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(guó)際上傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩套氨制冷壓縮機(jī)，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(jī)在設(shè)備投資和運(yùn)行中的工程消耗都非常大。 為了降低我國(guó)化肥行業(yè)的建設(shè)成本，徹底擺脫我國(guó)化肥建設(shè)受制于人的狀況，沈鼓集團(tuán)圍繞大化肥裝置用氨壓縮機(jī)節(jié)能優(yōu)化、機(jī)組多次加氣設(shè)計(jì)、機(jī)組安全可靠性和葉輪材料等方面存在的系列問(wèn)題，組織進(jìn)行了大量的科研攻關(guān)，自主研制成功國(guó)內(nèi)s*套大型化肥裝置節(jié)能用制冷氨壓機(jī)組，該機(jī)組的研制成功實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和自主化設(shè)計(jì)，既用一套氨制冷壓縮機(jī)分別為低溫甲醇洗和氨合成系統(tǒng)提供冷量，也滿(mǎn)足了國(guó)家節(jié)能降耗的需要。

　　一、項(xiàng)目背景

　　中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)產(chǎn)品在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位。農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中需要氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)，尤其是氮肥對(duì)農(nóng)作物增產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。

　　我國(guó)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(gè)過(guò)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(guò)高對(duì)下游工藝影響很大，合成氣作為原料進(jìn)一步使用前 , 必須進(jìn)行凈化處理，脫除其中的H2S和CO2， 目前國(guó)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(guó)林德( Linde) 公司和魯奇( Lurgi) 公司共同研究開(kāi)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(guò)程是一個(gè)放熱的過(guò)程，而吸收需要在較低的溫度 ( -70～-40℃)下進(jìn)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(lái)自低溫甲醇洗裝置 0.07MPa、-40℃的氣氨進(jìn)入本裝置的低溫過(guò)冷器的殼程，被管程 40℃的液氨加熱到 30℃，同時(shí)液氨被冷卻到 4℃，送出低溫甲醇洗用于-40℃級(jí)制冷，需要一套氨氣離心壓縮機(jī)為其提供制冷動(dòng)力。

　　二、傳統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

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

　　綜上所述，合成尿素過(guò)程中，原料氣凈化和氨合成過(guò)程均需要外界向系統(tǒng)提供冷量，因氨是尿素生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品之一，所以一般采用氨氣作為冷劑。氨氣通過(guò)離心壓縮機(jī)壓縮至1.7MPa(A)后進(jìn)行液化，液氨輸送到換熱器進(jìn)行閃蒸制冷，氣氨重新回到壓縮機(jī)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(jī)的是分別設(shè)計(jì)的，是兩套獨(dú)立的壓縮機(jī)組，以沈鼓集團(tuán)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(jì)、制造的兩套氨氣壓縮機(jī)組為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

　　合成氨制冷壓縮機(jī)相對(duì)于低溫甲醇洗制冷壓縮機(jī)機(jī)型小一些，根據(jù)工藝參數(shù)壓縮機(jī)選型為3MCL458，機(jī)組為單缸三段八級(jí)壓縮，葉輪名義直徑為450mm，機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

　　采用兩套氨制冷壓縮機(jī)，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(jì)創(chuàng)新

　　針對(duì)這一問(wèn)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(jī)組集成為一套的想法，并與設(shè)計(jì)院一同討論了將兩個(gè)工藝流程集成的可能性，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。經(jīng)過(guò)雙方共同努力，設(shè)計(jì)院計(jì)算出了集成制冷系統(tǒng)工藝參數(shù)，詳見(jiàn)表3。

　　通過(guò)表1～表3的對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)氨氣制冷壓縮機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)比較容易。將兩套制冷氨壓機(jī)集成為一套之后，工藝系統(tǒng)復(fù)雜、流程大大加長(zhǎng)，需要冷量眾多，壓縮機(jī)過(guò)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(jī)的設(shè)計(jì)、制造都帶來(lái)相當(dāng)大的難度，系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

　　圖3 集成制冷氨壓機(jī)系統(tǒng)流程示意圖

　　氣動(dòng)方案難度大，機(jī)組既要滿(mǎn)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(xì)工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，低壓缸2MCL606，為兩段六級(jí)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(jí)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(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子跨徑比達(dá)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(huì)與經(jīng)濟(jì)效益

　　集成氨氣制冷離心壓縮機(jī)組，用一套氨壓機(jī)組實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)二套制冷壓縮機(jī)的功能，提供了大型化肥合成過(guò)程中所需的全部冷量，減少了一套壓縮機(jī)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(yùn)行維護(hù)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(jiàn)表5。

　　表5 集成式制冷壓縮機(jī)各段參數(shù)

　　離心式壓縮機(jī)至少能夠運(yùn)行20年，每年按照工作7200小時(shí)計(jì)算，采用集成制冷氨氣壓縮機(jī)每年可節(jié)約工業(yè)用電151200kW·h，工業(yè)脫鹽水3542400t，設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行節(jié)約能源相當(dāng)可觀。從表5可以看出，采用集成制冷壓縮機(jī)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(guó)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(rùn)、國(guó)電赤峰等多個(gè)大型尿素裝置，例如安徽晉煤中能化工項(xiàng)目采用此技術(shù)，2010年投入運(yùn)營(yíng)，2011年新增產(chǎn)值3.6億元，新增利稅3665萬(wàn)元。

　　五、總結(jié)

　　集成式制冷氨氣壓縮機(jī)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(jī)，具有機(jī)組高度集成、運(yùn)行安全穩(wěn)定、能源消耗低、適應(yīng)功率能力強(qiáng)、檢修維護(hù)方便等突出特點(diǎn)。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(chǎng)需要空間大，推廣前景廣闊，顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)和環(huán)境效益必將成為其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的利器。

　　參考文獻(xiàn)

　　[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(guó)石油學(xué)會(huì).API617標(biāo)準(zhǔn)：石油 化學(xué)和氣體工業(yè)用離心壓縮機(jī)[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.

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