NHD改造項(xiàng)目制冷技術(shù)方案選擇

郭晶晶

（中國石化集團(tuán)寧波工程有限公司，浙江寧波 315103）

在煤化工裝置中，常用的凈化方式主要有酸性氣體脫除技術(shù)和NHD 技術(shù)，均需要制冷系統(tǒng)為工藝提供冷量。酸性氣體脫除法工藝技術(shù)成熟，操作費(fèi)用低，在工業(yè)上有著廣泛應(yīng)用，某項(xiàng)目為解決NHD 能耗高、現(xiàn)場異味大等問題，將凈化裝置改造為酸性氣體脫除工藝，所需的冷量發(fā)生變化，選用投資省、消耗低、運(yùn)行安全的制冷方式對(duì)降低生產(chǎn)成本具有重要意義。本文依托該改造項(xiàng)目，對(duì)氨吸收制冷、氨壓縮制冷與丙烯壓縮制冷進(jìn)行比較，從而為制冷系統(tǒng)的選擇提供依據(jù)。

1 制冷技術(shù)簡介

制冷的方法有多種，在制冷技術(shù)和低溫技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是機(jī)械制冷，如壓縮制冷、吸收式制冷、蒸汽噴射式制冷等。

1.1 氨吸收制冷

氨吸收制冷是通過由吸收、精餾、冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)等組成的制冷循環(huán)，為用戶提供冷量。氨吸收制冷工藝以氨為制冷劑，水為吸收劑，利用水對(duì)氨的良好吸收效果，將蒸發(fā)器中蒸發(fā)出的氨氣吸收下來，形成氨水溶液，再根據(jù)氨和水在加壓條件下沸點(diǎn)差較大的特點(diǎn)，將氨水溶液通過2 級(jí)加壓精餾的方法獲得99.98% 的氣氨，再經(jīng)冷凝得到液氨后循環(huán)利用。

氨吸收制冷工藝在我國的一些化工化肥企業(yè)廣泛應(yīng)用，如哈爾濱氣化廠、中煤龍化、義馬氣化、兗礦國泰、云南解化等。從目前運(yùn)行效果來看，隨著企業(yè)設(shè)備和操作水平的改進(jìn)與提高，該項(xiàng)技術(shù)正逐步趨于穩(wěn)定和成熟。

1.2 壓縮制冷

壓縮制冷是將制冷劑通過制冷壓縮機(jī)及輔機(jī)由壓縮、冷凝、節(jié)流膨脹、蒸發(fā)4 個(gè)過程組成制冷循環(huán)，為用戶提供冷量。

壓縮制冷因具有流程簡單、工藝成熟等特點(diǎn)而被普遍應(yīng)用于石油化工、煤化工領(lǐng)域。在-60～0℃制冷領(lǐng)域中，工業(yè)上普遍采用氨、丙烯、丙烷等中溫制冷劑。氨制冷常用于合成氨項(xiàng)目，丙烯制冷常用于煤制烯烴、煤制甲醇項(xiàng)目。目前，壓縮制冷工藝主要有兩種，一種是采用螺桿壓縮機(jī)組，適用于小制冷量，制冷溫度較高的情況，采用電驅(qū)動(dòng)，投資較低。另外一種是離心壓縮機(jī)組，適用于大型且復(fù)雜的制冷工況，一般采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)[4]。

2 制冷方案技術(shù)選擇

2.1 氨吸收制冷利舊的可行性分析

2.1.1 吸收制冷的改造分析

該項(xiàng)目制冷系統(tǒng)采用兩套氨吸收制冷并聯(lián)，為NHD 脫硫脫碳工藝提供-15℃冷量，凈化裝置改造為酸性氣體脫除工藝后需要-40℃冷量。從工藝原理上，通過對(duì)氨吸收制冷局部設(shè)備、管道系統(tǒng)進(jìn)行改造是可利舊原氨吸收制冷系統(tǒng)的。

煤制氫裝置氨吸收制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)制冷能力為11600kW。精餾塔出來的1.59MPa、40℃的氨氣通過冷卻器、冷凝器與循環(huán)水換熱被冷凝后進(jìn)入液氨貯槽。從液氨貯槽出來的液氨在過冷器中與從NHD 來的-15℃的冷氨氣進(jìn)行換熱，液氨由40℃被冷卻到17℃后送至NHD 裝置提供冷量，冷氨氣被加熱至23.6℃送入氨吸收器。

NHD 改為酸性氣體脫除工藝后，所需的冷量正常為4400kW（最大為5600kW）。因?yàn)樗嵝詺怏w脫除工藝需求-40℃的冷量，因此，從液氨貯槽出來的40℃的液氨需要與從酸性氣體脫除來的-40℃的氨氣換熱，液氨由40℃被冷卻到17℃后送至酸性氣體脫除提供冷量，冷氨氣被加熱至6℃送入氨吸收器。改造前后消耗對(duì)比詳見表1。

表1 氨吸收制冷改造前后消耗對(duì)比表

由表1可以看出，由于液氨循環(huán)量大幅降低，改造后的循環(huán)水和電的消耗均遠(yuǎn)低于改造前。由于改造后-40℃的氨換熱后只有6℃（改造前為23.6℃），為保證精餾塔正常運(yùn)行，需要補(bǔ)入大量的低壓蒸汽，因此蒸汽量降低不多。總體而言，改為酸性氣體脫除工藝造后，氨吸收制冷的能耗降低15%。

目前現(xiàn)場未設(shè)置氨火炬系統(tǒng)，現(xiàn)場僅設(shè)置40m 高排放筒，事故工況、安全閥起跳，大量氨氣泄放不能達(dá)到環(huán)保要求，需新建氨火炬。由于液氨改為與-40℃的氨氣換熱，過冷器的設(shè)計(jì)溫度需要由原來-19℃改為-48℃，因此需要將過冷器及相連接的管道系統(tǒng)重新替換，增加大量投資。

2.1.2 壓縮制冷與氨吸收制冷能耗對(duì)比

對(duì)比基礎(chǔ)按照改造后4400kW 的-40℃冷量，壓縮制冷暫按比較常用的丙烯壓縮制冷方案。如表2所示。

表2 丙烯壓縮機(jī)、氨吸收制冷的公用工程消耗對(duì)比表

從表2可以看出，壓縮制冷能耗比氨吸收制冷能低～44%。

綜合上述原因，本項(xiàng)目不考慮利舊原氨吸收制冷系統(tǒng)，新建一套壓縮制冷系統(tǒng)。

2.1.3 制冷壓縮機(jī)的機(jī)型比選

目前制冷壓縮機(jī)機(jī)型主要考慮螺桿式或離心式壓縮機(jī)，針對(duì)本項(xiàng)目壓縮機(jī)機(jī)型比選如表3所示。

表3 螺桿制冷壓縮機(jī)與離心制冷壓縮機(jī)對(duì)比表

從表3對(duì)比來看，針對(duì)本項(xiàng)目，螺桿壓縮機(jī)需設(shè)置兩臺(tái)+1臺(tái)備用，離心壓縮機(jī)設(shè)置一臺(tái)即可。螺桿壓縮機(jī)軸功率較離心壓縮機(jī)略大，但效率相對(duì)較低，從運(yùn)行可靠性來說，離心式壓縮機(jī)運(yùn)行較可靠。雖然螺桿式壓縮機(jī)一次投資較便宜，針對(duì)本項(xiàng)目，采用螺桿壓縮機(jī)比離心壓縮機(jī)可節(jié)省一次投資700萬元左右。但是螺桿壓縮機(jī)易損件較多，維護(hù)成本較高，且需要設(shè)置備用機(jī)組。另外，三臺(tái)螺桿壓縮機(jī)并列布置，占地面積遠(yuǎn)大于一臺(tái)離心壓縮機(jī)的占地面積。

從運(yùn)行穩(wěn)定性、裝置長期操作成本及占地面積方面考慮，本次制冷壓縮機(jī)考慮采用離心壓縮機(jī)。

2.2 氨壓縮制冷與丙烯壓縮制冷對(duì)比

2.2.1 丙烯壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

氨壓縮機(jī)壓比較大，且氨的絕熱指數(shù)比丙烯大，氨壓縮后升溫較快。為了控制氨壓縮機(jī)每級(jí)出口溫度、提高壓縮機(jī)效率，氨壓縮機(jī)選擇三級(jí)離心式壓縮機(jī)并設(shè)置級(jí)間冷卻器；丙烯壓縮機(jī)的壓比較小，采用兩級(jí)壓縮，一段出口溫度較低，不需設(shè)置級(jí)間冷卻器。

由表4可以看出，氨壓縮制冷工藝中氨蒸發(fā)器至壓縮機(jī)一段入口在負(fù)壓下操作，如果空氣等不凝氣體進(jìn)入，將導(dǎo)致整個(gè)制冷系統(tǒng)的效率降低，操作成本增加；氨壓縮機(jī)各段出口氨氣溫度較高，冷卻介質(zhì)采用循環(huán)水容易造成換熱器冷側(cè)結(jié)垢，從而影響換熱效果，增加循環(huán)水消耗。

表4 丙烯壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)的技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

2.2.2 消耗對(duì)比

正常工況下丙烯壓縮制冷及氨壓縮制冷公用工程消耗對(duì)比如表5所示。

表5 丙烯壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)的公用工程消耗對(duì)比表

雖然氨壓縮制冷的氨循環(huán)量較低，但是氨壓縮的壓縮比大于丙烯壓縮，最終丙烯壓縮的低壓蒸汽、循環(huán)水消耗略低于低壓蒸汽，丙烯壓縮制冷的總體消耗低于氨壓縮制冷。

2.2.3 可利用公輔設(shè)施對(duì)比

2.2.3.1 丙烯壓縮制冷

煤制氫裝置目前設(shè)置了煤制氫裝置火炬，但丙烯壓縮制冷在事故工況下丙烯排放量為100t/h，由于其熱值大，目前煤制氫火炬不能滿足要求，需要新建一套丙烯火炬或者是對(duì)現(xiàn)有火炬進(jìn)行改造。

新建丙烯火炬投資約450萬元，且需要較大的占地面積，不是最優(yōu)方案。煤制氫火炬高75m，與周邊建筑距離也能滿足安全距離要求，只需在煤制氫檢修、大修期間對(duì)其火炬頭進(jìn)行改造，增加消煙功能，投資僅需180萬元。

2.2.3.2 氨壓縮制冷

原吸收制冷系統(tǒng)在儲(chǔ)罐區(qū)配置了液氨儲(chǔ)罐，外供液氨通過槽車輸送，因此改為氨壓縮制冷后無需新建液氨儲(chǔ)罐。

原氨吸收制冷系統(tǒng)未設(shè)置氨火炬，現(xiàn)場僅設(shè)置40m 高排放筒，氨大量泄放時(shí)不能滿足環(huán)保要求，因此需要新建氨火炬管網(wǎng)、火炬系統(tǒng)。氨火炬頭還要考慮伴燒氣的設(shè)置，導(dǎo)致整個(gè)火炬系統(tǒng)的設(shè)置、操作及維護(hù)等更加復(fù)雜。氨火炬不能利用煤制氫火炬，需單獨(dú)新建安火炬系統(tǒng)投資約150萬元，相比丙烯壓縮制冷方案改造火炬投資低30萬元。

2.2.4 投資對(duì)比

氨壓縮機(jī)是三段壓縮，因此氨壓縮機(jī)的價(jià)格比較高，另外換熱器和分離器的數(shù)量均比丙烯壓縮多，因此丙烯壓縮制冷比氨壓縮制冷方案投資低。如表6所示。

表6 丙烯壓縮機(jī)、氨壓縮機(jī)的投資對(duì)比表

2.2.5 其他方面對(duì)比

（1）節(jié)能方面，丙烯壓縮機(jī)由于是單缸，機(jī)械損失更小，所以耗功更小一些；

（2）占地面積，丙烯壓縮機(jī)單缸壓縮，整機(jī)組占地面積更小；

（3）靜設(shè)備數(shù)量：從一段入口分離器開始到出口冷卻器為止，丙烯壓縮機(jī)組中間冷卻器數(shù)量少2個(gè)，對(duì)比氨壓縮制冷，丙烯壓縮制冷系統(tǒng)更簡潔一些，工藝管道也少一些。

（4）對(duì)于氨壓機(jī)，低壓缸采用6 級(jí)壓縮，高壓缸采用8 級(jí)壓縮，以滿足壓比分配的要求，相對(duì)于丙烯6 級(jí)壓縮的方案，氨壓縮機(jī)高壓缸軸系較長，轉(zhuǎn)子力學(xué)穩(wěn)定性方面不如丙烯壓縮機(jī)。

綜上所述，從環(huán)保、設(shè)備投資、占地面積、運(yùn)行維護(hù)等方面，丙烯壓縮制冷方案比氨壓縮制冷方案更優(yōu)。

3 結(jié)束語

1）通過對(duì)這幾種制冷工藝的綜合分析和比較，針對(duì)本NHD 改造項(xiàng)目，最終選用投資省、消耗低、運(yùn)行安全的丙烯壓縮制冷作為該項(xiàng)目的配套制冷系統(tǒng)。

2）氨吸收制冷工藝和壓縮制冷工藝都是目前煤化工合成氨裝置廣泛采用的較好的制冷方式，具體采用何種方式的制冷技術(shù)還需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況全面考慮決定。一般來說，采用氨吸收制冷工藝，可充分利用回收的余熱，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。壓縮制冷綜合性能更好，可優(yōu)先選用離心式壓縮機(jī)。對(duì)于流程中有大量低位熱能或者低壓蒸汽找不到用途時(shí)，氨吸收制冷工藝才顯示其優(yōu)越性。

3）對(duì)于制冷劑的選擇，應(yīng)根據(jù)制冷規(guī)模進(jìn)行消耗、投資等技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，同時(shí)結(jié)合制冷劑的來源情況選擇最優(yōu)化的設(shè)計(jì)和最經(jīng)濟(jì)的方案。