大化肥集成制冷氨氣壓縮機的研制

　　摘要：大型尿素合成低溫甲醇洗工段和氨合成工段都需要外界向系統(tǒng)提供冷量，國際上傳統(tǒng)設(shè)計采用兩套氨制冷壓縮機，一套為低溫甲醇洗系統(tǒng)提供冷量，另一套為氨合成系統(tǒng)提供冷量，兩套氨制冷壓縮機在設(shè)備投資和運行中的工程消耗都非常大。 為了降低我國化肥行業(yè)的建設(shè)成本，徹底擺脫我國化肥建設(shè)受制于人的狀況，沈鼓集團圍繞大化肥裝置用氨壓縮機節(jié)能優(yōu)化、機組多次加氣設(shè)計、機組安全可靠性和葉輪材料等方面存在的系列問題，組織進行了大量的科研攻關(guān)，自主研制成功國內(nèi)s*套大型化肥裝置節(jié)能用制冷氨壓機組，該機組的研制成功實現(xiàn)了節(jié)能和自主化設(shè)計，既用一套氨制冷壓縮機分別為低溫甲醇洗和氨合成系統(tǒng)提供冷量，也滿足了國家節(jié)能降耗的需要。

　　一、項目背景

　　中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)產(chǎn)品在國民經(jīng)濟中占重要地位。農(nóng)作物在生長過程中需要氮、磷、鉀等營養(yǎng)，尤其是氮肥對農(nóng)作物增產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。

　　我國現(xiàn)在氮肥以尿素為主， 尿素的合成大致分為原料氣制備、原料氣凈化、氨合成和尿素合成四個過程。原煤氣化后產(chǎn)生的合成氣中除含有 H2、CO外 , 還含有一定量的其他組分, 主要是 H2 S、COS等硫化物和CO2，這些酸性物質(zhì)含量過高對下游工藝影響很大，合成氣作為原料進一步使用前 , 必須進行凈化處理，脫除其中的H2S和CO2， 目前國內(nèi)外普遍采用低溫甲醇洗技術(shù)凈化粗煤氣[1]。

　　低溫甲醇洗工藝是由德國林德( Linde) 公司和魯奇( Lurgi) 公司共同研究開發(fā)的，它以冷甲醇( -60℃) 作為吸收劑。低溫甲醇溶液吸收H2S、CO2過程是一個放熱的過程，而吸收需要在較低的溫度 ( -70～-40℃)下進行[2]，為了維持吸收塔的低溫環(huán)境必須由外界向系統(tǒng)提供冷量，大多采用氨制冷系統(tǒng)，來自低溫甲醇洗裝置 0.07MPa、-40℃的氣氨進入本裝置的低溫過冷器的殼程，被管程 40℃的液氨加熱到 30℃，同時液氨被冷卻到 4℃，送出低溫甲醇洗用于-40℃級制冷，需要一套氨氣離心壓縮機為其提供制冷動力。

　　二、傳統(tǒng)設(shè)計簡述

　　原料氣經(jīng)過低溫甲醇洗凈化，液氮洗精煉后進入氨合成裝置進行合成氨，并冷凝分離成液體產(chǎn)品氨，送往氨庫作尿素原料。凈化后的新鮮合成氣經(jīng)過合成氣壓縮機至14.0MPa(A)與循環(huán)氣混合，共同壓縮至15.0MPa(A)，經(jīng)過換熱到210℃進入合成塔合成。合成后氣體經(jīng)過系統(tǒng)換熱到23℃，入第一氨冷卻器用0℃級氨將氣體冷卻到 5℃，再經(jīng)第二氨冷器的-18℃級氨將氣體冷卻到-12℃。使大部分氨冷凝為液氨。進入氨分離器，使液氨從氣體中分離出來，兩級氨冷使用的液氨均來自于制冷系統(tǒng)。蒸發(fā)后的氣氨按不同壓力等級分別送回制冷系統(tǒng)。經(jīng)過氨氣制冷壓縮機壓縮后液化循環(huán)使用。

　　綜上所述，合成尿素過程中，原料氣凈化和氨合成過程均需要外界向系統(tǒng)提供冷量，因氨是尿素生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品之一，所以一般采用氨氣作為冷劑。氨氣通過離心壓縮機壓縮至1.7MPa(A)后進行液化，液氨輸送到換熱器進行閃蒸制冷，氣氨重新回到壓縮機壓縮，循環(huán)利用。在以往的工藝中低溫甲醇洗和氨合成的制冷壓縮機的是分別設(shè)計的，是兩套獨立的壓縮機組，以沈鼓集團為山東魯西化工有限公司(采用蘭州航天院尿素合成工藝技術(shù))設(shè)計、制造的兩套氨氣壓縮機組為例進行詳細說明。

　　合成氨制冷壓縮機相對于低溫甲醇洗制冷壓縮機機型小一些，根據(jù)工藝參數(shù)壓縮機選型為3MCL458，機組為單缸三段八級壓縮，葉輪名義直徑為450mm，機組設(shè)計參數(shù)見表2。

　　采用兩套氨制冷壓縮機，一次性投資比較大，而且制冷系統(tǒng)的工程消耗等都比較大，不利于能源的節(jié)約和利用。

　　三、設(shè)計創(chuàng)新

　　針對這一問題，沈鼓大膽提出將低溫甲醇洗和氨合成兩套氨制冷壓縮機組集成為一套的想法，并與設(shè)計院一同討論了將兩個工藝流程集成的可能性，以達到節(jié)能減排的目的。經(jīng)過雙方共同努力，設(shè)計院計算出了集成制冷系統(tǒng)工藝參數(shù)，詳見表3。

　　通過表1～表3的對比可以看出，傳統(tǒng)氨氣制冷壓縮機組段間只有一次加氣，工藝流程比較短，工藝氣量、溫度、壓比分布均勻，加上已經(jīng)應(yīng)用多年，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，壓縮機設(shè)計比較容易。將兩套制冷氨壓機集成為一套之后，工藝系統(tǒng)復(fù)雜、流程大大加長，需要冷量眾多，壓縮機過程中有-18℃、-5℃、4℃三次加氣，各段氣量、壓比分布不均勻，給壓縮機的設(shè)計、制造都帶來相當大的難度，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

　　圖3 集成制冷氨壓機系統(tǒng)流程示意圖

　　氣動方案難度大，機組既要滿足工藝的要求，又需要考慮到結(jié)構(gòu)的可行性，系列化葉輪均不能完全與工藝匹配，詳細工藝參數(shù)見表4。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大，低壓缸2MCL606，為兩段六級壓縮，葉輪只能采用4/2分布，一段壓比為3，二段壓比為1.7，兩段壓比相差大，軸向力很難平衡。低壓缸轉(zhuǎn)子圖如圖4所示。

　　高壓缸3MCL608，為三段八級壓縮，葉輪為背靠背布置，各段葉輪數(shù)量為2/3/3。葉輪多轉(zhuǎn)子過長，轉(zhuǎn)子跨徑比達到了13.39，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性[3]很難保證。高壓缸轉(zhuǎn)子如圖5所示。

　　圖5 高壓缸轉(zhuǎn)子

　　四、社會與經(jīng)濟效益

　　集成氨氣制冷離心壓縮機組，用一套氨壓機組實現(xiàn)了傳統(tǒng)設(shè)計二套制冷壓縮機的功能，提供了大型化肥合成過程中所需的全部冷量，減少了一套壓縮機組及其配套設(shè)備，節(jié)省了設(shè)備的占地面積，大大降低了設(shè)備的運行維護成本，本文將傳統(tǒng)氨制冷系統(tǒng)和集成氨制冷系統(tǒng)做了粗略比較，詳見表5。

　　表5 集成式制冷壓縮機各段參數(shù)

　　離心式壓縮機至少能夠運行20年，每年按照工作7200小時計算，采用集成制冷氨氣壓縮機每年可節(jié)約工業(yè)用電151200kW·h，工業(yè)脫鹽水3542400t，設(shè)備長期運行節(jié)約能源相當可觀。從表5可以看出，采用集成制冷壓縮機裝置建設(shè)成本也大大降低，僅設(shè)備的投資成本就降低41.3%，土建成本、配套成本也隨之大大降低。依托該國產(chǎn)化技術(shù)已經(jīng)建成了安徽晉煤中能化工、山東魯西化工、內(nèi)蒙古天潤、國電赤峰等多個大型尿素裝置，例如安徽晉煤中能化工項目采用此技術(shù)，2010年投入運營，2011年新增產(chǎn)值3.6億元，新增利稅3665萬元。

　　五、總結(jié)

　　集成式制冷氨氣壓縮機的研制成功，取代了傳統(tǒng)大型化肥合成裝置中兩套氨氣制冷壓縮機，具有機組高度集成、運行安全穩(wěn)定、能源消耗低、適應(yīng)功率能力強、檢修維護方便等突出特點。本產(chǎn)品在大型化肥裝置中的s*次應(yīng)用是合成氨系統(tǒng)的一次重大突破，集成制冷系統(tǒng)不僅可以用在化肥裝置上，還可以使用在大型甲醇合成和其他大型化工裝置中，市場需要空間大，推廣前景廣闊，顯著的經(jīng)濟效益、社會和環(huán)境效益必將成為其市場競爭的利器。

　　參考文獻

　　[1] 任多勝.大型合成氨裝置液氮洗工藝流程的優(yōu)化[J].大氮肥，2011(34)：81-83.

　　[2] 王顯炎，鄭明峰，張俊馳.Linde和Lurgi低溫甲醇洗工藝流程分析[J].煤化工，2010，146(1)：35-36.

　　[3] 美國石油學(xué)會.API617標準：石油 化學(xué)和氣體工業(yè)用離心壓縮機[S].北京：機械工業(yè)出版社， 2002.

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