100 kt/a双加压稀硝酸装置的改造及优化

2014-08-21黎志敏

化工生产与技术 2014年6期

黎志敏

（杭州龙山化工有限公司，杭州311228）

近年来，双加压法硝酸以其氨耗低、铂耗低、成品酸含量高和尾气中NOx含量低等优点，逐渐成为我国硝酸行业发展的主要生产工艺，预计2015年在硝酸产能行业内的比例将达90%以上[1]。目前杭州某公司1套100 kt/a双加压法稀硝酸装置，自2010年4月投入生产运行以来，出现了如低压反应水冷器列管易泄漏、废热锅炉爆管及高温季节装置产量偏低等问题，为此进行了一系列相应的改造和优化，达到了设备稳定运行和装置节能降耗的目的。

1 低压反应水冷器改造

1.1 设备运行现状

φ1 400 mm低压反应水冷器使用2 a后，每次停车检查时发现φ25mm×2mm换热管都有不同程度的泄漏现象。在多次对管板和换热管进行焊补后，原总共822根换热管，已经焊补封堵了120余根，换热面积下降约15%，造成了设备出口的NOx温度由37℃上升到补漏后的42～45℃，而气体温度偏高会影响后续NOx压缩机的提压效率，同时部分泄漏的稀硝酸进入壳程后加速了碳钢设备和管线的腐蚀。

由于该设备的换热管材质采用304L不锈钢，总质量22 t，换热面积702m2，若调换整台设备费用需120万元以上，维修成本过高。

1.2 腐蚀原因分析

1)温差应力腐蚀。由于低压反应水冷器的换热管与管板之间采用常规的贴胀+强度焊接形式，在胀管处管壁减薄及焊接容易造成残余应力，而设备入口处的NOx气体温度高达到170℃，循环冷却水的温度约30℃，2者温度相差较大，而过大的温差应力极易造成换热管薄弱处破损。

2)高温冷凝稀酸冲刷。入口处NOx气体温度高达到160～170℃，出口为40℃左右，该气体的露点温度97℃，在冷却过程中不断有冷凝酸产出。按照理论数据及使用经验，超过70℃的冷凝稀硝酸对304L不锈钢的腐蚀比较严重，特别是在高速气流的带动下对管束的冲刷比一般的电化学腐蚀更大。目前低压水冷器进口的NOx气体温度约为160℃，所以水冷器的腐蚀主要集中在了前半段。

3)Cl-聚集应力腐蚀。换热管材质采用的304 L不锈钢不耐Cl-腐蚀，容易引起应力腐蚀开裂，同时由于采取常规的管板焊接方法，在管束和管板之间存在间隙，如果循环冷却水中的Cl-含量较高，容易在间隙死角处产生了Cl-聚集，从而容易使管子表面形成点坑或缝隙腐蚀[2]。

1.3 措施及建议

在具体改造实施过程中，改变了设备的布置形式，将原来1台φ1 400 mm卧式低压反应水冷器拆除后，改为2台同等换热面积的小设备。其中前置水冷器改为立式布置，后面1只仍为卧式布置，新换2台φ1 500mm水冷器的热管规格为φ25mm×5 500 mm，共计948根，换热面积为401 m2，2台水冷器换热面积共计802m2。设备直径变大后使气体流通面积有所增加，保证改造后系统的阻力不至于增加很大；立式低压反应水冷器冷凝酸停留时间减少降低了对换热管的冲刷程度。一般情况下，只需调换前置低压反应水冷器即可，能减少设备维修成本。

同时还可以通过以下几方面措施：

1)保证冷却水质量。要严格控制循环水的各项指标，减少悬浮物、杂质等带入，特别是要定期分析Cl-含量防止超标（质量分数≤0.2×10-3），通过壳程的排污口对循环水进行定期排放等措施，同时可在装置停车检修期间进行物理或化学专业清洗，消除污垢。尽量减小换热管死角处的Cl-聚集，防止腐蚀的发生。

2)采用先进制造工艺。换热器的换热管与管板之间一般采用传统的贴胀+强度焊接形式，建议改为目前先进的内孔焊技术，用内孔焊制造的换热器耐应力腐蚀破裂性能优于未采用内孔焊的换热器[3]。不仅能提高焊接质量，也能消除换热管和管板之间的缝隙死角，减小Cl-集聚引起的应力腐蚀。

3)选择适用的耐腐蚀材料。考虑到设备投资的问题，改造时换热器的换热管材质还是选用了304L不锈钢。事实证明钛材能更好的适应70℃的冷凝稀硝酸工作环境，如果在金属市场钛材价格适中，可将前置低压反应水冷器换热器的列管和管板选择为钛材，适当减小换热管壁厚，即能保证换热效果，也能延长使用寿命。

1.4 改造后运行情况

低压反应水冷器在通过改造后，前置立式水冷器产生的冷凝酸温度约55℃，NOx分离器处的冷凝酸温度约36℃。这样后置水冷器的管程工作温度＜70℃，大大延缓了其腐蚀程度，进入酸塔的冷凝酸温度降低3℃，相应提高了酸吸收效率。通过运行约2 a来检修时查漏情况，未出现明显泄漏现象。

2 氧化炉-废热锅炉改造

2.1 设备运行现状

氧化炉-废热锅炉运行4 a以来，已出现4次蒸发段爆管现象，合计堵φ45mm×5mm加热管6根（总共38根），随之而来废锅炉出口NOx气体温度不断上升至480～490℃，与设计指标的400℃相差较大，废锅换热效果不好必然使装置自产蒸汽不足，蒸汽系统自平衡困难，同时整个装置能量回收效率差。

针对此情况，在初期发生爆管现象后也采取了一些措施，如增加了1台大流量的锅炉循环水泵（将体积流量由300m3/h增加到350m3/h），提高锅炉的循环倍率；汽包排污方式也由不定期排污改为定期排污；控制好氧化炉中部温度不要超过880℃等，但也没能彻底解决设备存在的问题。

2.2 原因分析

氧化炉-废热锅炉也是选用传统的巴布考克炉型，随着这些年以来行业内装置运行实践经验，该锅炉存在NOx气体出口温度过高、换热管爆管和检修困难等一系列通病。之所以达不到预期的使用寿命，其主要原因就是设计上锅炉水的节流分布问题和国内设备加工制造水平与国外厂家存在一定的差距。

2.3 改造措施及建议

从行业内的新技术、新设备应用动态来看，拉蒙特炉型废热锅炉将是双加压法稀硝酸装置今后应用趋势，其更加合理的结构形式能够基本解决以上问题。与巴布考克炉型相比，该炉型主要有以下几个优点：

1)结构设计更加合理。首先换热盘管采用蛇形水平排列，这样的设计克服了巴布考克炉型锅炉垂直弯头过多的缺陷，因为弯头处受到的热应力大，尤其是在开停车时候弯头处热应力更大，也避免了弯头处的涡流对管壁的冲刷磨损。同时蒸汽过热段盘管位于上下2层蒸发段盘管之间，有效地避免过热段盘管受到高温辐射热。

2)热能回收效率较高。水平盘管布满整个筒体空间，工艺气体不会走短路，废热锅炉出口NOx气体温度能基本达到设计要求的400℃左右，相应锅炉的产汽量更大。同时设计理念的不同，锅炉系统的锅炉水循环倍率较小，配套锅炉水循环泵所需电机功率小，相应节省设备运行电费。

3)检修难度相对较小。巴布考克炉型锅炉内的换热盘管布置十分密集，检修空间极其狭小，一旦出现爆管现象需要查漏检修时，要先进入炉内上部查找泄漏点，再进入炉下部的进出集汽箱封堵换热管。如果泄漏点不是位于顶部第1层盘管将很难查找到，而巴布考克炉型锅炉的进出集汽箱位于炉外，内部检修空间相对较大，查漏比较方便。

2.4 改造后运行情况

2014年8月更换了1台φ3 600 mm新拉蒙特炉型氧化炉-废热锅炉。在投入生产运行后，初步取得以下良好的效果：

1)热能回收效率高。原废热锅炉出口NOx温度为450～460℃（爆管后期高达480～490℃），水冷壁温度250～260℃；调换新设备后废锅出口温度为415～425℃，水冷壁温度230～240℃。汽包最大产汽量由16 t/h提高到18 t/h。

2)无需过热蒸汽喷水减温。原废热锅炉的过热段通过喷水减温器喷水约1.5 t/h来调节过热器出口的蒸汽温度，采用新炉型后现在基本无须喷水减温，过热蒸汽就能保持在420℃左右，可取消原喷水减温装置，减小因喷水减温而引起的蒸汽热能损失。

3)运行费用降低。锅炉水循环量由300 m3/h减少至160 m3/h，相应锅炉水循环泵电机功率由90 kW减小到55 kW，年节省电费约16.8万元。

3 冷冻脱湿系统节能改造

3.1 产量不达标原因分析

在夏季高温天气时，双加压稀硝酸装置的产量只有270～310 t/d（折100%的HNO3，下同），达不到设计的350 t/d。其最主要原因就是夏季空气温度较高、湿度较大时候，造成了“四合一机组”中的空气轴流压缩机的打气量严重不足（最低约为设计值的80%）。即作为生产原料之一的空气量大幅减少，从而使硝酸成品的产量随之也降低。

杭州夏季平均气温32℃，平均相对湿度80%以上。近年来随着全球气候变暖的趋势，甚至多次出现了40℃以上极端高温气温，受此影响特别是夏季时硝酸产量将大幅减少。

3.2 改造原理

针对装置夏季产量偏小的原因，最直接有效的办法就是使生产用原料气（即空气）降温和脱湿，而常见的降温除湿方法有冷水喷淋除湿和换热器除湿。由于冷水喷淋存在大量的凝结水分离较为困难，不利于后续工序的轴流压缩机工作的安全性。综合考虑后，选择换热器冷冻法来降低原料气（即空气）的温度和湿度。通过降低轴流压缩机送入后端工艺装置的单位体积空气的绝对含水量，提高空气密度，实现低温低湿进风，从而增加压缩机的进风品质、流量，大幅度降低压缩机的单产能耗。

3.3 改造设计方案

脱湿项目的整体方案采用制冷机组间接制冷的方式，使四合一机组中的AV40-15轴流压缩机的进风温度降至10℃左右，进风的平均水的质量浓度降低到10 g/m3左右，每年脱湿运行时间在4 000 h以上，最大程度的解决由于季节气温、湿度的变化对硝酸四合一装置运行的影响，达到节能增产的综合效果。

3.4 脱湿装置工艺流程

经3级空气过滤器过滤后的常温32℃空气进入高效铝制板翅式换热器，和来自离心式冷水机组制出的7℃冷水，进行热交换后，空气降温至10℃，进入除雾器脱水后送往后续的轴流空气压缩机压缩。而换热升温至12℃的冷水经冷水循环泵加压后送至离心冷水机组降温至7℃循环利用。同时除雾器分离出的10℃的空气冷凝水经过自动排水器送冷水回收装置。同时经膨胀水槽随时将脱盐水补充封闭冷水系统循环的损失水量。

主要设备及参数：

1)脱湿器。板翅式换热器，型号BD1000。设计夏季平均最高参数：空气体积流量1 000m3/min；入口32℃，相对湿度80%，水的质量浓度31.8 g/m3；出口10.0℃，水的质量浓度10.0 g/m3；脱出水1 300 kg/h，进出口压差≤1 kPa。外形长×宽×高为7.4m×4.0m×6.0m。

2)制冷站离心式冷水机组。型号LCP195-10，制冷量2 285 kW；冷冻水体积流量390 m3/h，进出口温度分别为32℃和7～12℃。配套冷冻水泵流量420m3/h，扬程35m。

3.5 实施效果

脱湿装置在2014年6月投入运行后，取得效果良好，长期使空气轴流压缩机进口空气的温度保持在7～9.5℃，压缩机的进气量有了明显的提升约10%，出口压力相应由0.27 MPa提高到0.32 MPa以上；脱除空气中的水的质量流量约1 t/h，使装置的低压反应水冷器处冷凝酸的平均质量分数提高了约1%。在6-8月运行期间的主要参数统计后对比如表1所示。

表1 改造前后脱湿装置运行（）情况对比Tab 1 Running condition contrastof dehumidifying device before and after transformation

3.6 节能增产效益

3.6.1 轴流压缩机节能

空气经过降温除湿后，可使压缩机的轴功率降低。四合一装置中的轴流压缩机，在其入口温度由夏季平均30℃降至10℃后，理论上可以使轴流压缩机轴功率降低约9.4%。但压缩机轴功率无法直接测量，在实际生产中节能表现为，作为动力驱动机的汽轮机，其消耗3.9 MPa，420℃高压蒸汽用汽量相应会有所减少0.6～1.2 t/h，平均约1 t/h。

根据脱湿装置的设计参数，脱湿系统每年在杭州的使用期在6个月以上，即每年的4—10月，由此计算脱湿装置的节省蒸汽量为4 000 t。3.9 MPa、420℃高压蒸汽按照260元/t的价格计算，则脱湿装置每年的节能蒸汽消耗效益约为104万元。

3.6.2 硝酸增产

经脱湿装置之后，压缩机吸入空气温度降低，空气密度增加，同等能耗下可是压缩机质量流量增大，从而增加硝酸装置产量。同时，空气中水分去除后，原先的水分不参与压缩，可使进风的含氧量增加，也可使硝酸产量增加。

根据100 kt/a硝酸装置运行参数，在夏季轴流压缩机入口最大体积流量为45×103m3/h，最低还可能降至41×103m3/h左右；而在春秋季节，轴流压缩机入口最大体积流量可达52×103m3/h左右，最少相差7×103m3/h。脱湿装置投用后，压缩机入口温度降至10℃，可达到春秋季节的水平。

按照风量增大产量同幅度增大的经验规律计算，脱湿装置投运后60%硝酸年产量将增加10%，即6 kt以上。按照稀硝酸250元/t的利润计算，装置的效益每年将增加150万元。

3.6.3 装置运行费用

装置中的冷水机组额定功率为402 kW，根据负荷不同取平均值370 kW，冷水泵75 kW，循环水体积流量490m3/h。电价和水价分别按照0.6元/kWh和0.6元/t计算，则电费106.8万元；循环水来自公用工程循环水站，其规模为3 000m3/h、500 kW，成本折算为电费为36万元。综合项目投运后年效益为104+150-106.8-36=111.2万元。