双加压硝酸“四合一”机组研究综述

韩立争

(中国成达工程有限公司，四川 成都 610041)

硝酸生产采用氨氧化法进行，依据生产中氨氧化压力及氮氧化物吸收压力不同，可分为常压法、综合法、全中压法、高压法与双加压法。双加压硝酸工艺的特点是：氨在氧化炉内加压氧化，氧化氮在吸收塔内加压吸收，即“双加压”。氨氧化率、氧化氮吸收率是决定氨利用率的两大因素。采用双加压法，中压(0.35～0.60 MPa)氧化不会增加氨耗，高压(1.00～1.50 MPa)氧化氮的吸收率提高，因而保证了氨的总利用率提高。双加压硝酸工艺是目前硝酸行业公认的最佳生产工艺，也是已有硝酸装置升级改造的首选工艺。氨氧化法生产工艺中，化学反应过程会放出很多热量，在加压条件下反应更加完全，反应生成的热量与回收尾气所含能量可以用来维持硝酸生产中压缩机的动力消耗，由此产生了“四合一”机组，即空气压缩机、氧化氮压缩机、尾气透平、汽轮机。

以往文献多对“四合一”机组中某一设备的局部缺陷进行分析。本文在充分调研基础上，对“四合一”机组的发展概况、技术特点以及存在的问题进行了总结分析，旨在为“四合一”机组的选型设计、故障分析与处理提供更为全面的参考信息。

1 “四合一”机组发展概况

“四合一”机组是双加压硝酸生产工艺中的核心设备之一，也是双加压硝酸工艺中最为关键的转动设备。20世纪80年代，国内随着双加压硝酸生产工艺的引入，引进了国外的硝酸“四合一”机组，主要制造厂为瑞士Sulzer(苏尔寿)和德国GHH(GuteHoffnuqsHutte，格哈哈)，这两家的“四合一”机组占据了彼时全球的主要市场份额，特别是大型的硝酸生产装置。2001年，Sulzer Turbo(苏尔寿透平)、GHH(格哈哈)、Bosig(博西格)与Escher Wyss(艾雪维斯)被重组为Man-Turbo(曼透平)。由于进口“四合一”机组价格高昂，国内部分硝酸装置还引进了国外的二手“四合一”机组，但由于设计上的问题或者设备自带一些缺陷，这些二手“四合一”机组运行情况不尽理想，随着运行年限增长，故障率高，能耗增加[1，2]。

在国内，西安陕鼓动力股份有限公司(以下简称陕鼓)在引进了Sulzer轴流压缩机的技术并逐步实现国产化后，经过多年的努力，1999年8月首套国产“四合一”机组在云南云峰化学工业公司10万t/a硝酸装置中成功投运，该机组空气压缩机与尾气透平均为轴流式，由陕鼓自主设计，氧化氮压缩机由陕鼓与Sulzer联合设计，汽轮机为国内厂家配套。至此，国内结束了“四合一”机组长期被进口品牌垄断的局面，但国产“四合一”机组与Sulzer等国外产品尚存在一定的差距。陕鼓陆续为国内多套不同规模的硝酸装置提供了“四合一”机组，并进行了改进与优化。表1统计了陕鼓硝酸“四合一”机组的部分业绩。

表1 陕鼓“四合一”机组业绩统计(部分)

由于研制硝酸“四合一”机组的起步时间稍晚，沈阳鼓风机集团股份有限公司(以下简称沈鼓)的硝酸“四合一”机组业绩数量相对较少，吉林康乃尔化学工业股份有限公司27万t/a硝酸项目2013年底完成试车并于次年投产，该项目硝酸“四合一”机组由沈鼓供货；2016年，沈鼓与山西沃锦肥业有限公司签订了“四合一”机组供货协议，该项目规模为15万t/a双加压稀硝酸。

2 “四合一”机组技术特点

2.1 布置方式

“四合一”机组可以设计成带变速箱双轴双速式或者无变速箱单轴单速式。图1为15万t/a硝酸装置，采用陕鼓“四合一”机组的典型布置，带有变速箱。图2为沈鼓为山西沃锦肥业有限公司15万t/a双加压稀硝酸装置(以下简称山西沃锦)生产的“四合一”机组布置，采用单轴单速式，GHH早期“四合一”机组也为该布置型式，但氧化氮压缩机与尾气透平的布置方向与图2相反。Man-Turbo基于原GHH“四合一”机组增加了变速箱，使“四合一”机组成为双轴双速式，机组相应变长，其氧化氮压缩机的进、排气口与图1反向。单轴单速式“四合一”机组减少了一个转动设备，轴系相对简单，机组长度短，有利于检修维护，但四机转速单一，性能不易优化。对比图1、2发现，陕鼓与沈鼓在“四合一”机组的进、出口布置上有所不同，汽轮机与氧化氮压缩机进、出口布置方位相同，空气压缩机与尾气透平方位相反。

图1 陕鼓“四合一”机组典型布置(带变速箱)

图2 沈鼓“四合一”机组布置(无变速箱)

除了以上两种布置型式外，Man Turbo与Uhde(伍德)曾于2008年为某27万t/a稀硝酸装置开发了多轴式“四合一”机组，但出于技术保密原因，该机组可查询的技术信息较少。

2.2 机型特点

2.2.1空气压缩机

空气压缩机将净化后的空气压缩，与氨气充分混合后进入氧化炉燃烧反应生成氧化氮，氨空混合气温度约200℃。综合法和双加压法工艺要求空气升压幅度低，一般将工艺空气加压至0.40～0.46 MPa，可采用轴流压缩机，效率比离心压缩机高3%～7%[3]。原GHH空气压缩机结构采取轴流部分加一级径向叶轮，轴流部分首级叶轮静叶可调；增加径向叶轮，一方面减少了轴流叶轮的总数，还便于壳体出口管的布置。陕鼓“四合一”机组空气压缩机为轴流式，技术来源于Sulzer，全静叶可调，电动调节。沈鼓“四合一”机组中空气压缩机技术来源于日本Mitsui E&S(三井造船)，采用轴流型式配全静叶可调，液压调节。全静叶调节可有效避免旋转扰动或喷嘴扰动引起的叶片共振。

空气压缩机在选型时应充分考虑当地大气压条件，兼顾压缩机喘振点与效率、运行可靠性与经济性。例如，同为陕鼓机组，中石油辽阳石化分公司的空气压缩机原设计为15级，实际运行时发现，运行点与喘振点之间裕量较多，在去掉后面一级叶轮后，依然可满足设计工况与开车工况的工艺操作要求，压缩机效率提高3%以上；甘肃刘化(集团)有限责任公司(以下简称“甘肃刘化”)15万t/a硝酸装置，基于项目所在地高海拔、低气压的特点，设计将空气压缩机由14级改为15级；贵州开磷息烽合成氨有限责任公司27万t/a硝酸装置，因海拔较高，为了确保空气压缩机足够出力，增加1级叶轮，开车后证实其性能指标达到了预期[4]；陕西兴化集团有限责任公司的第1套27万t/a硝酸装置，空气压缩机也曾出现气量偏小的问题。

2.2.2氧化氮压缩机

氧化氮压缩机将氨氧化后生成的氧化氮气体与二次氧化用的空气继续压缩至吸收要求的压力，吸收压力范围为1.0～1.3 MPa。综合气量、压比等因素，氧化氮压缩机多采用离心式。氧化氮压缩机的运行工况相对恶劣，根据现有硝酸项目氧化氮压缩机的运行情况，其存在的主要问题有铵盐影响[2，5，6]、过流部件腐蚀与中分面泄漏。

氧化氮气体与空气混合后的气体在压缩过程中，既伴有NO生成NO2的反应，又伴随着N2O4的分解反应，后者属于吸热反应，不仅会导致实际排气温度比计算值低，还会在金属壁或死角处沉淀铵盐(主要为氨、亚硝酸盐的混合物)。沉淀的铵盐会堵塞气体通道，降低机组性能，严重时会引起转子动不平衡，导致机组振动超标。为了避免铵盐的生成，各厂家均设有向流道、空腔内喷射蒸汽或软水的冲洗机构。Sulzer采用蒸汽冲洗，原GHH使用软化水，陕鼓与Sulzer有着氧化氮压缩机的技术合作，因此也采用向压缩机进气接管喷入蒸汽的方式防止铵盐形成。沈鼓提供两种介质选择，即蒸汽或软水，由用户根据项目实际情况确定。实际上，采用喷蒸汽或喷水均可实现铵盐清除，具体选择哪种与设备制造厂家的习惯有很大关系。此外，从结构设计上，氧化氮压缩机的流道应设计得尽量圆滑，减少铵盐等的沉淀、堆积。

氧化氮压缩机与介质接触的部件应考虑酸腐蚀，选材应含有Ni、Cr等。已建项目中的氧化氮压缩机，机壳与隔板等多采用ZG0Cr18Ni9、ZG08Cr18Ni9，从设计上完全满足耐腐要求。当设置在氧化氮压缩机进口的分离器分离效果不佳时，酸雾与液滴将与气体夹杂进入压缩机内部，不仅影响设备出力，还会对机体造成腐蚀[7]。文献[8]通过研究试验，推荐ZG06Cr16Ni5Mo与ZG06Cr16Ni5作为“四合一”机组在硝酸环境中的机壳选材。笔者认为，应综合考虑可靠性与成本，适当提高氧化氮压缩机机壳材质的耐腐蚀性，避免工艺系统出现问题时，压缩机被工艺介质腐蚀。

在各种规模的硝酸“四合一”机组中，氧化氮压缩机中分面泄漏问题较多[9～15]，可采取在中分面开密封槽、增设合适的密封条、涂抹耐腐蚀、耐高温的密封胶等措施来解决。氧化氮压缩机泄漏案例见表2。

表2 “四合一”机组氧化氮压缩机中分面泄漏

2.2.3尾气透平

尾气透平利用回收硝酸生产排放的尾气能量，驱动空气压缩机与氧化氮压缩机，是“四合一”机组中的发功设备。尾气透平的回收功率是硝酸装置能量平衡和经济运行的关键因素。进口“四合一”机组所回收的压缩功率值可以达到整个压缩功率的60%以上。通过表3可以看到，四川美丰化工公司(以下简称“四川美丰”)绵阳分公司合成氨尿素搬迁改造项目，陕鼓“四合一”机组在正常、额定工况下尾气透平回收功率均达到了总压缩功率的59%以上，基本达到了国际水平；甘肃刘化15万t/a稀硝酸装置的陕鼓“四合一”机组在正常、额定工况下，尾气透平回收功率达到57%以上；山西沃锦项目沈鼓“四合一”机组配套提供的尾气透平，计算回收功率达到了62%以上，该装置尚未开车，实际回收情况还有待考核验证。

表3 “四合一”机组尾气透平回收功率

尾气透平根据实际回收功率的需要可设计为单级或多级型式，叶轮可以是轴流或离心式。对轴流式尾气透平，其叶片可以是反动式或冲动式，还有反动、冲动混合使用。早期的引进型机组，尾气透平通过入口阀和负荷分配阀进行负荷调节，即通过控制一定数量的入口静叶栅实现负荷调节和压力调节，类似于汽轮机的“喷嘴调节”，但此种调节方式在实际运行中易出现因进气不均导致动叶激振。为了适应气量、负荷变动，保证尾气透平在高效区运行，静叶设计为可调型，如Sulzer的尾气透平采用首级静叶调节，此调节方式类似汽轮机的“节流调节”，整个静叶全周进汽，受热均匀，尾气膨胀更为充分，能量回收达到设计指标。陕鼓为甘肃刘化项目供货的尾气透平为4级轴流结构，首级静叶可调；沈鼓为山西沃锦项目提供的尾气透平为2级轴流式，首级静叶可调。文献[16]中的尾气透平原设计采用负荷分配阀调节，出现了能量回收不达标的问题，排气温度达到150℃，远高于设计的106℃，采用入口静叶调节后，排气温度降至105℃，能量回收达到设计指标。

2.2.4汽轮机

汽轮机是“四合一”机组的另一发功设备，正常运行时，其蒸汽由氨燃烧发热反应产生的过热蒸汽来提供，为空气压缩机、氧化氮压缩机补偿提供尾气透平回收功率以外的功率。在启动工况下，由装置外供蒸汽驱动汽轮机并承担机组启动工况时的所有动力，随着流程的进行，尾气透平回收才逐步提供能量和汽轮机一起驱动机组。国内陕鼓、沈鼓配套的工业汽轮机分为反动式和冲动式，反动式汽轮机的调节级为冲动式，其余级均为反动式，以解决反动级不能作为调节级的问题。

蒸汽透平真空建立困难是以往硝酸“四合一”机组启动、运行过程中遇到的主要问题之一，多与射汽抽气器的抽气效率低下、真空系统漏点有关。在设计阶段，应充分考虑蒸汽参数确定射汽抽气器的能力范围，在施工安装阶段，严格把控真空系统的安装质量，机组启动前对真空系统的查漏试验必须按照规范要求执行。

3 结语

双加压硝酸工艺与其他硝酸生产工艺相比，资源消耗少、产品浓度高、尾气排放对空气的污染指数低，是目前主流硝酸生产工艺。硝酸“四合一”机组作为双加压硝酸工艺的关键转动设备，显著特点是无需外界额外输入驱动功率，是一种典型的能量自给自足型设备，符合节能减排的时代背景。

“四合一”机组转动设备多，机械侧与工艺侧均属于串联式机组，从选型设计角度，机械侧应保证各单体设备的可靠性，提高压缩机效率与尾气透平回收功率；在工艺侧，“四合一”机组之间应保持良好的协调性，除了满足设计点的工艺参数要求外，还应注意在变工况条件下(特别是低负荷工况)，确保发功设备与耗功设备的动力相匹配，实现能量平衡。