蒸吸工序氨气管线的优化与改造

王 剑

(1.唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305；2.河北省纯碱碱渣减量与资源化技术创新中心，河北 唐山 063305)

氨是氨碱法生产纯碱不可或缺的中间媒介，氨盐水碳酸化反应离开氨则不能成立。氨气管线是将氨从蒸馏工序输送至吸收工序的重要通道，管线内部介质主要有氨气、蒸汽、CO2等，温度约62 ℃，运行压力约在-10～5 kPa。我公司氨气管线运行至今已长达15年之久，部分管道老化、内层脱落，存在较大安全风险。

1 氨气管线存在的问题

1)管线老化。氨气管线已使用近15年，部分管段老化、内部脱层、管托内陷，存在破裂、坍塌风险，易造成系统停车事故，氨气大量泄漏将危及职工人身安全。另外，管线法兰口偶有漏气现象，影响下段气浓度，不利于碳化等关键工序工艺指标优化。

2)管线材质缺陷明显。目前氨气管线全部为玻璃钢(FRP)材质，导热性差，弹性模量低。首先，管线导热性差。相较于其它材料不易散热，氨气温度经管道输送的过程中变化幅度小，对吸收工序吸氨的效果没有助益。其次，弹性模量低。玻璃钢材质弹性模量为7×104MPa，钢的弹性模量在2.1×105MPa左右，远小于钢材质，刚性不足，容易变形，加之管道本身老化，一旦变形严重，氨气泄漏的风险增大。

3)流程复杂。氨气管线分为两部分：9#、1#、2#、3#、4#、7#、8#螺旋板出气进DN1200玻璃钢管线去往1#、2#、3#吸收塔，另一条复线由5#、6#螺旋板出气、固定铵出气进DN800玻璃钢管线去往4#、5#吸收塔。两条管线在4#吸收塔处有DN500串联管线。现场流程繁杂，不便于现场操作和远程调节。复线连接蒸馏塔氨气管线，由于来气管线较长，且复线氨气的来源较少，在蒸馏塔系统停车时，管线内氨气的浓度波动较大，影响4#、5#吸收塔吸氨，造成氨盐水质量波动。管线流程如图1所示。

图1 现有氨气管线流程示意图

2 氨气管线的设计

若要从根本上解决，保持设备长周期稳定运行，就必须对氨气管线进行更换，并优化工艺流程。主要从四个方面进行深入研究。

2.1 管道材质

TA2材质是目前工业生产中性能非常优异的材料，它导热性较强，比玻璃钢散热性好；具有很高的强度，且密度仅为钢的60%，强度却优于普通钢强度；同时在强腐蚀介质环境中拥有良好的化学稳定性和自钝化能力，这些性能完全契合了氨气运输的条件。首先散热性强，氨气管线内各介质含量占比如表1，其中水蒸汽含量占总体积的9.75%，水蒸汽更容易冷凝，减少水蒸汽进入吸收塔。另外，有利于管线内的氨气降温，提高吸收塔的吸氨效果。其次强度高、耐腐蚀，管线内部为负压真空状态，TA2材质自身的高强度导致设备承受真空压力时不易变形，避免了管道缝隙漏气和管道破裂的风险。

表1 氨气管线内介质含量占比

2.2 管线流程

流程的优化以便于操作，便于记忆为方针进行设计。因此可将复线去掉，将5#、6#螺旋板出气、固定铵系统出气并入总管，使所有的氨气均从主线通过，达到简化流程、缩短管线的目的。另外，调整氨气总管与各螺旋板换热器出气的接口间距，使每个螺旋板出气的间距保持相同，以此保证总管内氨气浓度的均衡，减小氨气浓度波动程度。按照这个思路设计的氨气管线流程图如图2。

图2 优化后氨气管线流程图

2.3 主线管径

复线去掉后虽然流程得到简化，但主线管径必须扩容。原氨气主线直径为1 200 mm，复线直径为800 mm，那么总的流通面积为：

新管线的流通面积应不小于1.63 m2，因此可计算新管主线管径：

求得x≥1.44 m。考虑未来如果蒸氨量增加，为了保证管道流通面积充足，减小管线阻力，避免限量，氨气主线管径选择1 600 mm。

2.4 主管线强度

主管线改为TA2材质后自身强度得到增强，但为了保证管道在负压状态下更加稳定，在管线外每隔一段增加一圈加强筋，使管道更加稳定、耐用。

3 投用后效果

氨气管线优化改造完成后，经过一段时间的使用，运行效果良好。

1)强度增加，密封性更强。由于设备全部改为TA2材质，强度有了明显的增加，抗腐蚀性更强，且加强筋的存在使氨气管线受力更加平衡、稳定，进一步补强了管道的抗压强度，新管由于减少了不必要的法兰口，使管线漏气的可能性更小，确保管线使用周期更长。

2)阻力变小。改造后管径由1.2 m改为1.6 m，流通面积大大增加，且管线缩短，氨气流通更加顺畅，阻力变小。

3)系统联系更紧凑。氨气能够从蒸馏塔进入吸收塔，依靠淡氨盐水吸氨以及吸收塔的真空产生动力。改造后由于阻力变小，氨气更容易进入吸收塔，这样带来的最明显的优点就是系统反应更敏捷、快速。当吸收塔提真空时，系统反应更加迅速，原来要4～5 min，现在只需要1～2 min，提高了吸收塔的操作节奏，同时吸收、蒸馏工序连接也更加紧凑。

4)提高氨盐水浓度。氨气管线设有集液箱，当约62 ℃的气体从管线经过， 与外界空气间接换热，气体中的部分水蒸汽就会冷凝沿集液箱排出。改造后由于管道材质有良好的导热性，主线温度下降，水蒸汽更容易冷凝，减少了进入吸收塔的水蒸汽，因此改造后氨盐水浓度有所提高。

4 小 结

通过对原有氨气管线的多方面优化改造，管道存在的安全问题得到彻底解决，且阻力变小，系统关联性更加紧密，水蒸汽分离效果更好，氨盐水浓度得到提高，蒸吸工况明显好转。