(huán)水冷水塔風葉的材質和寬度進行升級改造等，各工段出口半水煤氣溫度和系統(tǒng)阻力明顯下降，生產裝置總體產能提高約70 t/d，達到設計產能，夏季高溫天氣的合成氨產能比冬季偏低的問題得到了解決。天源公司下一步將結合全系統(tǒng)各單元化學反應過程中的熱量平衡繼續(xù)優(yōu)化生產裝置，更好地實現(xiàn)節(jié)能降耗。