降温降阻在合成氨生产装置中的应用

朱之明

（晋能控股装备制造集团天源山西化工有限公司，山西 高平 048400）

晋能控股装备制造集团天源山西化工有限公司（简称天源公司）现有2 套18 万t/a 合成氨生产装置，其主要工艺流程为传统的小氮肥工艺，造气装置生产出的合格的半水煤气经一级静电除尘、罗茨风机加压、半水煤气脱硫、二级静电除尘后，由原料气压缩机加压送净化、合成工段生产产品。经过几年的节能挖潜升级改造后，生产装置运行趋于稳定，增产减耗取得大幅进步。但在实际运行过程中，仍存在局部工段半水煤气运行温度偏离设计指标、系统阻力高，并且冬季产量比夏季减少10%。要想保证运行指标在设计范围内及产量稳定，必须保证罗茨风机及原料气压缩机的打气量，而影响打气量最重要的因素就是半水煤气温度和系统阻力偏高。笔者以天源公司合成氨生产装置最优运行数据为依据，对生产中半水煤气温度和系统阻力偏高进行了原因分析，现将技术改造情况介绍如下。

1 合成氨生产装置改造前的运行数据和存在问题

改造前各工段半水煤气实际运行温度与设计温度对比见表1，各工段系统运行阻力见表2。由表1 可知，造气余热回收器出口半水煤气温度180 ℃、造气煤气冷却器出口半水煤气温度55 ℃、半脱洗涤塔出口半水煤气温度45 ℃、原料气压缩机进口半水煤气温度30 ℃，均高于设计值。由表2 可知，整个生产装置的系统阻力主要集中在煤鼓电除尘工段、原料气压缩机工段、变换工段。

表1 改造前各工段半水煤气实际运行温度与设计温度对比 ℃

表2 改造前各工段系统运行阻力kPa

2 改造方案

2.1 系统阻力偏高

2.1.1 煤鼓电除尘工段

天源公司共有两级煤鼓电除尘装置，各8 台，均并联运行。在实际生产过程中，因两级煤鼓电除尘装置均运行超过16 a，存在设备老化问题，虽然前期对电除尘设备内部结构进行了升级改造，但除尘效果仍较差，导致该工段系统阻力偏大，后工段原料气压缩机水冷器、变换溴化锂换热器频繁堵塞，清洗频次从原设计的1 年1 次缩短到约1～2 个月1 次，清洗期间，系统需减负荷运行，对生产系统的稳定运行造成较大的影响。

为解决煤鼓电除尘工段除尘效果差及系统阻力大的问题，天源公司增加了1 台一级静电除尘装置和1 台二级静电除尘装置，增加的装置与原有装置并联运行，从而降低了原有设备的处理气量，在保证除尘效果的同时，降低了系统阻力。

改造后，煤鼓电除尘工段系统阻力降低了1 kPa，除尘效果明显提高，后工段原料气压缩机水冷器、变换溴化锂换热器的清洗频率由1～2 个月1 次延长到5～6 个月1 次。

2.1.2 原料气压缩机工段

天源公司原料气压缩机工段共有9 台原料气压缩机，该工段阻力主要集中在三、四段水冷器及原料气压缩机四段出口管线。为了解决原料气压缩机工段系统阻力偏大的问题，更换了5 台原料气压缩机三、四段水冷器，三段水冷器换热面积由116 m2扩容至180 m2，四段水冷器换热面积由108 m2扩容至150 m2。将替换下来的三、四段水冷器安装到剩余4 台原料气压缩机上，与原有三、四段水冷器并联运行。此外，经计算压缩机四段出口管线气体流速在15 m/s，超出了经济流速12 m/s，所以压缩机四段出口管线阻力产生的原因是管道偏细，天源公司对压缩机四段出口管道进行了更换，管径由159 mm 增加到273 mm。

改造后，原料气压缩机出口半水煤气温度降低了3 ℃～5 ℃，原料气压缩机工段系统阻力由140 kPa 降低到70 kPa。

2.1.3 变换工段

天源公司变换工段采用全低变耐硫变换工艺，进口设置有溴化锂换热器，用于降低变换进口半水煤气温度。因溴化锂换热器偏小，换热效果差，导致变换进口半水煤气温度偏高，气体膨胀产生阻力。溴化锂换热器进口至油分离器进口阻力约20 kPa。为解决变换工段阻力问题，天源公司对变换进口溴化锂换热器进行了扩容改造，换热器面积由105 m2增加到715 m2。

改造后，溴化锂换热器出口半水煤气温度由45 ℃降低到25 ℃，变换工段阻力降低了10 kPa。

2.2 半水煤气温度偏高

在生产过程中，半水煤气温度偏高直接影响整套生产装置的生产效率，降低半水煤气温度是煤化工生产降本增效最有效的手段之一。引起半水煤气温度偏高的主要原因是各工段循环水冷却上水（主要包括造气循环水、半脱循环水、合成循环水）和水冷器冷却水温度偏高。

2.2.1 造气循环水、半脱循环水温度偏高

在夏季高温天气，天源公司造气循环水冷却上水温度为44 ℃，半脱循环水冷却上水温度为32 ℃。为降低造气循环水冷却上水温度，天源公司新增1 套1 200 m3/h 的循环水装置，与现有造气循环水装置并联使用。为降低半脱循环水冷却上水温度，新增1台1 000 m3/h 的循环水装置，与现有半脱循环水装置并联使用。

改造后，夏季造气循环水冷却上水温度由44 ℃降低到40 ℃，造气余热回收器出口半水煤气温度由180 ℃下降至150 ℃，造气煤气冷却器出口半水煤气温度由55 ℃下降至40 ℃；夏季半脱循环水冷却上水温度由32 ℃降低到28 ℃，半脱洗涤塔出口半水煤气温度由45 ℃降低至40 ℃。

2.2.2 合成循环水温度偏高

在夏季高温天气，天源公司合成循环水冷却上水温度为38 ℃，为降低合成循环水温度，天源公司对合成循环水冷水塔8 台冷却风机的64 片风叶进行了改造，将玻璃钢材质风叶改造为碳纤维材质风叶，并将风叶的宽度由0.31 m 增加到0.51 m，在冷却风机电机功率不变的情况下，提高了冷却风量。

改造后，合成循环水的冷却风机风速由6.7 m/s提高到7.8 m/s，合成循环水冷却上水温度由38 ℃降低到35 ℃，达到了设计指标。

2.2.3 水冷器冷却水温度偏高

天源公司9 台原料气压缩机进口各设置1 台水冷器，其中6 台水冷器冷却水由1#溴化锂装置提供，因1#溴化锂装置负荷有限，剩余3 台水冷器冷却水采用地表水。在夏季高温天气，因地表水温度偏高，造成3 台水冷器冷却水温度偏高，为此天源公司新增1台溴化锂装置，代替地表水为剩余3 台原料气压缩机进口水冷器提供冷却水，实现降低水冷器冷却水温度的目的。

改造后，原料气压缩机进口半水煤气温度由30 ℃降低到23 ℃，达到了设计指标。

3 改造效果

天源公司合成氨生产装置通过增加除尘装置、循环水装置、溴化锂装置，更换三、四段水冷器及原料气压缩机四段出口管线，对进口溴化锂换热器进行扩容，对合成循环水冷水塔风叶的材质和宽度进行升级改造等，各工段出口半水煤气温度和系统阻力明显下降，生产装置总体产能提高约70 t/d，达到设计产能，夏季高温天气的合成氨产能比冬季偏低的问题得到了解决。天源公司下一步将结合全系统各单元化学反应过程中的热量平衡继续优化生产装置，更好地实现节能降耗。