100kt/a双加压硝酸装置的增产节能改造

2016-10-20何肖廉金沛灿黎志敏

杭州化工 2016年1期

关键词：轴流蒸气过热器

何肖廉，金沛灿，黎志敏

（杭州龙山化工有限公司，杭州311228）

100kt/a双加压硝酸装置的增产节能改造

何肖廉，金沛灿，黎志敏

（杭州龙山化工有限公司，杭州311228）

介绍了龙山化工的100kt/a双加压法稀硝酸装置自投产以来，存在产量偏低、热能回收效率低等一些不足，针对该情况通过一系列的改造及优化，取得了良好的增产节能效果，为硝酸行业内今后类似的改造提供了参考经验。

双加压法；硝酸；热能回收；增产节能

近年来，双加压法硝酸工艺以其氨耗低、成品酸浓度高、热能回收效率高和尾气中NOx含量低等诸多优点，逐渐成为我国硝酸行业发展的主要生产工艺。按照国家石油和化学工业“十二五”发展指南战略目标要求，在“十二五”期间，采用先进的双加压法生产工艺的硝酸产能在行业内的比例将由64.3%提高至87.3%以上［1］。

杭州龙山化工有限公司目前有1套100kt/a稀硝酸生产装置，建成于2010年4月，采用先进的法国G.P双加压法工艺流程，产品的各项消耗指标属于国内行业中领先技术水平，但与国外先进双加压硝酸装置相比，还是存在产能偏低、热能回收效率低等一些不足之处。

对此，公司对硝酸装置进行了一系列的增产节能优化改造，其中针对在实际运行中夏季高温制约产量的瓶颈，在2014年进行了脱湿节能增效改造，使其硝酸产量在夏季高温时也能达到或接近设计值水平，同时也使装置进一步节能降耗，取得了良好的效果［2］。在2015年，公司又对装置分别进行了增压风机增产节能和尾气热能回收改造，进一步提高了生产装置的硝酸产量和热能回收效率。

1　低温热能回收改造

目前公司双加压稀硝酸装置中的尾气透平机出口NOx尾气温度偏高，达到160℃左右，该尾气原是通过管线直接送往Ф1.2×62m尾气烟囱进行高空排放，造成这部分NOx尾气低温热能未能充分回收利用。烟囱NOx尾气温度偏高的主要原因是：一是装置中的氧化炉-废热锅炉出口气体温度高，为430～460℃，造成尾气透平机进口NOx尾气温度偏高，达360～370℃，从而引起出口的尾气温度也偏高。二是国产尾气透平机的实际热能回收效率偏低，造成出口尾气温度偏高，与设计值存在一定的差距。

1.1低温热能回收改造方案

为提高整个生产装置的热能回收利用率，考虑利用热交换来进一步回收利用这部分尾气的低温热量。因为在稀硝酸装置中的原Ф500氨过热器需要热量给气氨加热，目前使用的是0.6MPa、160℃低压蒸气，考虑将热源介质改为NOx尾气来加热气氨，相应就能节约这部分低压蒸气用量，从而达到节能降耗的目的。

具体实施方案即新增一台尾气氨过热器代替原氨过热器。将稀硝酸装置型号为WP4.2-940/360尾气透平机与Ф1200m尾气烟囱之间的Ф1100尾气消音器设备移除，在该位置新布置一只Ф2000× 4000mm尾气氨过热器，配套管线与原氨过热器联通。该换热器可利用高温NOx尾气的热量给来自AB氨蒸发器的气氨加热，在尾气氨过热器投入运行后，NOx尾气温度由160℃降低至140℃，气氨温度从12℃升至120℃。其工艺流程见图1。

1.2尾气氨过热器工艺计算

在硝酸装置中原Ф500氨过热器使用0.6MPa低压蒸气来加热气氨，根据热力学第一定律热量平衡的关系，气氨加热所吸收的热流量Q吸收等于蒸气放出的热流量Q放出，即Q吸收=Q放出。根据介质流量、压力和温度，查找介质相关的物化数据［3］，对项目可行性计算分析及确定新氨过热器换热面积等技术参数。图2、3分别为原、新热量平衡图。

1.2.1可行性分析

图1　低温热能回收改造工艺流程简图

图2　原热量平衡图

为简化工程计算，将壳程介质气氨视为理想气体，其热流量计算公式可简化为［4］：

式中：Cp为气氨比热容为定值，2.11kJ/kg.℃；qm为气氨质量流量，qm=ρ×V，其中ρ为密度，0.77kg/ Nm3；V为体积流量，5000Nm3/h；△t为气氨温度变化差值，进出口温差△t=135-12=123℃。

由于管程内介质低压蒸气在换热过程中由气相变为液相，利用介质的焓值计算较为方便，热流量计算公式［5］：

式中：qm为质量流量；h1为进口温度下蒸气对应的比焓值，2764kJ/kg；h2为出口温度下蒸气对应的比焓值，630kJ/kg。

图3　新热量平衡图

根据热量平衡的关系，即Q吸收=Q放出，则相应消耗蒸气质量流量为：

若考虑实际热交换时的热损失量为10%，则实际低压蒸气消耗量为468×（1+10%）=515kg/h。

由于NOx尾气相关的物化数据查找较为困难，现用N2相关的数据来进行热能计算：

式中：Q为气氨的热流量，999190kJ/h；Cp为N2的比热容，1.038kJ/kg；qm为N2的质量流，qm=ρ×V，其中ρ为密度，1.256kg/Nm3；V为体积流量，46000Nm3/h。

尾气进口温度约160℃，这样出口温度为140℃，通过工艺上计算温降不大，其降温后送往尾气烟囱排放是可行的。

1.2.2新氨过热器换热面积计算

尾气透平机出口的NOx尾气压力较低，设计值为0.007MPa，气体流量较大为46000Nm3/h。初步估算换热面积［6］：式中：Q为热流量，999190kJ/h（即999190/3600

=277552W）；K为传热系数，在计算列管式换热器“由气体到气体”进行换热的流体时，其传热系数K［6］值的范围为12～35W/m2·K，现取中间值20W/m2· K估算；△tm为平均温差，该换热器采用逆流换热，则其平均温度差△tm（逆）计算值如下：

为使换热器的管程阻力尽量小，同时考虑到实际换热效率问题，最终选取的换热器换热面积比估算值更大。

结合装置现场的设备安装布置实际情况，为便于操作维护，此换热器采用卧式列管换热器，其规格和参数见表1。

表1　新氨换热器技术规格和参数表

1.3改造后效果

稀硝尾气氨过热器改造项目于2015年3月成功投入使用，通过实际运行情况来看，该新尾气氨过热器可完全代替原Ф500×3200氨过热器，各项工艺指标参数能满足要求，而尾气氨过热器的阻力增加不大，约700Pa；同时尾气透平机、四合一机组未出现位移、振动值偏高等异常现象，尾气温度降低约20℃后仍能正常送往尾气烟囱高空排放。

通过改造后取得了以下良好的效果：一是节能降耗。降低了双加压稀硝酸装置的低压蒸气消耗，从而提高了装置的整体热能回收利用率。能降低0.6MPa、160℃低压蒸气消耗约0.7t/h，若0.6MPa低压蒸气价格以120元/t计，则年节省费用0.515×120×8000=50万元。二是提高装置的稳定性。改造后氨过热器的热量将由稀硝酸装置自给，减少了因外界0.6MPa低压蒸气系统波动时带来的影响，硝酸生产装置整体运行将更加稳定。

2　增压风机节能增产改造

在硝酸装置四合一机组中的AV40-15轴流压缩机，其设计条件为：进气压力：0.093MPa（A），进气温度：29℃，转速：8000r/min，进气量：60000Nm3/h，出口压力：0.45MPa（A）。由于进气条件与设计值的区别和轴流压缩机本身效率等原因，造成轴流压缩机实际打气量、出口压力都偏低，在2014年，我公司进行了脱湿节能增效改造，降低轴流压缩机进口空气的温度和含湿量，使其硝酸产量在夏季高温时也能达到或接近设计值水平。现又通过增压鼓风的方式，提高了轴流压缩机进口空气的压力，相应轴流压缩机的打气量和出口压力都有所增加，从而达到增产节能的目的。

我们通过在轴流压缩机与三级空气过滤器之间增加一只离心风机，其型号为Y5-55NO12.5D 75000m3/h，全压5500Pa。通过其增压鼓风，来提高轴流压缩机的打气量和出口压力，同时给风机电机配置变频调速，便于开停车时同步调节风机的打气量，在离心风机进口设置一电动紧急吸入阀，减少风机事故状态时风量减小时对硝酸装置的影响。其工艺流程见图4。

图4　增压风机节能增产改造工艺流程图

在2015年4月增压风机投入运行后，轴流压缩机的空气打气量增加约3000Nm3/h，外供3.9 MPa中压蒸气，蒸气增加约0.2t/h。整个生产装置的系统压力得到提升，其中轴流空气压缩机出口压力由0.28MPa提高至0.31MPa，NOx压缩机出口压力由0.88MPa提高至0.91MPa。在酸吸收塔的吸收压力提高后，成品酸浓度相应由60%～61%提高到60.5%～61%，这样进入后续硝镁间硝法浓硝酸装置后，其98%成品酸产量有所提高，相应浓硝1.6MPa中压蒸气消耗也降低。

3　小结

杭州龙山化工有限公司一直十分注重行业内的“新技术、新工艺、新设备、新材料”动态发展，针对目前国内双加压硝酸装置中存在的一些不足之处，在增产扩能、低温热能回收等方面进行了一系列大胆的试验性改造，通过实际运行来看取得了良好的改造效果，为国内硝酸行业类似的改造提供了示范性参考。

［1］唐文蹇，张友森.我国硝酸工业生产现状分析及发展建议［J］.化肥工业，2013（1）：31-34.

［2］黎志敏，何肖廉，洪潘飞.脱湿技术在双加压法硝酸装置中的应用［J］.杭州化工，2015,45（1）：33-37.

［3］石油化学工业部化工设计院主编.氮肥工艺设计手册理化数据分册［M］.北京：石油化学工业出版社，1977：242-262.

［4］曾丹苓，敖约，张新铭，等.工程热力学第三版［M］.北京：高等教育出版社，2002：125-126.

［5］张学学，李桂馥，史琳.热工基础第二版［M］.北京：高等教育出版社，2006：27-28.

［6］谭天恩，窦梅.化工原理第四版上册［M］.北京：化学工业出版社，2014：147-148，208.

烟气干法脱硫脱氮新工艺诞生

经过5年多的科技攻关，中石化集团公司科研课题催化裂化烟气脱硫脱氮技术工业侧线试验（干法脱硫脱氮试验）日前完成攻关任务，通过中国石化科技部组织的由曹湘洪院士担任评议委员会主任的技术评议。

该试验装置通过催化剂直接脱除烟气中的硫化物和氮氧化物。相对于传统的湿法脱硫脱氮技术，干法脱硫脱氮新技术不仅环保效果好，并且整个工艺路线也更加方便、高效、经济，具有设备精简、占地面积小、运行管理方便、生产成本低和无废水二次污染等优点。

试验结果表明：催化裂化烟气中硫氧化物、氮氧化物的脱除率分别高达95%和60%，硫氧化物和氮氧化物的质量浓度最小值均低于10mg/m3，且无二次污染物排放，对烟气适应能力强，吸附剂可作为催化裂化的催化剂使用。

据介绍，该项目由中国石化工程建设公司、石科院、中原油田联合承担。试验装置建在中原油田石油化工总厂，采用吸附—再生连续循环模式，以催化裂化催化剂为吸附剂、以含氢或小分子饱和烃介质为还原剂，实现硫氧化物到硫化氢的资源化回收、氮氧化物到氮气的无害化排放目标。试验装置自2013年10月建成开始试验，两年来，经过科技人员的精心调试，反复测验，各项指标达到预期，净化后的烟气达到国家排放标准。

据了解，目前国内外常用的催化裂化烟气湿法脱硫脱氮技术占地面积大、后处理部分复杂，并且容易引起后续水的二次污染，在发达国家和地区已开始被淘汰，开发干法同时脱硫脱氮过程成为一种趋势。

现有的烟气干法脱硫脱氮技术是一体化路线，其特点是整体效率高，占地面积小，但其脱除NOx时使用了氨气，容易导致氨逃逸形成二次污染。至于在燃煤电厂烟气脱硫中采用的半干法技术，则由于吸附剂没有再生能力，在达到吸附饱和后只能外排而形成固体废物，结果要么形成二次污染，要么需要增加投入进一步治理。

中国石化此次开发的干法脱硫脱氮新技术，使用催化裂化催化剂作为吸附剂，采用循环流化床吸附—再生工艺，不改动催化裂化装置的现有流程和操作条件，吸附剂可以循环使用。与此同时，催化裂化干气等经过再生还原后，吸附剂上的硫氧化物被还原为硫化氢，后续加以利用，氮氧化物被还原为氮气无害排放，净化烟气中夹带的吸附剂粉尘，可以采用成熟的干式除尘方式予以回收。