合成氨裝置氮氫氣壓縮機級間氣體余熱利用研究

馬鳳蘭，孟祥睿，劉　宏，毛文睿，魏新利

(1.鄭州市安全生產(chǎn)教育中心　河南鄭州　450006；2.熱能系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與裝備教育部工程研究中心　河南鄭州　450001；3.鄭州大學化工與能源學院　河南鄭州　450001)

?

合成氨裝置氮氫氣壓縮機級間氣體余熱利用研究

馬鳳蘭1，孟祥睿2，3，劉宏2，3，毛文睿2，3，魏新利2，3

(1.鄭州市安全生產(chǎn)教育中心河南鄭州450006；2.熱能系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)與裝備教育部工程研究中心河南鄭州450001；3.鄭州大學化工與能源學院河南鄭州450001)

針對合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)，提出了回收氮氫氣壓縮機級間氣體余熱的工藝技術(shù)新方案。該方案以回收的氮氫氣壓縮機級間氣體余熱來驅(qū)動溴化鋰吸收式制冷機制取冷水，再用冷水冷卻壓縮機一入氣體，達到降低壓縮工段能耗、提高生產(chǎn)效率的目的。通過對240 kt/a合成氨生產(chǎn)裝置壓縮工段的研究表明：該方案可節(jié)省近2/3的循環(huán)冷卻水用量；在同等耗電量的情況下，壓縮機打氣量將增加9 156 m3/h(標態(tài))，折合氨產(chǎn)量2.1 t/h以上，噸氨電耗可降低約115 kW·h；新方案的投資回收期約為7.5個月。

余熱利用氮氫氣壓縮機級間氣體溴化鋰吸收式制冷經(jīng)濟性分析

在合成氨生產(chǎn)中，氮氫氣壓縮機(以下簡稱壓縮機)的能耗約占合成氨車間總動力消耗的70%以上，其中有相當大的一部分以低溫廢熱的形式通過循環(huán)水帶走而散失至環(huán)境中。近年來，不少專家學者對合成氨生產(chǎn)過程中低溫余熱的利用進行了研究，如采用熱管回收煙氣余熱[1]、利用溴化鋰吸收式熱泵[2- 3]回收尿素生產(chǎn)過程中的工藝余熱制取冷水等，以提高系統(tǒng)負荷和氨產(chǎn)量，然而對壓縮機級間氣體余熱的利用鮮見公開文獻報道。本文根據(jù)河南省某企業(yè)240 kt/a合成氨生產(chǎn)裝置的基本情況，在不改變其原有生產(chǎn)工藝流程的前提下，提出了回收利用壓縮機級間氣體余熱的方案，并對其技術(shù)經(jīng)濟可行性進行了分析。

1　原工藝流程分析

原壓縮工段9#，11#和12#壓縮機組工藝流程如圖1所示。

圖1　原壓縮工段壓縮機組工藝流程

原壓縮工段3臺壓縮機入口原料氣溫度為42 ℃，原料氣經(jīng)一級壓縮后，冬季溫度在125～160 ℃，夏季溫度在145～185 ℃(表1)；一級壓縮后的原料氣經(jīng)級間換熱器冷卻降溫至約40 ℃后送至二級壓縮，溫度再次上升至120～160 ℃(冬季)，再經(jīng)級間換熱器冷卻后送三級壓縮。每級壓縮機級間換熱器中的冷卻水通過涼水塔進行循環(huán)冷卻，級間壓縮氣體的所有余熱均通過涼水塔排放至大氣中，造成了資源的浪費并污染環(huán)境。

表19#，11#和12#壓縮機組實際運行參數(shù)統(tǒng)計

項目平均溫度/℃冬季夏季壓力/MPa9#壓縮機組一級出口156.7164.90.330二級出口158.7184.90.820三級出口140.0164.42.10011#壓縮機組一級出口124.8153.80.248二級出口155.0176.60.800三級出口151.8177.92.28012#壓縮機組一級出口131.6148.40.290二級出口119.8153.90.800三級出口122.1156.62.250

對原壓縮機組工藝流程進行分析可發(fā)現(xiàn)，壓縮機一級入口(一入)氣體溫度過高，影響了壓縮機的工作效率。不同一入氣體溫度所對應(yīng)的壓縮機運行參數(shù)如表2所示。

表2不同一入氣體溫度所對應(yīng)的壓縮機運行參數(shù)

一入氣體溫度/℃打氣量/(m3·h-1,標態(tài))額定有效水蒸氣分壓/kPa水蒸氣體積分數(shù)/%1559800557491.711.62059800544092.342.33059800516454.244.13559800501405.625.44059800484317.387.14559800465939.589.2

由表2可見，當壓縮機一入氣體溫度由45 ℃降至15 ℃時，有效打氣量提高了16.4%，即降低壓縮機一入氣體溫度可有效提高壓縮機的有效打氣量。研究表明，壓縮機一入氣體溫度每降低10 ℃，有效打氣量可提高約6.5%，單位供氣量的功耗則可降低6%[4]左右。與此同時，壓縮機排氣溫度也會隨之降低，排氣閥使用壽命得以延長，從而可減少因停機檢修給企業(yè)帶來的損失。

2　新方案設(shè)計

回收利用壓縮機級間氣體余熱工藝流程如圖2所示。

圖2　回收利用壓縮機級間氣體余熱工藝流程

在該工藝流程中，壓縮機相鄰兩級之間增設(shè)1臺換熱器，來自上級壓縮的高溫氣體首先進入新增的級間換熱器，然后進入原級間換熱器。在新增級間換熱器中，高溫壓縮氣體被冷卻至100 ℃左右，冷媒脫鹽水被加熱至約95 ℃；在原級間換熱器中，高溫壓縮氣體被來自涼水塔的冷卻水進一步冷卻至40 ℃以下，然后進入下級壓縮，以此類推。匯總各新增級間換熱器中約95 ℃的脫鹽水用于驅(qū)動溴化鋰吸收式制冷機，制得的約8 ℃冷水送原料氣換熱器以冷卻壓縮機一入氣體，提高壓縮機有效打氣量。

3　分析模型的建立

文獻[5- 7]表明，采用Aspen Plus大型通用流程模擬軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對合成氨工藝流程的模擬研究，因此采用該軟件對合成氨壓縮工段進行模擬分析。

壓縮工段原料氣組分分析如表3所示，壓縮機參數(shù)如表4所示。

表3壓縮工段原料氣組分分析

項目H2N2CH4COCO2H2OO2Ar體積分數(shù)/%36.5421.130.002828.46167.036.830.00280.0028質(zhì)量分數(shù)/%3.7530.350.7141.8315.866.750.170.58

表4壓縮機參數(shù)

壓縮機型 號容積流量/(m3·min-1)9#6M32B-274/31427411#6M40-340/31434012#M-155/54155

3.1單元模型的選擇

氨合成壓縮工段及溴化鋰吸收式制冷機所涉及的單元模塊主要有換熱器模塊、流體輸送模塊和混合/分離模塊。

(1)換熱器模塊

Aspen Plus軟件提供了Heater，HeatX以及MHeatX 3種不同的傳熱單元模塊，根據(jù)模擬對象特點選擇不同的模塊。溴化鋰吸收式制冷機選用Heater模塊模擬，因為與HeatX模塊相比，Heater模塊可以對換熱器中的熱量加以規(guī)定或添加設(shè)計規(guī)定，并可對計算模塊進行條件上的限制。氨合成壓縮工段的換熱器選用HeatX模塊模擬，因為HeatX在模擬2股物流逆流或并流時的熱量交換過程較優(yōu)秀，并可進行簡捷計算或詳細計算。

(2)流體輸送模塊

Aspen Plus軟件提供了Pump，Compr，MCompr，Valve，Pipe和Pipeline 6種不同的流體輸送模塊。模擬中選用了Valve，Pipe和Pipeline 3種模塊，其中：Valve模塊用于調(diào)節(jié)壓力大小；Pipe模塊用于模擬計算通過單管段或環(huán)形空間的壓降或傳熱量；Pipeline模塊用于模擬多段不同直徑或斜度的管段串聯(lián)組成的管線。

(3)混合/分離模塊

Aspen Plus軟件提供了Mixer，F(xiàn)Split，Mult，Dupl，F(xiàn)lash和Sep 6種混合/分離模塊。除了在溴化鋰吸收式制冷機的發(fā)生器中選用Flash2模塊外，在多級壓縮模擬過程中，原料氣進入每一級壓縮機前都會經(jīng)過一個Flash2模塊，以分離出原料氣中的水蒸氣。Sep模塊用于組分分離器。

3.2物性方法的選擇

物性方法是指Aspen Plus軟件在模擬計算過程中針對流股具體成分選用適合的分析方法和計算模型。Aspen Plus軟件自身擁有2個通用的數(shù)據(jù)庫Aspen CD和DIPPR，還有數(shù)個專用數(shù)據(jù)庫[8]。

在溴化鋰吸收式制冷機模擬上選用了STEAMNBS方法和ELECNRTL方法，包含2個循環(huán)，分別是溴化鋰溶液/蒸氣的循環(huán)和水溶液/蒸汽的循環(huán)。在模擬氨合成多級壓縮時，采用了STEAMNBS方法和PENG-ROB方法。在脫鹽水循環(huán)和冷卻水循環(huán)中，工藝介質(zhì)主要是水，所以在模擬中采用較高精度的STEAMNBS方法。原料氣的主要成分是O2，N2，H2，Ar，CO2、CH4等非極性分子和H2O等極性分子，且不含電解質(zhì)，屬于典型的非極性組分和弱極性組分的混合物系，根據(jù)表示物性方法的特點，模擬中原料氣采用PENG-ROB方法表示物性。

4　模擬結(jié)果與分析

4.1原有方案的模擬與對比驗證

為驗證模型的準確性和可靠性，以原工藝流程夏季工況(入口原料氣溫度42 ℃)為輸入條件進行模擬并與實際操作記錄進行對比。原工藝流程Aspen模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)對比如表5所示。

表5原工藝流程Aspen模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)對比

項 目模擬結(jié)果溫度/℃壓力/MPa實際數(shù)據(jù)溫度/℃壓力/MPa溫度偏差/%9#壓縮機組一級出口167.30.330164.90.3301.45二級出口184.10.820184.90.8200.43三級出口165.72.100164.42.1000.7911#壓縮機組一級出口157.20.248153.80.2482.21二級出口178.00.800176.60.8000.79三級出口182.22.280177.92.2802.4012#壓縮機組一級出口149.20.290148.40.2900.54二級出口161.80.800153.90.8005.13三級出口165.72.250156.62.2505.81

由表5可見，模擬結(jié)果與實際操作數(shù)據(jù)之間的溫度偏差在6%以內(nèi)，表明采用Aspen Plus軟件對多級壓縮建立的模擬模型是準確可靠的。

4.2新方案的模擬分析

采用Aspen Plus軟件對新工藝流程進行分析模擬，新壓縮工段入口原料氣輸入?yún)?shù)如表3所示，各壓縮機模擬計算結(jié)果如表6所示。

表6新壓縮工段各壓縮機模擬計算結(jié)果

項 目9-COM-19-COM-29-COM-311-COM-111-COM-211-COM-312-COM-112-COM-212-COM-3入口氣體壓力/MPa0.120.290.780.120.210.760.120.250.76入口氣體溫度/℃254040254040254040指示功率/kW759.85816.45739.35702.441113.44961.54349.67444.17384.77出口氣體壓力/MPa0.330.822.100.250.802.280.290.802.25出口氣體溫度/℃157.8186.5170.6124.6196.6177.4131.9151.6158.9

注：1)9-COM-1指9#壓縮機組一級壓縮，9-COM-2指9#壓縮機組二級壓縮，以此類推。

在冷卻水循環(huán)所涉及的換熱器(熱流體溫度從100 ℃下降至40 ℃，冷流體溫度從32 ℃上升至38 ℃)中，計算類型統(tǒng)一選擇“Design”，換熱器選項中一律規(guī)定“Hot stream outlet temperature”的值為40 ℃(為了保證換熱后原料氣能以40 ℃進入下一級壓縮)，每臺換熱器的壓力降設(shè)定為0.02 MPa，則計算結(jié)果如表7所示。

在溴化鋰吸收式制冷機脫鹽水循環(huán)所涉及的換熱器(熱流體由壓縮機排出后經(jīng)換熱降溫至100 ℃左右，脫鹽水溫度由約85 ℃上升至約95 ℃)中，計算類型統(tǒng)一選擇“Design”，換熱器選項中一律規(guī)定“Hot stream outlet temperature”的值為100 ℃，每臺換熱器的壓力降設(shè)定為0.02 MPa，則所得模擬計算結(jié)果如表8所示。

表7級間冷卻水循環(huán)換熱器模擬計算結(jié)果

項 目9-H1-29-H2-29-H3-211-H1-211-H2-2冷卻水質(zhì)量流量/(kg·s-1)14.58818.53415.35716.88122.831冷卻水體積流量/(m3·s-1)0.0150.0190.0150.0170.023冷卻水物質(zhì)的量流量/(kmol·s-1)0.8101.0290.8520.9371.267熱負荷/W366108465087385355423584572966換熱面積(K=200W·m-2·℃-1)/m252.366.555.060.581.9殼程溫度變化/℃100/40100/40100/40100/40100/40管程溫度變化/℃32/3832/3832/3832/3832/38殼程出口氣相物質(zhì)的量分數(shù)0.9970.9860.9950.9990.986項 目11-H3-212-H1-212-H2-212-H3-2總計冷卻水質(zhì)量流量/(kg·s-1)19.1927.8337.9708.889132.704冷卻水體積流量/(m3·s-1)0.0190.0080.0110.0090.136冷卻水物質(zhì)的量流量/(kmol·s-1)1.0650.4350.5880.4937.476熱負荷/W4815901965642656482230643379966換熱面積(K=200W·m-2·℃-1)/m268.828.038.031.9482.9殼程溫度變化/℃100/40100/40100/40100/40管程溫度變化/℃32/3832/3832/3832/38殼程出口氣相物質(zhì)的量分數(shù)0.9950.9990.9860.995

注：1)9-H1-2指9#壓縮機組一級壓縮級間的第2臺換熱器，9-H2-2指9#壓縮機組二級壓縮級間的第2臺換熱器，以此類推。

表8級間溴化鋰吸收式制冷機循環(huán)換熱器模擬計算結(jié)果

項 目9-H1-19-H2-19-H3-111-H1-111-H2-1冷卻水質(zhì)量流量/(kg·s-1)3.9755.6754.8392.0878.265冷卻水體積流量/(m3·s-1)0.0040.0060.0050.0020.008冷卻水物質(zhì)的量流量/(kmol·s-1)0.2210.3150.2690.1160.459熱負荷/W333782476532406344175263572966換熱面積(K=200W·m-2·℃-1)/m247.768.058.025.081.9殼程溫度變化/℃157.8/100.0182.1/100.0170.6/100.0124.6/100.0196.6/100.0管程溫度變化/℃75/9575/9575/9575/9575/95殼程出口氣相物質(zhì)的量分數(shù)1.0001.0001.0001.0001.000項 目11-H3-112-H1-112-H2-112-H3-1總計冷卻水質(zhì)量流量/(kg·s-1)6.5621.2552.9712.31537.943冷卻水體積流量/(m3·s-1)0.0070.0010.0030.0020.038冷卻水物質(zhì)的量流量/(kmol·s-1)0.3640.0700.1650.1282.107熱負荷/W5510611053852495281943793065240換熱面積(K=200W·m-2·℃-1)/m278.715.025.627.8437.9殼程溫度變化/℃177.4/100.0131.9/100.0175.0/100.0158.9/100.0管程溫度變化/℃75/9575/9575/9575/95殼程出口氣相物質(zhì)的量分數(shù)1.0001.0001.0001.000

注：1)9-H1-1指9#壓縮機組一級壓縮級間的第1臺換熱器，9-H2-1指9#壓縮機組二級壓縮級間的第1臺換熱器，以此類推。

由表8可知，級間溴化鋰吸收式制冷機循環(huán)換熱器能提供95 ℃脫鹽水37.943 kg/s，計算后可知其提供的熱量約3 182 kW。

4.3模擬結(jié)果分析

原工藝流程原料氣入口流量為10.68 kg/s，入口氣體溫度為42 ℃，整個流程所需32 ℃冷卻水量為311.366 kg/s。

采用新工藝流程后，在入口原料氣流量不變的情況下，新增設(shè)的溴化鋰吸收式制冷機可制得溫度約為8 ℃的冷水流量為112.303 kg/s，超過原料氣換熱器所需冷水量(60.271 kg/s)，并在充分滿足原料氣換熱器需求后還有52.032 kg/s的余量，可以供企業(yè)內(nèi)部其他用冷處使用。如將多余的冷水加入32 ℃循環(huán)冷卻水中，則壓縮工段對32 ℃循環(huán)冷卻水的需求量將由原工藝流程的311.366 kg/s下降至97.449 kg/s，即與原工藝流程相比，新工藝流程的壓縮工段可節(jié)省循環(huán)冷卻水用量68.7%。

5　新方案經(jīng)濟性分析

新工藝流程與原工藝流程的經(jīng)濟性分析對比可從以下幾個方面進行：①新工藝流程節(jié)約的32 ℃循環(huán)冷卻水用量及成本；②因原料氣入口溫度降低而提高了壓縮機的效率，并由此產(chǎn)生的經(jīng)濟效益；③新流程中因增加設(shè)備(如溴化鋰吸收式制冷機、級間換熱器等)所需的購置成本；④新增設(shè)備的運行成本。

5.1冷卻循環(huán)水用量及成本

在扣除溴化鋰吸收式制冷機所需的循環(huán)冷卻水量后，新工藝流程比原流程節(jié)水79.224 kg/s。按循環(huán)水成本3.5元/t計，可節(jié)約循環(huán)冷卻水成本998元/h。

由于新工藝流程只在氣溫較高的季節(jié)投用，按年運行6個月、每個月30 d計，則新工藝流程可為企業(yè)節(jié)約循環(huán)冷卻水費用431.23萬元/a。

5.2壓縮機效率提高而產(chǎn)生的經(jīng)濟效益

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，壓縮機進口溫度每降低10 ℃，壓縮機有效打氣量可提高6.5%左右，單位供氣量功耗降低6%左右。則在同等耗電量的情況下，新工藝流程供氣量增加9 156 m3/h(標態(tài))，折合氨產(chǎn)量在2.1 t/h以上，噸氨電耗降低約115 kW·h，年節(jié)電約7 180 000 kW·h(在氣溫較高的季節(jié)使用)，約合315.92萬元/a。

5.3新增設(shè)備成本

(1)新增溴化鋰吸收式制冷機花費資金約180.00萬元。

(2)新增9臺級間換熱器和1臺原料氣換熱器，按級間換熱器10.00萬元/臺、原料氣換熱器55.00萬元/臺計，共計145.00萬元。

(3)連接所用的管道、閥門、彎頭、保溫層等按20.00萬元計。

(4)安裝、施工、調(diào)試費用按總費用的15%計，即51.75萬元。

則新增設(shè)備成本共計約396.75萬元。

5.4新增設(shè)備運行成本

(1)按溴化鋰吸收式制冷機功率250 kW、每臺循環(huán)水泵功率5 kW、年工作運行6個月、每個月30.5 d、電價0.56元/(kW·h)計，則4臺循環(huán)水泵與溴化鋰吸收式制冷機共需耗費電量約1 185 840 kW·h，共計電費約66.40萬元/a。

(2)溴化鋰吸收式制冷機內(nèi)保有的溴化鋰溶液費用按3.00萬元/a計。

(3)溴化鋰吸收式制冷機內(nèi)保有的冷水(8～13 ℃)費用按2.00萬元/a計。

(4)設(shè)備運行中所需要的維護費用按照20.00萬元/a計。

(5)新工藝流程中循環(huán)脫鹽水(75～95 ℃)原始成本按8.00萬元/a計。

則新增設(shè)備年運行成本共計約99.40萬元,費用匯總?cè)绫?所示。

表9費用匯總

項 目費用1)/(萬元·a-1)節(jié)約冷卻循環(huán)水的成本+431.23壓縮機效率提高而帶來的經(jīng)濟效益+315.92新增設(shè)備成本-396.75新增設(shè)備運行成本-99.40

注：1)+表示經(jīng)濟效益提高，-表示增加的成本和費用。

由表9可知，投資回成期約0.61年，折合7.4個月。

6　結(jié)語

采用Aspen plus軟件，對240 kt/a合成氨裝置壓縮工段級間氣體余熱回收利用方案進行了技術(shù)可行性研究，并對其經(jīng)濟可行性進行了初步分析，得到的主要結(jié)論如下。

(1)利用合成氨裝置氮氫氣壓縮機級間氣體余熱驅(qū)動溴化鋰吸收式制冷機組制取冷水，再用制得的8 ℃冷水冷卻壓縮機入口原料氣，該工藝技術(shù)方案在技術(shù)和經(jīng)濟上是可行的。

(2)通過對目標企業(yè)3臺壓縮機組前三級壓縮的模擬分析，與原工藝流程相比，新工藝流程節(jié)省循環(huán)冷卻水用量68.7%；在同等耗電量的情況下，壓縮機打氣量增加9 156 m3/h(標態(tài))，折合氨產(chǎn)量2.1 t/h以上，噸氨電耗降低約115 kW·h。

(3)通過對目標企業(yè)3臺壓縮機組的經(jīng)濟性分析可知，新工藝技術(shù)方案的投資回收期約為7.4個月，經(jīng)濟效益顯著。

[1]王璐，閆潤生.熱管技術(shù)在中低溫煙氣余熱回收中的應(yīng)用[J].工業(yè)鍋爐，2014(1)：36- 38.

[2]溫志梅.余熱-地熱源溴化鋰吸收式熱泵機組研究[D].唐山：河北聯(lián)合大學，2012.

[3]王江，趙治泉.溴化鋰制冷技術(shù)在氨合成系統(tǒng)中的運用[J].中氮肥，2013(3)：14- 15.

[4]魏新利，湯本凱.降低壓縮機吸氣溫度對排氣量和功耗的影響分析[J].化肥工業(yè)，2012(3)：29- 32.

[5]陳倩倩.合成氨反應(yīng)器及工藝流程的模擬計算[D].上海：華東理工大學，2011.

[6]王定標，張榮，向颯，等.氨合成工段過程模擬與優(yōu)化[J].鄭州大學學報(工學版)，2009(4)：48- 52.

[7]楊玉和，徐顯明，李方偉，等.合成氨系統(tǒng)反應(yīng)溫度對能耗影響模擬研究[J].天然氣化工，2005(6)：19- 22.

[8]孫蘭義.化工流程模擬實訓(xùn)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

Study of Waste Heat Utilization of Nitrogen Hydrogen Compressor Interstage Gas of Synthetic Ammonia Plant

MA Fenglan1, MENG Xiangrui2,3, LIU Hong2,3, MAO Wenrui2,3, WEI Xinli2,3

(1.Zhengzhou Safety Production Education CenterHenan Zhengzhou450006；2.Ministry of Education Engineering Research Center of Thermal System Energy Saving Technology and EquipmentHenan Zhengzhou450001； 3.School of Chemical Engineering and Energy, Zhengzhou UniversityHenan Zhengzhou450001)

In connection with synthetic ammonia production system, a new process technology scheme to recover waste heat of nitrogen hydrogen compressor interstage gas is proposed. The scheme, which uses the recovered waste heat of nitrogen hydrogen compressor interstage gas to drive lithium bromide absorption refrigerator to make cooling water, then the cooling water is used to cool primary entrance gas of compressor, can achieve the aim of reducing energy consumption of compression section and improving productivity. Study results of compression section of 240 kt/a synthesis ammonia production plant indicates that this scheme can save nearly 2/3 of circulating cooling water; under same power consumption, the capacity of the compressor will increase 9 156 m2/h (standard conditions), converted into ammonia output it is above 2.1 t/h, power consumption per ton of ammonia can decrease about 115 kW·h; investment recovery period of the new scheme is approximately 7.5 months.

waste heat utilizationnitrogen hydrogen compressorinterstage gaslithium bromide absorption refrigerationeconomic analysis

馬鳳蘭(1964—)，煤田地質(zhì)與勘探工學學士，工程師。

X706

A

1006- 7779(2016)04- 0033- 07

2016- 05- 05)