降溫降阻在合成氨生產裝置中的應用

朱之明

（晉能控股裝備制造集團天源山西化工有限公司，山西 高平 048400）

晉能控股裝備制造集團天源山西化工有限公司（簡稱天源公司）現有2 套18 萬t/a 合成氨生產裝置，其主要工藝流程為傳統的小氮肥工藝，造氣裝置生產出的合格的半水煤氣經一級靜電除塵、羅茨風機加壓、半水煤氣脫硫、二級靜電除塵后，由原料氣壓縮機加壓送凈化、合成工段生產產品。經過幾年的節能挖潛升級改造后，生產裝置運行趨于穩定，增產減耗取得大幅進步。但在實際運行過程中，仍存在局部工段半水煤氣運行溫度偏離設計指標、系統阻力高，并且冬季產量比夏季減少10%。要想保證運行指標在設計范圍內及產量穩定，必須保證羅茨風機及原料氣壓縮機的打氣量，而影響打氣量最重要的因素就是半水煤氣溫度和系統阻力偏高。筆者以天源公司合成氨生產裝置最優運行數據為依據，對生產中半水煤氣溫度和系統阻力偏高進行了原因分析，現將技術改造情況介紹如下。

1 合成氨生產裝置改造前的運行數據和存在問題

改造前各工段半水煤氣實際運行溫度與設計溫度對比見表1，各工段系統運行阻力見表2。由表1 可知，造氣余熱回收器出口半水煤氣溫度180 ℃、造氣煤氣冷卻器出口半水煤氣溫度55 ℃、半脫洗滌塔出口半水煤氣溫度45 ℃、原料氣壓縮機進口半水煤氣溫度30 ℃，均高于設計值。由表2 可知，整個生產裝置的系統阻力主要集中在煤鼓電除塵工段、原料氣壓縮機工段、變換工段。

表1 改造前各工段半水煤氣實際運行溫度與設計溫度對比 ℃

表2 改造前各工段系統運行阻力kPa

2 改造方案

2.1 系統阻力偏高

2.1.1 煤鼓電除塵工段

天源公司共有兩級煤鼓電除塵裝置，各8 臺，均并聯運行。在實際生產過程中，因兩級煤鼓電除塵裝置均運行超過16 a，存在設備老化問題，雖然前期對電除塵設備內部結構進行了升級改造，但除塵效果仍較差，導致該工段系統阻力偏大，后工段原料氣壓縮機水冷器、變換溴化鋰換熱器頻繁堵塞，清洗頻次從原設計的1 年1 次縮短到約1～2 個月1 次，清洗期間，系統需減負荷運行，對生產系統的穩定運行造成較大的影響。

為解決煤鼓電除塵工段除塵效果差及系統阻力大的問題，天源公司增加了1 臺一級靜電除塵裝置和1 臺二級靜電除塵裝置，增加的裝置與原有裝置并聯運行，從而降低了原有設備的處理氣量，在保證除塵效果的同時，降低了系統阻力。

改造后，煤鼓電除塵工段系統阻力降低了1 kPa，除塵效果明顯提高，后工段原料氣壓縮機水冷器、變換溴化鋰換熱器的清洗頻率由1～2 個月1 次延長到5～6 個月1 次。

2.1.2 原料氣壓縮機工段

天源公司原料氣壓縮機工段共有9 臺原料氣壓縮機，該工段阻力主要集中在三、四段水冷器及原料氣壓縮機四段出口管線。為了解決原料氣壓縮機工段系統阻力偏大的問題，更換了5 臺原料氣壓縮機三、四段水冷器，三段水冷器換熱面積由116 m2擴容至180 m2，四段水冷器換熱面積由108 m2擴容至150 m2。將替換下來的三、四段水冷器安裝到剩余4 臺原料氣壓縮機上，與原有三、四段水冷器并聯運行。此外，經計算壓縮機四段出口管線氣體流速在15 m/s，超出了經濟流速12 m/s，所以壓縮機四段出口管線阻力產生的原因是管道偏細，天源公司對壓縮機四段出口管道進行了更換，管徑由159 mm 增加到273 mm。

改造后，原料氣壓縮機出口半水煤氣溫度降低了3 ℃～5 ℃，原料氣壓縮機工段系統阻力由140 kPa 降低到70 kPa。

2.1.3 變換工段

天源公司變換工段采用全低變耐硫變換工藝，進口設置有溴化鋰換熱器，用于降低變換進口半水煤氣溫度。因溴化鋰換熱器偏小，換熱效果差，導致變換進口半水煤氣溫度偏高，氣體膨脹產生阻力。溴化鋰換熱器進口至油分離器進口阻力約20 kPa。為解決變換工段阻力問題，天源公司對變換進口溴化鋰換熱器進行了擴容改造，換熱器面積由105 m2增加到715 m2。

改造后，溴化鋰換熱器出口半水煤氣溫度由45 ℃降低到25 ℃，變換工段阻力降低了10 kPa。

2.2 半水煤氣溫度偏高

在生產過程中，半水煤氣溫度偏高直接影響整套生產裝置的生產效率，降低半水煤氣溫度是煤化工生產降本增效最有效的手段之一。引起半水煤氣溫度偏高的主要原因是各工段循環水冷卻上水（主要包括造氣循環水、半脫循環水、合成循環水）和水冷器冷卻水溫度偏高。

2.2.1 造氣循環水、半脫循環水溫度偏高

在夏季高溫天氣，天源公司造氣循環水冷卻上水溫度為44 ℃，半脫循環水冷卻上水溫度為32 ℃。為降低造氣循環水冷卻上水溫度，天源公司新增1 套1 200 m3/h 的循環水裝置，與現有造氣循環水裝置并聯使用。為降低半脫循環水冷卻上水溫度，新增1臺1 000 m3/h 的循環水裝置，與現有半脫循環水裝置并聯使用。

改造后，夏季造氣循環水冷卻上水溫度由44 ℃降低到40 ℃，造氣余熱回收器出口半水煤氣溫度由180 ℃下降至150 ℃，造氣煤氣冷卻器出口半水煤氣溫度由55 ℃下降至40 ℃；夏季半脫循環水冷卻上水溫度由32 ℃降低到28 ℃，半脫洗滌塔出口半水煤氣溫度由45 ℃降低至40 ℃。

2.2.2 合成循環水溫度偏高

在夏季高溫天氣，天源公司合成循環水冷卻上水溫度為38 ℃，為降低合成循環水溫度，天源公司對合成循環水冷水塔8 臺冷卻風機的64 片風葉進行了改造，將玻璃鋼材質風葉改造為碳纖維材質風葉，并將風葉的寬度由0.31 m 增加到0.51 m，在冷卻風機電機功率不變的情況下，提高了冷卻風量。

改造后，合成循環水的冷卻風機風速由6.7 m/s提高到7.8 m/s，合成循環水冷卻上水溫度由38 ℃降低到35 ℃，達到了設計指標。

2.2.3 水冷器冷卻水溫度偏高

天源公司9 臺原料氣壓縮機進口各設置1 臺水冷器，其中6 臺水冷器冷卻水由1#溴化鋰裝置提供，因1#溴化鋰裝置負荷有限，剩余3 臺水冷器冷卻水采用地表水。在夏季高溫天氣，因地表水溫度偏高，造成3 臺水冷器冷卻水溫度偏高，為此天源公司新增1臺溴化鋰裝置，代替地表水為剩余3 臺原料氣壓縮機進口水冷器提供冷卻水，實現降低水冷器冷卻水溫度的目的。

改造后，原料氣壓縮機進口半水煤氣溫度由30 ℃降低到23 ℃，達到了設計指標。

3 改造效果

天源公司合成氨生產裝置通過增加除塵裝置、循環水裝置、溴化鋰裝置，更換三、四段水冷器及原料氣壓縮機四段出口管線，對進口溴化鋰換熱器進行擴容，對合成循環水冷水塔風葉的材質和寬度進行升級改造等，各工段出口半水煤氣溫度和系統阻力明顯下降，生產裝置總體產能提高約70 t/d，達到設計產能，夏季高溫天氣的合成氨產能比冬季偏低的問題得到了解決。天源公司下一步將結合全系統各單元化學反應過程中的熱量平衡繼續優化生產裝置，更好地實現節能降耗。