150kt／a双加压法稀硝酸装置运行总结

金杰理，张亚军

［甘肃靖远煤业刘化（集团）有限责任公司白银新天化工分公司，甘肃白银 730900］

0 引 言

现阶段，我国稀硝酸生产工艺绝大部分采用双加压法，双加压法具有技术先进可靠、生产规模大、消耗低、综合指标优等特点，成为新上稀硝酸装置的首选工艺。甘肃靖远煤业刘化（集团）有限责任公司白银新天化工分公司（简称白银新天）一期煤化工项目包括150kt／a稀硝酸装置、150kt／a硝镁法浓硝酸装置、250kt／a高塔硝基复合肥装置，配套50t／h流化床锅炉2台、120t／h脱盐水装置及循环水系统。一期煤化工项目分两步进行，一期一步项目为150kt／a双加压法稀硝酸装置和配套的150kt／a硝镁法浓硝酸装置，设计预留1套150kt／a稀硝酸装置，主要原料液氨由甘肃刘化（集团）有限责任公司（简称刘化集团）总部（甘肃永靖）汽车拉运及外购；一期二步项目为20kt／a尿素硝铵溶液装置和250kt／a高塔硝基复合肥装置。二期煤化工项目，即靖远煤电清洁高效气化气综合利用（搬迁改造）项目，拟建在甘肃省白银市银东工业园刘化园区，将以靖远煤业集团所产煤炭为原料，计划采用粉煤加压气化等生产工艺，最终形成600kt／a合成氨、700kt／a尿素、100kt／a甲醇、50kt／a液体二氧化碳、60kt／a三聚氰胺、60kt／a尿素硝铵溶液、约2.16×108m3／a外供合成气（CO＋H2）的生产规模。

白银新天一期一步项目于2011年7月28日动工建设，2013年初设备安装工作结束，2013年6月28日进行化工投料试车，实现氧化炉点火一次成功。一期二步项目于2015年5月28日开工建设，2016年底建成投产。其中，150kt／a稀硝酸装置由四川金象赛瑞化工股份有限公司提供工艺包，中国成达工程有限公司进行工程设计，采用陕鼓（集团）四合一机组，其他设备全部由国内制造，采用四川久源机械制造有限公司（原成都化工压力容器厂）制作的拉蒙特氧化炉，吸收塔由成都信凯机械设备有限公司制作；设备安装由中国石化集团第五建设公司和刘化集团负责实施，工艺系统之DCS由和利时公司负责组态。目前，白银新天150kt／a稀硝酸装置各项工艺指标达到设计要求，运行状况良好。以下对本套稀硝酸装置的设计特点及运行情况等作一介绍。

1 稀硝酸装置工艺流程简介

空气经四级过滤器过滤后进入空气压缩机压缩至0.45MPa（A），与气氨混合后进入氧化炉，在铂网催化剂的作用下进行反应，氧化压力0.37MPa，氧化反应生成的高温NOX气体先经氧化炉废热锅炉回收热量（副产蒸汽供四合一机组汽轮机做功），接着通过尾气四次换热器、水平锅炉、尾气三次换热器换热（加热尾气至360℃），NOX气体降温至210℃，然后进入锅炉给水预热器、低压快冷器（A／B）降温后进入稀酸分离器分离冷凝酸，之后再经NOX压缩机提压至1.0MPa后，进入尾气二次换热器、尾气一次换热器中与尾气进行热交换，降温后的NOX气体再经高压快冷器冷却后送入吸收塔，在吸收塔内NO2与H2O反应生成硝酸；吸收塔尾气依次经过尾气一次换热器、尾气二次换热器、尾气三次换热器、尾气四次换热器加热后进入SCR氮氧化物转化器，再经尾气透平膨胀机（尾透机）回收能量，最终NOX含量降至200×10－6以下的尾气经排气筒放空。

2 设计特点及安装过程中的优化改进

（1）白银新天150kt／a稀硝酸装置选址在海拔1710m的白银市高新技术产业园，当地平均大气压0.082MPa（A），针对高海拔、大气压低的高原气候，陕鼓将四合一机组中的空压机（AV40-14）进行差异化设计，改型为AV45-15，以满足轴流压缩机出口压力在0.45MPa（A）。

（2）四合一机组尾透机联轴器安装、检修时须拆除尾透机大盖，经与陕鼓技术专家反复讨论后，对轴流压缩机转子进行改造，解决了检修联轴器时需揭开尾透机机壳的问题。

（3）空气过滤室采用四级高效过滤器——一级板式空气过滤器、二级初效空气过滤器、三级中效空气过滤器、四级箱式高效空气过滤器；同时，二级初效空气过滤器前增设蒸汽加热器，冬季空气温度低时用于提高空气温度，以稳定氧化炉温度。

（4）空压机出口增设废热锅炉，回收热量副产0.5MPa低压蒸汽，降低入氨空混合器前一次空气温度至185℃，用副产低压蒸汽量来调控一次空气的温度。

（5）NOX压缩机入口前稀酸分离器采用卧式分离器，上部分为分离器，下部分为稀酸槽，中间用管线连接，其占地面积小、气液分离彻底，可减少NOX压缩机入口气带液。

（6）氧化炉采用国内先进的拉蒙特炉型，热能回收利用率高，氧化炉废锅副产3.82MPa蒸汽除供四合一机组汽轮机做功外，吨酸还可副产外送蒸汽0.3t以上。

（7）本套稀硝酸装置设计上最大的技术特点在于氧化炉点火气氨不放空。开车期间四合一机组汽轮机由外送3.82MPa高压蒸汽做功启动，逐步打开空压机静叶，空气量达到氧化炉点火风量3500m3／h，氢气点燃后对铂网预热，持续燃烧达到氨空混合气在铂网处的着火温度651℃，气氨直接通入氧化炉，快速提升氨空比至8% ～9%，氨空混合气在铂网催化作用下开始正常反应，点火成功。点火过程中气氨没有放空量，既可降低生产成本，又不会造成环境污染。

3 稀硝酸装置试运行情况及问题解决

3.1 稀硝酸装置试运行情况

白银新天稀硝酸装置试生产期间，氧化炉第一套铂网设计使用周期（使用寿命）为100d，2013年6月28日系统投料开车以来，受下游浓硝酸装置产品市场方面的影响，稀硝酸装置开停车频繁，至2016年3月15日，期间开停车达到20次，稀硝酸装置始终没有进行72h满负荷运行考核，只是在2013年8月16日停车前进行了加负荷考验，四合一机组转速由开车初期的8630r／min提高至9040r／min，稀硝酸装置负荷由75%加至85%。

试运行期间，四合一机组主要运行参数见表1，稀硝酸装置主要工艺运行参数见表2。可以看出，试运行期间四合一机组和稀硝酸装置主要运行参数均在指标范围内，符合设计指标要求。

表1 试运行期间四合一机组主要运行参数

表2 试运行期间稀硝酸装置主要工艺运行参数

3.2 试运行期间出现的问题及应对

（1）2013年6月30日氧化炉点火，稀硝酸装置开车后，NOX压缩机入口气带液，稀酸槽液位波动大，稀酸泵（汽蚀）不打量，打开去开车酸槽副线排液，开车酸槽黄烟很大，开车过程历时11h，分析主要原因在于低压快冷器排冷凝酸去稀酸槽管线为直管。重新配置U形弯管形成液封，阻止NOX窜入稀酸槽，解决了稀酸泵汽蚀问题。

（2）2013年7月27日氧化炉第三次点火，7月29日07：45外送高压蒸汽调节阀误操作切断，造成蒸汽系统汽包超压，操作工没有及时打开汽包紧急放空阀，汽包超压造成安全阀启跳，安全阀后放空管因固定不牢被直接折叠打弯，导致事故停车，停车后对安全阀放空管重新进行了安装及固定。

（3）2013年8月7日氧化炉第四次点火，氧化炉通入氢气进行铂网升温，通氨着火温度达到700℃，铂网燃烧发红瞬间，氢气点火臂与点火枪由于热变形碰撞，点火臂停止不动，幸好点火人员及时发现关闭氢气阀，避免了氢气火焰停留在铂网某个部位而导致铂网烧穿。2013年8月22日系统停车后打开氧化炉大盖，对大氢管顶端焊接时突出部分进行了打磨，其后此问题基本上得以解决，但氢气点火臂与点火枪还是有刮擦现象。目前，氧化炉点火过程中仍有不安全因素，待下次铂网更换时彻底解决。

（4）2013年8月27日18：52氧化炉第七次点火，稀硝酸装置开车正常后，当天18：52至8月28日08：00，由于稀酸槽液位超标，稀酸泵备泵启动26次，NOX压缩机出口温度最高达124℃，本次开车运行中NOX压缩机入口气带液很严重，通过减少二次空气量反复进行摸索，带液状况没有明显变化；调整稀酸分离器去稀酸槽管线上阀门开度，效果不明显，于是8月29日停车检查。2013年8月30日彻底检查稀酸分离器内件，发现稀酸分离器内件焊接质量不好，内件焊接部位散列，返回制造厂予以修复；2013年10月21日，修复后的稀酸分离器内件重新安装，系统重启后再也没有出现过NOX压缩机入口气带液现象。

（5）开车以来，氨空比自动控制显示为10.4%～10.5%，氧化炉温度约850℃，而化验室手动分析氨空比为9.4% ～9.5%，两数值相差约1%。分析认为，应该是空气流量波动大，氨空比不稳定，DCS显示的氨空比偏高。因为理论上氨空比每增加1%，氧化炉温度升高约70℃，而据氧化炉的温度，分析认为应该是一次空气流量计测量值偏低造成了氨空比偏差（偏高），这给生产操作带来很大的难度。目前此问题还未得到彻底解决。

（6）2014年4月14日19：18氧化炉点火后，当日20：44时NOX压缩机出口温度突然降至88℃，当日21：25时NOX压缩机出口管线带液严重，气阻造成空压机喘振停车。经查实，其主要原因为，点火过程中吸收塔液位阀（LV-112）旁路阀打开去漂白塔，操作工没有及时发现，使漂白塔液位上涨过快，进而造成二次空气出漂白塔带液至了NOX压缩机。

（7）2014年4月16日16：00，外电网冶金变Ⅰ段系统接地，所属117线电流升高，导致白银新天10kVⅡ系统所带设备（硝酸变电所、公用工程变电所、锅炉房）过电压保护器烧毁，造成2＃锅炉及浓硝酸装置停车；稀硝酸装置备泵自启动，避免了更大范围内停车事故的发生。白银新天电气专业人员对故障柜进行耐压试验和元器件更换，并采购安装避雷器，彻底消除了此类隐患。

稀硝酸装置试运行期间出现的问题，有设计、建设方面的缺陷，如装置供电线路是双回路但不是双电源供电，这就给装置的长周期运行带来了风险；设备选型、制作、安装方面也有很多缺陷，如低压快冷器去稀酸槽管线内没有形成液封、一次空气流量计测量值不准；此外，稀硝酸工艺对于白银新天员工而言，属于新接触的化工工艺，缺少管理、操作经验，操作过程中也出现过很多失误，如低压废锅开车前没有建液位而造成干锅、手动转自动操作指标输入错误、氨过热器操作温度低造成气氨带液、阀门误操作、氨空比误操作致停车等诸多问题。上述问题通过试运行阶段的技术改造、优化操作、加强员工培训及生产管理等，逐一得到解决。

4 稀硝酸装置正常运行情况及出现的问题

4.1 稀硝酸装置正常运行情况

2018年以来，随着硝酸、硝基复合肥下游市场好转，白银新开150kt／a稀硝酸装置运行时间逐年增加，2018年、2019年、2020年分别运行214d、270d、316d，稀硝酸装置整体运行比较稳定，基本上主要运行参数均达到设计要求，并实现了满负荷运行。正常生产中，四合一机组主要运行参数见表3，稀硝酸装置主要工艺运行参数见表4。

表3 正常生产中四合一机组主要运行参数

表4 正常生产中稀硝酸装置主要工艺运行参数

4.2 正常运行期间出现的问题及应对

（1）2017年9月28日，四合一机组汽轮机排汽侧轴振值假指示超高（6402Y轴振值超过69.2mm）致稀硝酸装置联锁停车。停车后拆检汽轮机，发现其轴瓦有损伤现象，进行了刮瓦修复，问题得以解决。

（2）2018年1月8日，因气温低，表冷器喷射器系统冻结，真空度下降致稀硝酸装置联锁停车。停车后对喷射器冷凝液管线、抽气外排管线增设了伴热设施，其后表冷器喷射器系统运行恢复正常。

（3）2019年1月，氨辅助蒸发器B加热器管板发生泄漏，致使循环水受到污染；2019年3月，利用氧化炉更换铂网机会对氨辅助蒸发器B进行了试漏检修，但当时加热器管板受损严重，问题无法根除，其后使用期间氨辅助蒸发器B加热器仍有漏氨现象；2020年11月更换氧化炉铂网期间，对氨辅助蒸发器B加热器管束进行了更换，其漏氨问题得以彻底解决。

（4）2019年5月20日更换铂网期间，对尾透机开盖检查，发现尾透机转子叶轮上有催化剂粉末，经天津华景化工新技术开发有限公司现场评估，为避免紧急停车时SCR氨还原转化器压差增大、SCR催化剂粉末进入尾透机而损伤转子，需在尾透机入口安装锥形过滤器（目前尚未实施）以拦截过滤催化剂粉末；2020年4月停车时对SCR氨还原转化器催化剂床层下部筛网塌陷部位进行了修复，在一定程度上缓解了催化剂粉末进入尾透机的问题，但问题没有得到根本解决，今后择机处理。

（5）2019年11月9日，冷凝液泵B故障，备泵切换启动过程中触发冷凝液泵全停联锁，四合一机组跳车，稀硝酸装置联锁停车。检查DCS组态，冷凝液泵全停联锁是为了保护四合一机组汽轮机，但在运冷凝液泵出现故障停运时备用泵没有实现无扰动启动，致使四合一机组联锁停车。该问题还需对系统联锁设置的合理性，或冷凝液泵是否延时启动与四合一机组相衔接方面作深入探讨。

总之，稀硝酸装置长周期运行中，暴露出了设备缺陷、联锁系统逻辑关系不紧密、仪表指示故障、操作工流动大等影响稀硝酸装置稳定运行的问题，如氧化炉经过几年的运行催化剂框扇形板变形致氧化炉同平面温差变大、氨空比联锁长期不能投自动、氨空比仪表示数高于实际值、冬季远传仪表引压管冻结而示数失真、调节阀卡涩无法操作，以及设备与管线经过长周期运行出现多处泄漏、NOX压缩机轴振值持续上升、操作人员频繁变动等。通过近几年的优化改进，系统趋于完善，实现了设备稳定运行，生产管理水平上了一个台阶，操作上也积累了更多的经验教训，利于稀硝酸装置的安全、稳定、长周期运行；部分还未解决的问题，需咨询业内专家或借助“外脑”，待时机成熟后逐一解决。

5 优化技改措施

5.1 试运行期间主要优化技改措施

（1）2013年6月30日在10h的试生产期间，气氨流量调节阀输出不作调整，但反馈阀位信号有波动，波动幅度0.2% ～0.4%，气氨流量瞬间波动值超过1000m3／h；空压机入口静叶开度、转速、防喘阀在不进行调整的情况下，空气流量瞬时波动值超过1200m3／h；期间为避免因操作不到位氨空比高联锁停车，据专家的建议，试生产期间将氨空比高联锁值由11.3%提高至11.5%，实际分析值只有10.8%，但2013年7月1日仍因氨空比高联锁停车。分析认为，氨空比自控系统不能满足实际生产需要，且无法达到氨空比自调的目的，需从技术和硬件两方面着手予以解决。经论证，决定对气氨流量调节阀进行更换，原设计为平衡笼式单座调节阀，通径100mm，采用西门子智能阀门定位器，技改将其更换为FISHER气氨流量调节阀、智能阀门定位器，其通径变更为150mm，阀门反馈精度达到0.1%。2014年3月利用停车期间，在气氨过热器后增设气氨压力调节阀，氨氧化系统运行的安全性得到保障，减轻了操作工的劳动强度。

（2）2013年8月16日，轴流空压机入口静叶开度65°，防喘阀开度5.6%，空压机排气压力0.337MPa，总空气量约62000m3／h，空压机运行已接近喘振线。2013年8月22日停车期间，经与陕鼓技术人员协商，由陕鼓技术指导专家对空压机防喘振线进行了修订，防喘振裕量值升高，使空压机喘振点远离了防喘振线，并对空压机出口重锤式调节阀重力锤进行了调整，以减小空压机出口阻力。

（3）气氨分离器原设计高度距离平台只有500mm，致使蒸发器A的液氨从底部反窜入气氨分离器，再进入气氨过热器，使气氨温度降至80℃以下。2013年9月稀硝酸装置停车期间，对气氨分离器进行改造，将气氨分离器距离平台高度提高至2300mm，气氨过热器引入1条1.55MPa中压蒸汽管线用于预热气氨，由此解决了气氨带液、气氨温度下降的问题。

（4）2013年8月27日，稀酸分离器分离效果差，NOX压缩机入口气带液、稀酸泵入口窜气，致使稀酸不能正常外送。前期开车专家建议对低压快冷器A出口液相进稀酸槽排酸管线设置U形管，形成液封，并在管线上安装手阀调节排量，同时对稀酸分离器冲洗喷头进行更换，期间二次空气量由8502m3／h减至6738m3／h，稀酸泵入口窜气问题得到解决，但NOX压缩机入口气带液问题未从根本上得到解决；后来检查修复稀酸分离器内件后，NOX压缩机入口气带液问题得以彻底解决。

（5）稀酸泵机封原设计用硝酸回流冷却，2014年3月29日开车几个小时后稀酸泵机封烧坏漏酸，后经技术评估，将稀酸泵机封更换为无冷却介质机封，并取消回流酸冷却系统，其后稀酸泵机封运行时间长、无漏点。

（6）原设计离心式开车酸泵电机功率110 kW，而开车正常后其只需将5m3／h酸性水打入吸收塔，开车酸泵电机功率太大，存在严重的“大马拉小车”问题。2014年9月白银新天自主设计安装了1台流量5m3／h、电机功率4kW 的多级离心泵在开车正常后将酸性水送入吸收塔，开车酸泵用电量大幅下降。

5.2 正常运行期间主要优化技改措施

（1）开车初期氧化炉平面温差10℃，近几年运行中氧化炉平面温差有增大趋势。2018年9月、2019年3月稀硝酸装置停车时分别进行了氧化炉热偶校正、氧化炉催化剂框下陷处修复、氧化炉上部封头分布器丝网调整等，但氧化炉平面温差大问题没有从根本上得到解决，其平面温差接近30℃；2021年4月1日利用稀硝酸装置停车机会对氧化炉两边热偶进行了校正，开车后氧化炉平面温差缩小至16℃，但氧化炉平面温差大问题仍未得到根除，需深入研讨，进一步查明原因。

（2）2019年1月，稀硝酸装置四合一机组NOX压缩机振值偏高，达到110μm（正常值在70μm以下）；2019年3月，四合一机组转子返陕鼓做动平衡技术处理，恢复安装后，四合一机组运行平稳。

（3）2019年10月氧化炉第七套铂网运行初期，炉水循环量偏低，一段时间降至105t／h（正常指标为115～155t／h），炉水循环泵不得不双泵运行（设计为一开一备），出现废锅炉壁温度高、氧化炉出口气温度高等问题；2019年11月19日系统停车期间对炉水集箱、节流孔进行清理，对炉水循环泵进出口阀进行拆检，但问题并没有从根本上得到解决，造成系统无法长周期、稳定运行。2020年3月，利用更换氧化炉铂网的停车机会，对氧化炉炉管进行化学清洗，清洗后上述问题得以彻底解决，炉水循环量达到130t／h，氧化炉炉管换热效率提高，蒸汽产量增加，至今氧化炉运行稳定。

（4）2020年冬季，因稀硝酸装置四合一机组厂房安全检查防火等级不满足要求，2020年11月拆除了侧墙，冬季稀硝酸装置防冻问题变得突出。为此，将仪表带有的联锁传送器引压管进行保温处理，一些电伴热带予以更换，并制定了严格的装置防冻管理措施。技改后，稀硝酸装置经受住了2020年12月当地极寒天气（气温达－21℃）的考验，表明本项技改是成功的、管理措施是有效的。

双加压法稀硝酸装置及四合一机组运行状况的影响因素是多方面的，对于已建成的装置，只要遵循科学规律，管理上高度重视，做好员工操作技能培训，并采取有针对性的优化改进措施，就能保证装置的安全、稳定、长周期运行。

6 结束语

白银新天150kt／a双加压法稀硝酸装置投产以来，受硝酸市场行情的影响，开车初期稀硝酸装置间断运行，且没有进行72h满负荷运行考核。2018年以来，稀硝酸装置逐步实现了长周期运行，近几年稀硝酸装置实现了满负荷运行，稀硝酸日产量可达850t（60%稀硝酸实物产量），各项工艺指标正常，达到设计要求。

稀硝酸装置对于白银新天的员工而言，属于新接触的工艺装置，还需不断深入学习与探索，尤其是操作人员变动大，缺乏经验，缺乏发现、处理问题的能力，现阶段只有在开停车过程中反复锻炼，理论与实践相结合，并注重日常培训工作，才能达到合格操作稀硝酸装置的水平。

刘化集团（隶属于靖远煤业集团）一期煤化工项目硝酸装置厂址选在白银，白银新天150 kt／a双加压法稀硝酸装置的成功运行，不仅为周边硝酸用户提供了优质产品，而且为刘化集团转型建设二期煤化工项目打下了坚实的基础。刘化集团二期煤化工项目将于2021年3月10日正式启动建设，与毗邻的甘肃银光化学工业集团有限公司（隶属于中国兵器工业集团）形成优势互补（其主产品产能为180kt／a二硝基甲苯、150 kt／a液碱、120kt／aPVC）、合作共赢，打造“低碳、清洁、高效”的化工园区。