淺析中抽式、離心式氨壓縮機在合成氨中的應用

王加速

(安徽六國化工股份有限公司, 安徽銅陵 244000)

安徽六國化工股份有限公司(簡稱六國化工)氮肥廠氨壓縮機系統是由東華科技設計院基于卡薩利1 000 t/d合成氨工藝包設計，由重慶通用集團公司生產制造。氨壓縮機系統主要為低溫甲醇洗、合成氨提供冷量，同時為六國化工本部提供磷酸二銨生產原料之一的氣氨。氨壓縮機系統裝置由汽輪機、氨壓縮機、氨冷凝器、氨分離器、段間冷卻器等設備組成。

六國化工1 000 t/d合成氨項目，包含氣化、凈化、氨合成[1]，分別采用多元料漿氣化爐加壓工藝、低溫甲醇洗和液氮洗工藝、卡薩利工藝。低溫甲醇洗工藝需要大量冷量來吸收、分離與凈化系統中的合成氣。氨合成工藝需要大量的冷量來冷凝合成氣，從而分離合成氣與液氨。以上工藝就需要設置制冷設備氨壓縮機來提供冷量。

同時，六國化工磷酸二銨生產主要采用外環流氨化噴漿造粒工藝、管式反應器—轉鼓氨化工藝、預中和—管式反應器—轉鼓氨化工藝，其生產原料之一就是氣氨。由于市場采購或氨儲存罐輸送的都是液氨，需要通過設置氨蒸發器來加熱液氨使其變成氣氨。

鑒于合成氨與磷酸二銨裝置需求，本項目自主開發一款既能滿足合成氨裝置的冷量需求，同時又能為磷酸二銨裝置提供氣氨的一種中抽式氣氨的氨壓縮機。

1 工藝流程

來自凈化甲醇洗的氣氨(工藝參數：壓力為0.07 MPa、溫度為-38.2 ℃、質量流量為10.7 t/h)，經一段入口分離器氣液分離后，進入一段壓縮；來自氨合成氣氨(0.26 MPa、-12 ℃、16.3 t/h)經氣液分離后，在氨壓縮機的低壓缸缸內與出一段氣氨(0.26 MPa、82.5 ℃、10.7 t/h)進行混合，混合后的氣氨(0.26 MPa、24.5 ℃、27.4 t/h)進入二段壓縮；二段壓縮后的氣氨(0.59 MPa、104 ℃、27.4 t/h)經過段間冷卻器冷卻之后，氣氨(0.57 MPa、40 ℃、27.4 t/h)與來自氨合成經過氣液分離的氣氨(0.57 MPa、8.1 ℃、15.7 t/h)混合；混合后的氣氨(0.57 MPa、27.7 ℃、43.1 t/h)在進入三段入口之前，中抽一部分氣氨(0.54 MPa、27.7 ℃、10 t/h)送往六國化工本部，其余部分的氣氨(0.57 MPa、22.7 ℃、33.1 t/h)進入三段壓縮。經三段壓縮后的氣氨(1.70 MPa、145 ℃、33.1 t/h)進入2個氨冷凝器(冷卻溫度至40 ℃)冷凝為液氨后送往氨儲槽。

中抽的氣氨送往磷酸二銨裝置，與磷酸進行中和反應，經過噴漿造粒、干燥、篩分、破碎等工序，生成磷酸二銨產品。

2 關鍵技術與創新點的應用

2.1 高端的氨壓縮機研發與設備制造

本創新點屬于氨壓縮機制造設備工藝方向。卡薩利為世界最先進的五大工藝包之一，與各系統匹配度高、能源調度合理，可以達到較佳使用效益，產出的產品質量好，且能源消耗較低。要達到卡薩利工藝包的設計要求，就必須配備高質量的設備與優化的操作方式。在六囯化工1 000 t/d合成氨項目中，相比常規工藝包，對離心式制冷壓縮機組技術要求更高。

整個氨制冷循環系統中的氨離心壓縮機組需要適應抽氣工況和非抽氣工況運行。非抽氣工況下，每月運行2～3次，每次8 h，高壓缸出口氣氨質量流量為43 191 kg/h。抽氣工況下，從氨離心壓縮機高壓缸進口抽出，高壓缸出口氣氨質量流量為33 191 kg/h，抽氣質量流量為10 000 kg/h，壓力為0.54～0.60 MPa，占循環流量的23.3%。以上數據可以看出高壓缸的質量流量變化較大，設計難度大。

離心式壓縮機的運行范圍一般在設計點的75%～110%[2]。考慮到防喘振的安全余量，在不開防喘振的情況下，機組的工作范圍一般下限為80%～85%。若機組按照常規設計，當機組運行在抽氣工況時，需要開啟防喘振。為了在抽氣工況下機組不開啟防喘振控制，壓縮機系統需要在設計過程中考慮擴大壓縮機運行工況范圍，并在抽氣工況下提高效率。開啟抽氣工況時，機組冷凝壓力發生變化，需要考慮抽氣后對整個冷凝系統的影響。

為了使機組能夠實現寬工況高效運行，在壓縮機設計時采取以下措施：

(1) 首級葉輪對壓縮機的工況范圍影響最大，因此在機組的每一段進氣均采用三元葉輪。三元葉輪具有效率高、變工況性能好的特點，能夠擴大壓縮機的工況范圍。

(2) 對于工況變化較大的高壓缸內的其它級葉輪出口，采用小角度安裝角使其性能曲線平坦，適應工況變化能力強。

(3) 對機組進行流體動力學(CFD)流暢分析，通過CFD模擬各種工況下機組的氣動性能，對于不利因素逐一修正，直到壓縮機能夠在足夠寬的運行范圍內保證較高效率。

(4) 除對此機組的高壓缸葉輪采取CFD模擬驗證以外，還進行了單級的模型級驗證，并根據其結果改進葉輪性能，使其能夠滿足使用要求。

(5) 由于氨制冷壓縮機組是整體系統，除了考慮壓縮機本身的性能，還需要考慮機組各段進口氣氨質量流量變化對整個系統造成的影響。當機組運行在抽氣工況時，經過冷凝器的流量減少，冷凝壓力下降，機組出口壓力也隨之降低，抽氣設計時需要考慮出口壓力變化對壓縮機的影響，將壓縮機的高效點設為抽氣后的運行點。

(6) 機組的運行范圍與防喘振線密切相關，一般防喘振線超出計算值5%～10%。為了盡可能節能，機組在現場運行一段時間后，完成防喘振線的實測，以獲得更加精確的防喘振線，保證機組的運行范圍更加精確。

不凝氣體會降低冷凝器的冷凝效果，從而使壓縮機的出口壓力升高，產生額外的功耗。為了降低不凝氣體的影響，一般在貯槽上設置排空閥來排除不凝氣體，但同時貯槽內的氨氣也會隨之排出，造成極大浪費。為了解決此問題，采用了新型不凝氣體分離裝置，使不凝氣體中的氨氣冷凝成液氨后再重新回到貯槽中。為了加強不凝氣體分離器的效果，裝置直接設置在貯槽上方，增大了不凝氣體分離器的換熱面積，降低了不凝氣體的流速，提高了換熱效果。在不凝氣體分離器與貯槽之間設置填料函，可以初步分離不凝氣體中攜帶的液氨。氣體中混有的氨氣則在通過不凝氣體分離器時被冷卻為液氨。在分離器的出口設置控制閥，可以控制不凝氣體排放速度。不凝氣體的實際冷卻效果與不凝氣體冷卻用液氨進液閥和排放閥的開度緊密相關，經過現場反復測試排放管路上不凝氣體中氨氣的含量，找到最佳的閥門控制開度，獲得適當的分離效果。

2.2 氨壓縮機與磷酸二銨工藝優化的研發

本創新點屬于化工工藝流程優化及操作方向。磷酸二銨生產工藝采用外環流氨化噴漿造粒工藝，磷酸與氣氨在外環流反應生成磷酸二銨料漿，再通過噴漿造粒、干燥、篩分等流程生產磷酸二銨產品[3]。由于市場采購或氨儲存罐輸送的都是液氨，需要把液氨轉化為氣氨才能作為生產原料，為此設置氨蒸發崗位，主要配備氨蒸發器設備，工藝流程見圖1。

經過優化后的磷酸二銨工藝，由氨壓縮機直接提供氣氨，則無需設置氨蒸發崗位。如此，既優化了工藝流程及操作，又減少了設備裝置及維護成本，降低了人工操作強度，節約了蒸汽能源消耗。

圖1 氨蒸發工藝流程

氨壓縮機一段氣氨來自低溫甲醇洗，二段、三段氣氨來自氨合成。從氨壓縮機三段進口抽一部分氣氨輸送去磷酸二銨生產，可減少氨壓縮機三段進口流量，同時降低了氨壓縮機一段、二段進口壓力。匹配氨壓縮缸體各段進氣量，降低氨壓縮機的轉速，優化氨壓縮機運行指標，有利于氨壓縮機安全平穩運行，降低氨壓縮機的功率。

2.3 氨壓縮機工藝優化的研發

本創新點屬于化工工藝流程優化及操作方向。一段進口氣氨來自低溫甲醇洗，氣氨的設計工藝參數:壓力為0.07 MPa、溫度為-38.2 ℃、質量流量為10.7 t/h。但實際生產運行中，低溫甲醇洗不需要這么多冷量，滿負荷情況下，來自低溫甲醇洗氣氨最大質量流量約為8 t/h，其流量落在氨壓縮機一段喘振區間內。要使氨壓縮機不發生喘振，一段進口必須補充氣氨，而補充的氣氨來自壓縮機三段出口，需要通過一段防喘振閥調節體積流量；同時，補充氣氨的溫度為130 ℃左右，要使其降至-38 ℃，需要根據溫度變化，調節液氨溫度控制閥閥門開度。壓縮機二段、三段的氣氨分別來自氨合成裝置中的2個氨冷凝器，其設計參數分別為0.26 MPa、-12 ℃、16.9 t/h和0.57 MPa、8.1 ℃、15.6 t/h；實際運行中，氨合成需要更多的冷量，滿負荷情況下，二段補氣氣體質量流量為18.9 t/h，三段補氣氣體質量流量為21.1 t/h，其質量流量大于設計值，導致氨壓縮機出口冷凝器超負荷，部分氣氨不能冷凝成液氨，造成壓縮機二段、三段進口和三段出口超壓。特別到夏季，循環水溫度高，氨冷凝器冷凝效果降低，三段進出口超壓特別明顯，此時系統必須減負荷生產。根據壓縮機一段流量不夠而三段進口流量超出設計值導致的壓縮超壓現象，提出工藝優化方案：把三段進口部分氣氨供給壓縮機一段，既減少了三段進口補氣量，減輕了壓縮機壓力，又減少了部分氣氨在氨壓縮機內部循環，優化了工藝流程，降低了氨壓縮機的負荷[4]。

3 效果分析

3.1 節能對比分析

由于常規離心式氨壓縮機無法在中間段進行抽氣，一般只能從氨壓縮機高壓缸出口抽氣。

夏季循環水進水溫度為33 ℃，10 000 kg氣氨消耗的氨壓縮機功率為455 kW，折合蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)耗量約為2 t/h；磷酸二銨生產節約蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)耗量為10 t/h。

冬季循環水進水溫度為25 ℃，10 000 kg氨氣在高壓缸壓縮所耗功率為371 kW，折合蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)耗量約為1.62 t/h；磷酸二銨生產節約蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)耗量為10 t/h。

為了計算方便，全年夏冬兩季各按照50%(全年為300 d)計算天數。蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)價格為160 元/ t，蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)價格為100元/t。

夏季節約蒸氣消耗的金額為： 2 t/h×24 h×150 d×160元/t+10 t/h×24 h×150 d×100元/t=475.2萬元。冬季節約蒸汽消耗的金額為： 1.62 t/h×24 h×150 d×160元/t+10 t/h×24 h×150 d×100元/ t=453.3萬元。全年節約蒸汽消耗金額總計為928.5萬元。

同時，全年節約設備維修費及人工費用為30萬元。

無不凝氣體排放裝置時，排放不凝氣體中的氨氣體積分數約為60%，通過新型分離器分離后，氨氣體積分數降為5%。機組每次排放時壓力由1.65 MPa降至1.45 MPa，持續時間為10 min，儲罐的容積為44 m3，經過計算，每次排放的不凝氣體質量約為0.680 t。經過不凝氣體分離裝置分離后能夠回收0.374 t的氨。每天排放5次，一年(300 d)能夠節約的總氨質量為561 t。以氨的價格為3 200元/t計算，節約費用為 179.52萬元。

將以上節約費用加總，每年總共節約費用為1 138.02萬元。

3.2 社會效益與間接經濟效益

氨壓縮機中抽部分氣氨，既可降低壓縮機功率，節約蒸汽能耗，又有利于壓縮機平穩運行。因此，此項目成果在設備裝置及維護、優化工藝流程、降低勞動強度、穩定工藝指標、節約能源消耗等方面具有突出的技術優勢。同時，節約蒸汽消耗，間接減少碳排放量，有利于保護環境。

4 結語

通過中抽式、離心式壓縮機設計制造及實際運行控制效果來看，既滿足了生產裝置需要，又優化了工藝流程及操作，具有良好的社會效益與經濟效益。