硝酸生产过程中四合一机组的设计与应用

刘 勋

（华阳新材料集团新能源蓄能新材料事业部，山西 阳泉 045000）

引言

四合一硝酸生产装置的加工生产工艺及主要部件的结构布局主要取决于四合一硝酸生产装置生产工艺的相关要求。4 台硝酸生产机的速度可独立设计，分别完成同轴线。同一轴上的电机转速可单独设计，完成不同生产线轴上不同传动轴上的电机转速[1]。4 个驱动电机的安装位置可以分别在4 个电机轴的两端设定，即可单独安装在4 个电机轴的末端。各硝酸装置主要部件的结构设计和硝酸生产原料的选择过程都必须严格遵循本生产设计过程中强调的节能、环保、高效原则。

1 机组结构

硝酸四合一生产装置本身就是一种非常典型的利用电动机能量自给自足硝酸生产装置，硝酸四合一机组主要由空气压缩机、NOx压缩机、齿轮箱、汽轮机、尾气透平膨胀机组成。

1.1 空气压缩机

在四轴双合一空气压缩机组中，空气压缩机组的主要目的就是既可以压缩同时又可以进行无机混合氨氧化和有机混合氮氧化的空气，从而实现机内机外的空气同时运行。在新空压机整体技术选型及工艺设计方面，由于快速压力波动的最大振幅相对较低，大多数都会选择新型的反作用力轴流空压机。对于具有反作用轴流部分的转子进行增压的驱动转子和驱动叶片，可以选择反作用类型，这样齿轮运动可利用调节增压器转子来驱动增压器[2]。液压压力可调的部分液压转子驱动采用可调驱动装置的形式，可调驱动装置可以设置为全部液压。

1.2 氧化氮气体压缩机

氮氧化物空气压缩机的主要目的是将氨氧化和氮混合气体在反应后生成的氧化氮和氨氧化达到它能吸收的空气压缩机操作期间所需的最大压力。在启动压缩机的过程中氧化氮混合气体与空气混合后，不仅有放热反应，还有N2O4的快速分解和热的反应，而后者主要是吸热的，有着较大的影响。这不仅导致柴油机排气管实际温度变得低于理论计算值，而且可能会迅速在金属壁上或气流死角附近沉积大量铵盐[3]。由于这些铵盐在结晶压缩过程中体积膨胀，这将引起叶轮腔内金属隔板的变形，影响叶轮的正常转动。在叶轮的选材形式上，应优先采用碳钢铸轧叶轮，以提高电气设备的机械压缩性能和耐腐蚀性能。

1.3 变速箱支承轴承的设计与优化

在机组的加速过程中，需要快速通过3 个临界速度。考虑隔离裕度，该机组的快速加速范围为1 600 r/min～4 400 r/min。按照设计，轴瓦经常出现供油不足、轴瓦温度过高、轴瓦烧损等情况。通过临界点时轴瓦的温度变化曲线如图1 所示，轴瓦的最高温度已达到120 ℃左右。

图1 齿轮箱支撑轴承温度检测曲线

针对以上问题，应设计改进变速箱支承轴承体，提高轴承的进油速度，以满足机组转速快速增加时对润滑油的需求。将轴承的进油孔扩大到原孔径的约1.35 倍，使单位时间内通过的润滑油量比原增加约50%；同时，增加变速箱油进口支管的压力，以及变速箱转速增加时所需的润滑油量。但是，会造成供油支管压力下降，供油能力不足。

1.4 蒸汽压缩机

在四合一或三合一燃气机组中，当使用四缸排气压缩机使整个燃气机组正常连续运行时，它往往提供自备的燃气动力，尤其是当整个燃气设备还不能正常启动而没有正常启动功能，排风压缩机和膨胀机不能正常连续工作时，蒸汽柴油排风压缩机为整个燃气机组的正常运行提供了所有必要的连续运行。

1.5 尾气膨胀机

在四合一排气压缩驱动机组中，膨胀机的功能包括：一是将未去除的亚硝酸盐回收。剩余排放的过程后，臭氧层清除了所有剩余能量冷却排气；二是为制冷空气压缩机和膨胀机提供排气压缩驱动器[4]。根据实际技术应用功能需要，可单独设计2 台废气膨胀压缩机和膨胀机，分为单级、两级或多级废气膨胀，叶片也可单独设计，分为一级冲力型和一级反作用型混合使用。

2 硝酸四合一机组总体设计特点

进行单机优化设计，使每台机器的单机转速完美匹配，保证空压机、氮氧化物介质压缩机和尾气压缩膨胀机在高工作效率下的正常运行。空气压缩机静叶转速调节与氮氧化物介质压缩机与废气压缩机一级静叶转速调节之间的转速匹配优化设计，满足硝酸的装置正常运转。可靠、易于维护的硝酸结构充气密封，保证了氮氧化物压缩介质和废气不泄漏。该系统采用单机组蒸汽快速清洗，清除氮氧化物介质压缩机排气中形成的硝酸铵，确保压缩机机组安全正常运行。

3 硝酸四合一机组的自动控制安全保护系统

四合一硝酸装置设备是硝酸工艺生产的核心控制设备。任何一台机器的故障都会严重影响硝酸产品的生产。因此，监测设备的正常运行尤为重要，监测设备一直以来都是机组的神经系统，对整个机组进行监控，是正常运行不可缺少的一部分。

压缩机组符合我国工业硝酸产品生产的行业特殊性，可进行自控系统和其他系统的自动控制和调节。为有效地保证设备的安全性，当缓冲喘振控制工作点自动接近并进入压缩机组系统时，自控系统自动打开，同时压缩机系统发出自动关机控制信号，切断机组氨机组进气阀，使机组和其他启动装置同时重启设定停机。之后找出停机原因，重新启动设定，停机启动后压缩机能基本恢复正常运行。

4 机组运行情况及问题的分析

压缩机之间的匹配和功率调节在硝酸四合一压缩机组中，轴流高速压缩机和双二氧化氮轴流压缩机的功率耗动最大，采用高效率和节能的轴流压缩机对保持功率平衡至关重要，否则装置就可能无法有效维持系统能量自足。

从图2 中得到，轴流空压机的整个排气节流压力要求应该满足废气氧化剂铵氧化的排气压力，氮氧化物空压机的整个排气节流压力要求满足废气吸收通风塔的废气吸收压力要求，这些排气压力必须通过整个废气压缩膨胀机的节流压力实现。在硝酸工艺装置中，压缩机的废气流量密度由于各种化学反应而不断变化，而压缩机与空压机之间的压力自动匹配设计与整个废气的压缩和膨胀是如何保证整个机组设备性能的关键。由于空压机的整个排气阻力管道上几乎没有压力平衡调节控制阀，其排气压力平衡是由整个氮氧化物空压机、废气压缩膨胀机和吸收管网的排气阻力平衡来建立的。压缩机的压力做功能力已成为四合一设备机组性能设计的关键。

图2 双加压法硝酸工艺流程图

5 结语

本文详细分析了四合一风力硝酸机组设备生产过程中的各种特点，进而分析了机组设备运行中经常可能会突然出现的各种技术问题以及需要及时解决的各种技术保障措施。四合一机组在正常设备运行中，可能会突然出现的诸如空气压缩机发生振动和哮喘振动的现象，对整个发电机组的正常设备运行生产效率也会造成严重不良影响，除了以上各种原因，需要集中研究采取各种改进后的技术保障措施外，还要在整个机组设备生产中深入研究各种改进工艺，减少导致风机发生故障的各种可能性地发生。