降低氨冷凝系統(tǒng)弛放氣氨含量的探討

王加速

(安徽六國(guó)化工股份有限公司，安徽銅陵 244000)

安徽六國(guó)化工氮肥廠氨合成根據(jù)卡薩利日產(chǎn)1 000 t/d合成氨工藝包設(shè)計(jì)，合成回路主要由氨合成塔、蒸汽過(guò)熱器、廢熱鍋爐、水冷器、換熱器、氨冷器、氨分離器組成。冷凍系統(tǒng)裝置由汽輪機(jī)、氨壓縮機(jī)、表冷器、段間冷卻器等設(shè)備組成。其中，氨壓縮機(jī)由重慶通用集團(tuán)公司生產(chǎn)制造，主要為低溫甲醇洗、合成氨提供冷量[1]。

1 流程介紹

氨合成塔反應(yīng)生成的氣氨，經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器、廢熱鍋爐、鍋爐給水預(yù)熱器、熱-熱交換器、水冷器、冷-熱交換器、第一氨冷器、第二氨冷器換熱冷卻，進(jìn)入高壓氨液分離器進(jìn)行氣液分離，分離出的氣體進(jìn)入合成壓縮機(jī)循環(huán)段，分離出的液氨(13.25 MPa、-7.0 ℃、42.03 t/h)經(jīng)過(guò)減壓閥減壓到5.35 MPa后送入中壓氨分離器(V-3302)，溶解在液氨里的氫氮?dú)饧岸栊詺怏w被閃蒸出來(lái)，這部分氣體(5.35 MPa、-5.2 ℃、247.00 m3/h)回收到合成氣壓縮機(jī)一段入口。出V-3302的液氨(5.35 MPa、-5.1 ℃、41.92 t/h)經(jīng)過(guò)減壓閥減壓到2.90 MPa后送往低壓氨分離器，進(jìn)一步將溶解在液氨中的氫氮?dú)庖约岸栊詺忾W蒸出來(lái)，閃蒸氣被送往冷凍回路的氨儲(chǔ)槽。經(jīng)氨儲(chǔ)槽頂部的惰性氣體冷卻器冷卻回收氣體中的氣氨后，剩余的氣體排往火炬。出低壓氨分離器的液氨(2.90 MPa、-4.6 ℃、41.89 t/h)經(jīng)過(guò)產(chǎn)品氨換熱器與來(lái)自冷凍回路氨儲(chǔ)槽的液氨換熱。出產(chǎn)品氨換熱器的液氨(2.85 MPa、20.0 ℃、41.89 t/h)分成兩路，一路液氨(2.85 MPa、20.0 ℃、24.00 t/h)送往尿素裝置作為合成尿素用；另一路液氨(2.85 MPa、20.0 ℃、17.89 t/h)經(jīng)過(guò)減壓閥減壓后，送氨儲(chǔ)槽與來(lái)自氨冷器的液氨(1.65 MPa、40.0 ℃、33.10 t/h)混合，混合后的液氨溫度為33 ℃。閃蒸氣與來(lái)自氨冷器的不凝氣(1.65 MPa、33.0 ℃)混合后進(jìn)入惰性氣體冷卻器的管程，冷卻至-25 ℃?；厥斩栊詺怏w中的氣氨后，不凝氣體(1.65 MPa、33.0 ℃、0.04 t/h)被送往火炬系統(tǒng)?；厥盏囊喊敝苯踊氐桨眱?chǔ)槽。

2 冷凍基本原理

2.1 相變制冷

相變是指物質(zhì)集聚狀態(tài)的改變。在相變過(guò)程中，由于物質(zhì)的分子被重新排列，分子運(yùn)動(dòng)速度改變，就會(huì)吸收或放出熱量，這種熱量稱為相變潛熱。汽化、升華都屬于相變過(guò)程，都有熱效應(yīng)產(chǎn)生[2]。

相變制冷就是利用某些相變時(shí)的吸熱效應(yīng)達(dá)到冷凍的目的。任何液體汽化時(shí)都會(huì)產(chǎn)生吸熱效應(yīng)，因此液體汽化被廣泛應(yīng)用于制冷工業(yè)。氨的理化性質(zhì)詳細(xì)值見(jiàn)表1[3]。

從表1可知：液氨的蒸發(fā)溫度與壓力有關(guān)，溫度越低則壓力越低。由此可根據(jù)所要求的冷凍溫度確定液氨蒸發(fā)壓力。根據(jù)冷凍量(即取走的熱量)確定液氨的蒸發(fā)量。

表1 氨的理化性質(zhì)表

氨合成工序的氨分離是利用液氨作為冷凍劑。液氨蒸發(fā)過(guò)程中，吸收循環(huán)氣的熱量，使循環(huán)氣中的氣氨冷凝成產(chǎn)品氨；作為冷凍劑的液氨，則循環(huán)使用。在工藝上，液氨在低溫下蒸發(fā)成氣氨，然后加壓蒸發(fā)以提高冷凝溫度。當(dāng)加壓到冷凝溫度高于冷卻水溫度時(shí)，就可以利用水冷卻器使氣氨液化為液氨。因此，蒸發(fā)和冷凝必須在兩個(gè)不同的壓力等級(jí)下進(jìn)行。把氨從蒸發(fā)壓力提高到冷凝壓力是由壓縮機(jī)來(lái)完成的，此壓縮機(jī)稱為冰機(jī)。液氨在一個(gè)大氣壓下的沸點(diǎn)為-33.35 ℃，但在16個(gè)大氣壓下，氣氨的冷凝溫度為40.00 ℃，這樣就可以利用這一特性使其在低壓下蒸發(fā)，從被冷卻物中吸取熱量，以達(dá)到冷凍的目的。蒸發(fā)后的氣氨經(jīng)壓縮機(jī)壓縮提高壓力，使冷凝溫度高于冷卻水溫度。在高壓下用冷卻水冷凝，將氣態(tài)物質(zhì)重新變成液態(tài)物質(zhì)，再減壓蒸發(fā)，如此循環(huán)制冷。

2.2 制冷循環(huán)

2.2.1 制冷循環(huán)的組成與分類

冷凍劑在低壓下吸熱蒸發(fā)(制冷)，壓縮蒸發(fā)后的冷凍劑，使壓力提高到能用一般冷卻水將其冷凝為液態(tài)，再減壓蒸發(fā)，完成循環(huán)。這個(gè)循環(huán)必須配備壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器4臺(tái)主要設(shè)備。

制冷實(shí)際是使熱量從低溫向高溫傳遞的過(guò)程。眾所周知，熱量總是從高溫物體自動(dòng)傳遞到低溫物體，而逆過(guò)程是不能自動(dòng)進(jìn)行的，需要外界輸入能量才能實(shí)現(xiàn)。按照能量形式的不同，制冷循環(huán)分為消耗熱能的吸收式制冷循環(huán)和消耗機(jī)械能的壓縮式制冷循環(huán)兩類。

2.2.2 壓縮式制冷循環(huán)

(1)理想壓縮式制冷循環(huán)

在制冷過(guò)程中，希望消耗最少的功獲得最大的冷凍效果，這就是理想冷凍循環(huán)的概念。為了便于評(píng)價(jià)不同冷凍循環(huán)的冷凍效果，提出冷凍系數(shù)ε。

(2)實(shí)際蒸汽壓縮制冷循環(huán)

典型蒸汽壓縮制冷循環(huán)見(jiàn)圖1。

Ⅰ—壓縮機(jī)；Ⅱ—冷凝器；Ⅲ—節(jié)流閥；Ⅳ—蒸發(fā)器。

循環(huán)過(guò)程如下：

第一步：1→2的壓縮可以看成絕熱可逆壓縮。

第二步：2→3→4是在冷凝器中先失去過(guò)熱進(jìn)而冷凝成飽和液體。忽略冷凝器壓力降，為等壓不做外功過(guò)程，放出熱量Q1為H4-H2。

第三步：4→5為液體的節(jié)流。節(jié)流過(guò)程為絕熱(Q=0)和不做功(Ws=0)的過(guò)程。所以ΔH為0，即為等焓過(guò)程，則H4=H5。

第四步：5→1為濕蒸汽在等溫條件下吸熱，直至完全變?yōu)轱柡驼羝?，沿等溫等壓線進(jìn)行。吸收熱量Q0為H1-H5，即H1-H4。

對(duì)于制冷循環(huán)全過(guò)程，體系的焓變?chǔ)為0，根據(jù)穩(wěn)流體系熱力學(xué)第一定律，忽略位能和動(dòng)能的變化時(shí)：

ΔH=Q-Ws

(1)

需要的軸功率為：

Ws=∑Q=Q0+Q1

=(H1-H4)+(H4-H2)

=H1-H2

冷凍系數(shù)ε為：

ε=Q0/(-Ws)=(H1-H4)/(H2-H1)

當(dāng)已知制冷循環(huán)1、2、3、4各點(diǎn)的溫度和壓力時(shí)，則冷凍系數(shù)就能求出。

2.2.3 冷凍能力

冷凍能力是指在一定條件下，制冷劑自被冷物體中取出的熱量。冷凍能力與所用的冷凍機(jī)的大小、轉(zhuǎn)速、效率及其它因素有關(guān)。單位通常為kJ/h。

在冷凍計(jì)算中，通常利用T—S圖(見(jiàn)圖2)，冷凍劑在等壓線上蒸發(fā)前后兩點(diǎn)焓的差值，即為每千克冷凍劑的冷凍能力。

圖2 蒸氣壓縮制冷T—S圖

如圖2所示，單位質(zhì)量冷凍劑的冷凍能力q0為h1-h4，設(shè)G為每小時(shí)循環(huán)于冷凍機(jī)內(nèi)冷凍劑的質(zhì)量，則冷凍能力：

Q0=Gq0

(2)

對(duì)于同一冷凍機(jī)，若操作溫度條件發(fā)生變化，冷凍能力也隨之變化。為了確切地說(shuō)明冷凍機(jī)冷凍能力的特性，就必須指定冷凍機(jī)的操作溫度。

冷凍操作所需實(shí)際消耗的功耗，可由所需理論功率求出。

冷凍操作中，壓縮機(jī)的理論功率為：

Nt=-WF/860

(3)

又知：ε=Q0/(-WF)

所以：Nt=Q0/(860×ε)

由于實(shí)際壓縮時(shí)，考慮到壓縮機(jī)的效率，需將理論功率除以總效率得出驅(qū)動(dòng)機(jī)的實(shí)際消耗功率，此效率η一般取0.75，即：

N=Nt/η

(4)

3 氨壓縮機(jī)系統(tǒng)弛放氣運(yùn)行現(xiàn)狀

冷凍系統(tǒng)惰性氣排放時(shí)伴隨氣氨，在排放前通過(guò)惰性氣冷卻器殼側(cè)液氨蒸發(fā)吸熱對(duì)其進(jìn)行降溫。利用氣氨與惰性氣的冷凝溫度不同，氣氨被冷凝成液態(tài)回收，惰性氣仍以氣相形態(tài)排放，達(dá)到回收氣氨的目的，同時(shí)降低冷凍回路的壓力。在裝置正常運(yùn)行期間，由于系統(tǒng)中惰性氣含量偏多，惰性氣體進(jìn)口溫度比較高，惰性氣冷卻效果不佳，惰性氣排放出口溫度很難達(dá)到-25 ℃的設(shè)計(jì)值，部分氣氨未冷凝回收即被排放至火炬系統(tǒng)燃燒。

對(duì)2017年冰機(jī)氨冷凝系統(tǒng)弛放氣變化量及惰性氣冷卻器運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)。

表2 2017年全年惰性氣冷卻器運(yùn)行情況

弛放氣排放的設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 弛放氣排放相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

由此可見(jiàn)，隨著環(huán)境溫度升高，冰機(jī)系統(tǒng)中惰性氣含量和溫度都呈上升趨勢(shì)，弛放氣排放量增加。排放溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，系統(tǒng)內(nèi)部分氣氨會(huì)隨弛放氣一起排入火炬系統(tǒng)。

4 原因分析及對(duì)策

4.1 原因分析

針對(duì)惰性氣排放溫度未達(dá)到設(shè)計(jì)值(-25 ℃)、冰機(jī)出口部分氣氨未被冷凝這個(gè)問(wèn)題，分析各項(xiàng)影響因素(見(jiàn)圖3)。

圖3 原因分析系統(tǒng)圖

分析原因如下：

(1)由于冷凍回路設(shè)計(jì)時(shí)，未考慮到六國(guó)罐區(qū)返回氣氨中含有不凝氣，導(dǎo)致惰性氣體冷卻器設(shè)計(jì)偏小。特別是夏季運(yùn)行時(shí)，換熱面積明顯不足。由于惰性氣未被冷卻完全，造成冰機(jī)系統(tǒng)壓力上漲，為保證冷凍系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，只能開(kāi)大惰性氣冷卻器出口弛放氣排放閥門。

(2)原設(shè)計(jì)惰性氣冷卻器管程進(jìn)口溫度為32.3 ℃。實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，由于氨壓縮機(jī)出口氣體流量比較大，使得合成回路送來(lái)的液氨經(jīng)過(guò)減壓閥減壓后送氨儲(chǔ)槽，與來(lái)自氨冷凝器的液氨混合,惰性氣冷卻器管程進(jìn)口溫度達(dá)到41 ℃。在其它指標(biāo)不變情況下，惰性氣冷卻器管程出口溫度低于-25 ℃的設(shè)計(jì)值。

(3)原設(shè)計(jì)中，惰性氣冷卻器殼程進(jìn)口冷卻液氨流量小。

4.2 對(duì)策及方案

(1)重新設(shè)計(jì)惰性氣冷卻器殼側(cè)加氨管線，在現(xiàn)有加氨調(diào)節(jié)閥(FV3252)后再增加一路DN25液氨管線。原加氨管線從第二氨冷器(E3308)殼側(cè)底部引出DN25總管，之后分為兩路：一路經(jīng)FV3252給惰性氣體冷卻器(E3203)殼側(cè)加氨;另一路作為E3308殼側(cè)檢修或系統(tǒng)停車退氨,至氨分離器(V3204)管線用?，F(xiàn)將退氨管線改造至V3203到E3308的重力流管線上，相對(duì)高度高且管徑大，殘留的油污少。同時(shí)在退氨管線靠近V3204之前增加一道DN25手動(dòng)閥，在新增加的閥門前引一路DN25液氨管道至FV3252閥后DN50管線上(DN25變徑為DN50)，并在靠近FV3252閥后增加一道DN25手動(dòng)截止閥用于控制E3203殼側(cè)的加氨量。當(dāng)E3308殼側(cè)需要退氨時(shí)，可關(guān)閉新增加管線上的手動(dòng)閥，之后打開(kāi)退氨管線靠近V3204之前增加的手動(dòng)閥，進(jìn)行退氨操作。

(2)根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際運(yùn)行情況，目前系統(tǒng)E3203進(jìn)口不凝氣質(zhì)量流量為750 kg/h，是設(shè)計(jì)處理量的2倍。重新設(shè)計(jì)E3203，將其整體高度增加了750 mm，使其換熱面積由原來(lái)的10.1 m2提升到30.0 m2[4]，從而解決氨壓縮機(jī)惰性氣體不凝氣無(wú)法正常排放問(wèn)題。改造前后流程見(jiàn)圖4、圖5。

K-3201—氨壓縮機(jī)；KT-3201—氨壓縮機(jī)透平；V-3202—一氨冷分離器；V-3203—二氨冷分離器；V-3204—吸入罐；E-3201—段間冷卻器；V-3206—集液槽；P-3202—氨泵；E-3203—惰性氣冷卻器；V-3201—液氨受槽；E-3307—第一氨冷卻器；E-3308—第二氨冷卻器；E-3204—氨加熱器；V-3303—低壓氨分離器。

E-3203—惰性氣冷卻器；V-3201—液氨受槽；E-3308—第二氨冷卻器；V-3204—吸入罐。

5 運(yùn)行效果

E3203經(jīng)過(guò)以上改造后，夏季時(shí)的換熱效果顯著提高，通過(guò)增加DN25加氨管線提高冷卻效果，使得惰性氣中所含的氣氨被充分回收。在系統(tǒng)負(fù)荷為104%、循環(huán)水給水溫度為35 ℃時(shí)，不凝氣溫度由改造之前的-15 ℃降至-25 ℃，有效減小外排不凝氣中氣氨的含量，同時(shí)氨壓縮機(jī)高壓缸出口壓力由1.76 MPa降至1.45 MPa，使冰機(jī)在夏季能夠更加安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

比較改造前后相同負(fù)荷下的氨產(chǎn)量(見(jiàn)表4和表5)。

表4 改造前產(chǎn)氨量

表5 改造后產(chǎn)氨量

由表4和表5可知：改造后，在環(huán)境溫度及生產(chǎn)負(fù)荷相同的情況下，弛放氣夏季排放溫度達(dá)到-25 ℃的設(shè)計(jì)值，弛放氣中的氨被冷凝下來(lái)，產(chǎn)氨量平均較改造前增加3 t/d。按夏季為90 d計(jì)算,則每年可多產(chǎn)氨質(zhì)量為270 t,根據(jù)目前氨的市場(chǎng)平均價(jià)為3 000元/t計(jì)算，每年多回收氣氨可產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為81萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

技術(shù)改進(jìn)后，裝置運(yùn)行良好，優(yōu)化工藝操作具有經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能降耗的同時(shí)，可保證生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行。