浅析中抽式、离心式氨压缩机在合成氨中的应用

王加速

(安徽六国化工股份有限公司, 安徽铜陵 244000)

安徽六国化工股份有限公司(简称六国化工)氮肥厂氨压缩机系统是由东华科技设计院基于卡萨利1 000 t/d合成氨工艺包设计，由重庆通用集团公司生产制造。氨压缩机系统主要为低温甲醇洗、合成氨提供冷量，同时为六国化工本部提供磷酸二铵生产原料之一的气氨。氨压缩机系统装置由汽轮机、氨压缩机、氨冷凝器、氨分离器、段间冷却器等设备组成。

六国化工1 000 t/d合成氨项目，包含气化、净化、氨合成[1]，分别采用多元料浆气化炉加压工艺、低温甲醇洗和液氮洗工艺、卡萨利工艺。低温甲醇洗工艺需要大量冷量来吸收、分离与净化系统中的合成气。氨合成工艺需要大量的冷量来冷凝合成气，从而分离合成气与液氨。以上工艺就需要设置制冷设备氨压缩机来提供冷量。

同时，六国化工磷酸二铵生产主要采用外环流氨化喷浆造粒工艺、管式反应器—转鼓氨化工艺、预中和—管式反应器—转鼓氨化工艺，其生产原料之一就是气氨。由于市场采购或氨储存罐输送的都是液氨，需要通过设置氨蒸发器来加热液氨使其变成气氨。

鉴于合成氨与磷酸二铵装置需求，本项目自主开发一款既能满足合成氨装置的冷量需求，同时又能为磷酸二铵装置提供气氨的一种中抽式气氨的氨压缩机。

1 工艺流程

来自净化甲醇洗的气氨(工艺参数：压力为0.07 MPa、温度为-38.2 ℃、质量流量为10.7 t/h)，经一段入口分离器气液分离后，进入一段压缩；来自氨合成气氨(0.26 MPa、-12 ℃、16.3 t/h)经气液分离后，在氨压缩机的低压缸缸内与出一段气氨(0.26 MPa、82.5 ℃、10.7 t/h)进行混合，混合后的气氨(0.26 MPa、24.5 ℃、27.4 t/h)进入二段压缩；二段压缩后的气氨(0.59 MPa、104 ℃、27.4 t/h)经过段间冷却器冷却之后，气氨(0.57 MPa、40 ℃、27.4 t/h)与来自氨合成经过气液分离的气氨(0.57 MPa、8.1 ℃、15.7 t/h)混合；混合后的气氨(0.57 MPa、27.7 ℃、43.1 t/h)在进入三段入口之前，中抽一部分气氨(0.54 MPa、27.7 ℃、10 t/h)送往六国化工本部，其余部分的气氨(0.57 MPa、22.7 ℃、33.1 t/h)进入三段压缩。经三段压缩后的气氨(1.70 MPa、145 ℃、33.1 t/h)进入2个氨冷凝器(冷却温度至40 ℃)冷凝为液氨后送往氨储槽。

中抽的气氨送往磷酸二铵装置，与磷酸进行中和反应，经过喷浆造粒、干燥、筛分、破碎等工序，生成磷酸二铵产品。

2 关键技术与创新点的应用

2.1 高端的氨压缩机研发与设备制造

本创新点属于氨压缩机制造设备工艺方向。卡萨利为世界最先进的五大工艺包之一，与各系统匹配度高、能源调度合理，可以达到较佳使用效益，产出的产品质量好，且能源消耗较低。要达到卡萨利工艺包的设计要求，就必须配备高质量的设备与优化的操作方式。在六囯化工1 000 t/d合成氨项目中，相比常规工艺包，对离心式制冷压缩机组技术要求更高。

整个氨制冷循环系统中的氨离心压缩机组需要适应抽气工况和非抽气工况运行。非抽气工况下，每月运行2～3次，每次8 h，高压缸出口气氨质量流量为43 191 kg/h。抽气工况下，从氨离心压缩机高压缸进口抽出，高压缸出口气氨质量流量为33 191 kg/h，抽气质量流量为10 000 kg/h，压力为0.54～0.60 MPa，占循环流量的23.3%。以上数据可以看出高压缸的质量流量变化较大，设计难度大。

离心式压缩机的运行范围一般在设计点的75%～110%[2]。考虑到防喘振的安全余量，在不开防喘振的情况下，机组的工作范围一般下限为80%～85%。若机组按照常规设计，当机组运行在抽气工况时，需要开启防喘振。为了在抽气工况下机组不开启防喘振控制，压缩机系统需要在设计过程中考虑扩大压缩机运行工况范围，并在抽气工况下提高效率。开启抽气工况时，机组冷凝压力发生变化，需要考虑抽气后对整个冷凝系统的影响。

为了使机组能够实现宽工况高效运行，在压缩机设计时采取以下措施：

(1) 首级叶轮对压缩机的工况范围影响最大，因此在机组的每一段进气均采用三元叶轮。三元叶轮具有效率高、变工况性能好的特点，能够扩大压缩机的工况范围。

(2) 对于工况变化较大的高压缸内的其它级叶轮出口，采用小角度安装角使其性能曲线平坦，适应工况变化能力强。

(3) 对机组进行流体动力学(CFD)流畅分析，通过CFD模拟各种工况下机组的气动性能，对于不利因素逐一修正，直到压缩机能够在足够宽的运行范围内保证较高效率。

(4) 除对此机组的高压缸叶轮采取CFD模拟验证以外，还进行了单级的模型级验证，并根据其结果改进叶轮性能，使其能够满足使用要求。

(5) 由于氨制冷压缩机组是整体系统，除了考虑压缩机本身的性能，还需要考虑机组各段进口气氨质量流量变化对整个系统造成的影响。当机组运行在抽气工况时，经过冷凝器的流量减少，冷凝压力下降，机组出口压力也随之降低，抽气设计时需要考虑出口压力变化对压缩机的影响，将压缩机的高效点设为抽气后的运行点。

(6) 机组的运行范围与防喘振线密切相关，一般防喘振线超出计算值5%～10%。为了尽可能节能，机组在现场运行一段时间后，完成防喘振线的实测，以获得更加精确的防喘振线，保证机组的运行范围更加精确。

不凝气体会降低冷凝器的冷凝效果，从而使压缩机的出口压力升高，产生额外的功耗。为了降低不凝气体的影响，一般在贮槽上设置排空阀来排除不凝气体，但同时贮槽内的氨气也会随之排出，造成极大浪费。为了解决此问题，采用了新型不凝气体分离装置，使不凝气体中的氨气冷凝成液氨后再重新回到贮槽中。为了加强不凝气体分离器的效果，装置直接设置在贮槽上方，增大了不凝气体分离器的换热面积，降低了不凝气体的流速，提高了换热效果。在不凝气体分离器与贮槽之间设置填料函，可以初步分离不凝气体中携带的液氨。气体中混有的氨气则在通过不凝气体分离器时被冷却为液氨。在分离器的出口设置控制阀，可以控制不凝气体排放速度。不凝气体的实际冷却效果与不凝气体冷却用液氨进液阀和排放阀的开度紧密相关，经过现场反复测试排放管路上不凝气体中氨气的含量，找到最佳的阀门控制开度，获得适当的分离效果。

2.2 氨压缩机与磷酸二铵工艺优化的研发

本创新点属于化工工艺流程优化及操作方向。磷酸二铵生产工艺采用外环流氨化喷浆造粒工艺，磷酸与气氨在外环流反应生成磷酸二铵料浆，再通过喷浆造粒、干燥、筛分等流程生产磷酸二铵产品[3]。由于市场采购或氨储存罐输送的都是液氨，需要把液氨转化为气氨才能作为生产原料，为此设置氨蒸发岗位，主要配备氨蒸发器设备，工艺流程见图1。

经过优化后的磷酸二铵工艺，由氨压缩机直接提供气氨，则无需设置氨蒸发岗位。如此，既优化了工艺流程及操作，又减少了设备装置及维护成本，降低了人工操作强度，节约了蒸汽能源消耗。

图1 氨蒸发工艺流程

氨压缩机一段气氨来自低温甲醇洗，二段、三段气氨来自氨合成。从氨压缩机三段进口抽一部分气氨输送去磷酸二铵生产，可减少氨压缩机三段进口流量，同时降低了氨压缩机一段、二段进口压力。匹配氨压缩缸体各段进气量，降低氨压缩机的转速，优化氨压缩机运行指标，有利于氨压缩机安全平稳运行，降低氨压缩机的功率。

2.3 氨压缩机工艺优化的研发

本创新点属于化工工艺流程优化及操作方向。一段进口气氨来自低温甲醇洗，气氨的设计工艺参数:压力为0.07 MPa、温度为-38.2 ℃、质量流量为10.7 t/h。但实际生产运行中，低温甲醇洗不需要这么多冷量，满负荷情况下，来自低温甲醇洗气氨最大质量流量约为8 t/h，其流量落在氨压缩机一段喘振区间内。要使氨压缩机不发生喘振，一段进口必须补充气氨，而补充的气氨来自压缩机三段出口，需要通过一段防喘振阀调节体积流量；同时，补充气氨的温度为130 ℃左右，要使其降至-38 ℃，需要根据温度变化，调节液氨温度控制阀阀门开度。压缩机二段、三段的气氨分别来自氨合成装置中的2个氨冷凝器，其设计参数分别为0.26 MPa、-12 ℃、16.9 t/h和0.57 MPa、8.1 ℃、15.6 t/h；实际运行中，氨合成需要更多的冷量，满负荷情况下，二段补气气体质量流量为18.9 t/h，三段补气气体质量流量为21.1 t/h，其质量流量大于设计值，导致氨压缩机出口冷凝器超负荷，部分气氨不能冷凝成液氨，造成压缩机二段、三段进口和三段出口超压。特别到夏季，循环水温度高，氨冷凝器冷凝效果降低，三段进出口超压特别明显，此时系统必须减负荷生产。根据压缩机一段流量不够而三段进口流量超出设计值导致的压缩超压现象，提出工艺优化方案：把三段进口部分气氨供给压缩机一段，既减少了三段进口补气量，减轻了压缩机压力，又减少了部分气氨在氨压缩机内部循环，优化了工艺流程，降低了氨压缩机的负荷[4]。

3 效果分析

3.1 节能对比分析

由于常规离心式氨压缩机无法在中间段进行抽气，一般只能从氨压缩机高压缸出口抽气。

夏季循环水进水温度为33 ℃，10 000 kg气氨消耗的氨压缩机功率为455 kW，折合蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)耗量约为2 t/h；磷酸二铵生产节约蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)耗量为10 t/h。

冬季循环水进水温度为25 ℃，10 000 kg氨气在高压缸压缩所耗功率为371 kW，折合蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)耗量约为1.62 t/h；磷酸二铵生产节约蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)耗量为10 t/h。

为了计算方便，全年夏冬两季各按照50%(全年为300 d)计算天数。蒸汽(3.8 MPa、420 ℃)价格为160 元/ t，蒸汽(0.5 MPa、158 ℃)价格为100元/t。

夏季节约蒸气消耗的金额为： 2 t/h×24 h×150 d×160元/t+10 t/h×24 h×150 d×100元/t=475.2万元。冬季节约蒸汽消耗的金额为： 1.62 t/h×24 h×150 d×160元/t+10 t/h×24 h×150 d×100元/ t=453.3万元。全年节约蒸汽消耗金额总计为928.5万元。

同时，全年节约设备维修费及人工费用为30万元。

无不凝气体排放装置时，排放不凝气体中的氨气体积分数约为60%，通过新型分离器分离后，氨气体积分数降为5%。机组每次排放时压力由1.65 MPa降至1.45 MPa，持续时间为10 min，储罐的容积为44 m3，经过计算，每次排放的不凝气体质量约为0.680 t。经过不凝气体分离装置分离后能够回收0.374 t的氨。每天排放5次，一年(300 d)能够节约的总氨质量为561 t。以氨的价格为3 200元/t计算，节约费用为 179.52万元。

将以上节约费用加总，每年总共节约费用为1 138.02万元。

3.2 社会效益与间接经济效益

氨压缩机中抽部分气氨，既可降低压缩机功率，节约蒸汽能耗，又有利于压缩机平稳运行。因此，此项目成果在设备装置及维护、优化工艺流程、降低劳动强度、稳定工艺指标、节约能源消耗等方面具有突出的技术优势。同时，节约蒸汽消耗，间接减少碳排放量，有利于保护环境。

4 结语

通过中抽式、离心式压缩机设计制造及实际运行控制效果来看，既满足了生产装置需要，又优化了工艺流程及操作，具有良好的社会效益与经济效益。