溴化鋰制冷機(jī)組在合成氨生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用

陜西興化集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡稱陜西興化集團(tuán))現(xiàn)有800 kt/a硝酸銨、300 kt/a復(fù)混(合)肥、100 kt/a濃硝酸和200 t/a羰基鐵粉的生產(chǎn)能力，是國內(nèi)最大的以硝酸銨為主導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)。合成氨工藝路線采用天然氣換熱式純氧兩段蒸汽轉(zhuǎn)化、中變串低變、苯菲爾脫碳、甲烷化制取合成氨用氫氣，氫氣與氮?dú)庠诤铣伤?nèi)催化劑的作用下反應(yīng)生成氨，總體分為Ⅰ期和Ⅱ期2套系統(tǒng)。在夏季生產(chǎn)中，由于氣溫和循環(huán)水溫度過高，造成進(jìn)入合成系統(tǒng)的新鮮氣溫度較高，氨冷凝器溫度上升，氨分離效果差，導(dǎo)致夏季與冬季的合成氨產(chǎn)量差異較大。為此，經(jīng)科學(xué)論證，決定采用溴化鋰制冷機(jī)組實(shí)施苯菲爾余熱制冷和余熱溴化鋰制冷技改工程，以解決夏季合成氨產(chǎn)量不足的問題。

1 溴化鋰機(jī)組工作原理及特性

溴化鋰機(jī)組的工作原理是以溴化鋰溶液為吸收劑，以水為制冷劑，利用水在高真空中蒸發(fā)吸熱達(dá)到制冷的目的。在溴化鋰機(jī)組中，經(jīng)蒸發(fā)后的冷劑水蒸氣被溴化鋰溶液吸收，溶液逐漸變稀，此過程在吸收器中進(jìn)行；然后以熱能為動(dòng)力，將溶液加熱使其水分分離出來，而溶液變濃；在發(fā)生器中得到的蒸汽在冷凝器中凝結(jié)成水，經(jīng)節(jié)流后再送至蒸發(fā)器中蒸發(fā)，如此循環(huán)達(dá)到連續(xù)制冷的目的。

按照熱源的不同，溴化鋰機(jī)組可以分為4類：①蒸汽型，即使用蒸汽作為驅(qū)動(dòng)能源；②直燃型，一般以油、氣等可燃物質(zhì)為燃料，不僅能夠制冷，而且可供熱(采暖)及提供衛(wèi)生熱水；③熱水型，使用熱水為熱源的溴化鋰機(jī)組，通常是以工業(yè)余熱、廢熱、地?zé)釤崴?、太陽能熱水為熱源；④太陽能型，由太陽能集熱裝置獲取能量以加熱溴化鋰機(jī)組發(fā)生器內(nèi)的稀溶液。目前，更多的是將溴化鋰機(jī)組按上述分類加以綜合，如蒸汽單效型、蒸汽雙效型、直燃型冷溫水機(jī)組等。此外，還有將上述熱源聯(lián)合使用的混合型機(jī)組，如蒸汽-直燃混合型、熱水-直燃混合型以及蒸汽-熱水混合型等。溴化鋰制冷機(jī)組具有可利用低位勢熱能(太陽能、余熱、廢熱等)，工藝介質(zhì)(溴化鋰水溶液)無臭、無毒、無害，無高壓爆炸危險(xiǎn)以及對(duì)外界條件變化適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2 溴化鋰制冷機(jī)組的應(yīng)用

根據(jù)拉爾遜-布列克經(jīng)驗(yàn)公式可知，在合成氨生產(chǎn)中，若壓力不變，合成塔入口氣體氨濃度僅與入口氣體溫度有關(guān)，而降低入口氣體溫度最有效的方法之一就是降低新鮮氣溫度，同時(shí)降低循環(huán)氣中氨含量亦有利于氨合成反應(yīng)。陜西興化集團(tuán)采用30 MPa高壓氨合成工藝，從表1可看出，30 MPa下氨冷凝器溫度每降低1 ℃，合成塔入口氣體氨體積分?jǐn)?shù)降低約0.1%。

表1 30 MPa壓力下不同氨冷凝器溫度下的合成塔入口氣體中氨體積分?jǐn)?shù) %

通過多方調(diào)研、實(shí)地勘察并與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行交流溝通，陜西興化集團(tuán)實(shí)施了苯菲爾溶液余熱制冷(Ⅰ期溴化鋰機(jī)組)和余熱溴化鋰制冷(Ⅱ期溴化鋰機(jī)組)2項(xiàng)技改工程。Ⅰ期溴化鋰機(jī)組制得的冷水送入氨合成混合機(jī)三段水冷器替換原循環(huán)水，Ⅱ期溴化鋰機(jī)組制得的冷水送入Ⅱ期合成氨水冷器替換原循環(huán)水，夏季可以使新鮮氣溫度、Ⅱ期合成氨水冷器出口合成氣溫度以及氨冷凝器溫度降低，有利于提高氨合成系統(tǒng)的氨凈值。

2.1 苯菲爾溶液余熱制冷工程

脫碳系統(tǒng)采用苯菲爾脫碳技術(shù)，脫碳貧液溫度為100～105 ℃、流量約150 t/h。在工藝生產(chǎn)過程中，脫碳貧液需冷卻降溫至80 ℃后進(jìn)入脫碳塔，原設(shè)計(jì)直接通過貧液水冷器利用循環(huán)水進(jìn)行冷卻，現(xiàn)利用這部分苯菲爾溶液的余熱來驅(qū)動(dòng)熱水型溴化鋰機(jī)組，制取的低溫冷水代替循環(huán)水供給氨合成工序各混合機(jī)水冷器使用。Ⅰ期溴化鋰制冷機(jī)組工藝流程如圖1所示。

圖1 Ⅰ期溴化鋰制冷機(jī)組工藝流程

具體改造步驟：在Ⅰ期脫碳現(xiàn)場安裝熱水型溴化鋰機(jī)組1臺(tái)、冷水槽1只和冷水泵2臺(tái)；從Ⅰ期脫碳系統(tǒng)閃蒸槽貧液出口進(jìn)貧液水冷器前管線上配專用管線至溴化鋰機(jī)組熱源入口，機(jī)組熱源出口配管線至貧液水冷器出口管線，機(jī)組冷水出口配管線至混合機(jī)三段水冷器上水管線，在混合機(jī)三段水冷器回水管線處配管線引至脫碳系統(tǒng)冷水槽，冷水槽出口配管線至冷水泵，冷水泵出口配管線引至溴化鋰機(jī)組冷水入口；溴化鋰機(jī)組循環(huán)水接口分別接循環(huán)上水和回水管線。

該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)施工過程中遇到了脫碳溶液具有腐蝕性、貧液泵汽蝕及出現(xiàn)苯菲爾溶液結(jié)晶、循環(huán)水的平衡及電平衡等技術(shù)難題，為此與設(shè)計(jì)廠商溝通交流，多次探討及反復(fù)論證，最終確立了有針對(duì)性的解決方案。對(duì)于腐蝕問題，主要通過改變溴化鋰發(fā)生器材質(zhì)來解決，最終選用316L不銹鋼；對(duì)于汽蝕問題，通過降低發(fā)生器阻力并經(jīng)汽蝕余量計(jì)算，使之達(dá)到泵入口的汽蝕余量；對(duì)于結(jié)晶問題，采用停車后立即沖洗及合理設(shè)置沖洗閥、導(dǎo)淋閥來解決；通過設(shè)計(jì)計(jì)算，滿足系統(tǒng)供水要求；通過增設(shè)變電設(shè)備，解決電不平衡問題。

2.2 余熱溴化鋰制冷技改工程

出低溫變換爐的低變氣(290 ℃)經(jīng)低變廢熱鍋爐、再生塔再沸器回收熱量，降溫至130 ℃后進(jìn)入低變水冷器，冷卻至75 ℃左右后送入脫碳系統(tǒng)。低變氣溫度從130 ℃下降至75 ℃的這部分熱量沒有回收，造成了浪費(fèi)。在脫碳系統(tǒng)再生熱量平衡及水平衡計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過減少甚至停用低變水冷器循環(huán)水，使廢熱鍋爐多產(chǎn)蒸汽來保證0.3 MPa低壓蒸汽的穩(wěn)定供應(yīng)。以副產(chǎn)的0.3 MPa低壓蒸汽作為溴化鋰機(jī)組驅(qū)動(dòng)熱源制取低溫冷水，代替Ⅱ期合成氨水冷器循環(huán)水。Ⅱ期余熱溴化鋰制冷機(jī)組工藝流程如圖2所示。

具體改造步驟：在Ⅱ期脫碳系統(tǒng)安裝蒸汽型溴化鋰機(jī)組2臺(tái)、冷水槽1只和冷水泵2臺(tái)；從低變廢熱鍋爐出口配專用管線引副產(chǎn)0.3 MPa低壓蒸汽至Ⅱ期溴化鋰機(jī)組熱源入口，機(jī)組出口凝液配管線送脫碳系統(tǒng)回收，機(jī)組冷水出口配管線至Ⅱ期合成氨水冷器上水管線，在Ⅱ期合成氨水冷器回水管線處配管線引至冷水槽，冷水槽出口配管線至冷水泵，冷水泵出口配管線引至機(jī)組冷水入口；機(jī)組循環(huán)水接口分別接循環(huán)上水和回水管線。

圖2 Ⅱ期余熱溴化鋰制冷機(jī)組工藝流程

3 投用效果

Ⅰ期熱水型溴化鋰機(jī)組投用后，優(yōu)化了脫碳系統(tǒng)工藝指標(biāo)，溴化鋰機(jī)組投用前后Ⅰ期脫碳系統(tǒng)二次氣中φ(CO2)如表2所示，溴化鋰機(jī)組投用前后合成氨混合機(jī)出口氣體溫度、氨冷凝器溫度如表3所示。

表2 溴化鋰機(jī)組投用前后Ⅰ期脫碳系統(tǒng)二次氣中φ(CO2)%

表3 溴化鋰機(jī)組投用前后合成氨混合機(jī)出口氣體溫度和氨冷凝器溫度℃

從表2可看出，Ⅰ期脫碳系統(tǒng)二次氣中φ(CO2)降低約0.06%。Ⅰ期溴化鋰制冷機(jī)組投用后，可回收貧液熱量7.64×106kJ/h，相當(dāng)于年回收22 kt蒸汽，每小時(shí)制得7 ℃冷水390 t。

從表3可看出：1#混合機(jī)出口氣體溫度降低31 ℃，4#混合機(jī)出口氣體溫度降低22 ℃，Ⅰ期及Ⅱ期氨冷凝器溫度均降低3 ℃。由表1可知，在其他條件不變的情況下，合成塔入口氣體中氨體積分?jǐn)?shù)較溴化鋰制冷機(jī)組投用前降低約0.3%。

Ⅱ期余熱溴化鋰制冷機(jī)組投用后，Ⅱ期合成氨水冷器出口合成氣溫度較往年同期下降8～10 ℃。Ⅱ期余熱溴化鋰制冷機(jī)組的驅(qū)動(dòng)蒸汽是依靠優(yōu)化工藝、減少循環(huán)水用量而來，相當(dāng)于年回收蒸汽60 kt。

溴化鋰制冷機(jī)組的投用徹底避免了夏季因循環(huán)水溫度高對(duì)氨合成的不利影響，通過降低新鮮氣及Ⅱ期合成水冷器出口合成氣溫度，合成氨產(chǎn)量較往年同期增產(chǎn)20 t/d，消耗也相應(yīng)降低。

4 結(jié)語

通過實(shí)施Ⅰ期、Ⅱ期溴化鋰制冷機(jī)組改造，成功回收了脫碳貧液低位熱能和低變氣余熱，溴化鋰機(jī)組制得的冷水用于合成氨裝置，可增產(chǎn)合成氨20 t/d。按溴化鋰機(jī)組年運(yùn)行180 d、合成氨銷售價(jià)格1 800元/t計(jì)，年可創(chuàng)收648萬元。

溴化鋰制冷機(jī)組在本菲爾脫碳系統(tǒng)的應(yīng)用具有一定的獨(dú)特性，在國內(nèi)同行業(yè)中率先實(shí)現(xiàn)了未加接力泵和加壓泵的情況下確保脫碳系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，并且解決了機(jī)組腐蝕、溶液結(jié)晶等一系列問題。該溴化鋰制冷機(jī)組在陜西興化集團(tuán)合成氨系統(tǒng)的投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了低位熱能制冷技術(shù)的成功應(yīng)用，同時(shí)為其他低位熱能的使用提供了新的技術(shù)思路。