袁紅玲 ， 劉銳杰 ， 顧朝暉

(河南心連心化肥有限公司 ， 河南 新鄉(xiāng) 453731)

?設(shè)計與計算?

合成氨解吸廢氣在封頭加熱爐中的應(yīng)用

袁紅玲 ， 劉銳杰 ， 顧朝暉

(河南心連心化肥有限公司 ， 河南 新鄉(xiāng) 453731)

目前封頭行業(yè)加熱爐氣源基本全部采用工業(yè)天然氣，為了合理配置園區(qū)資源，有效降低燃?xì)獬杀?，河南心連心化肥有限公司通過對合成氨系統(tǒng)解吸廢氣進(jìn)行技術(shù)可行性及經(jīng)濟可行性分析，最終確定了從吹風(fēng)氣崗位緩沖罐后2號爐調(diào)節(jié)閥前引管線至封頭加熱爐。同時為保證安全聯(lián)用，在封頭加熱爐入口處新增穩(wěn)壓水封、防回火水封及氣水分離器等設(shè)備，成功將合成氨解吸廢氣運用到封頭加熱爐作為燃料使用，該項應(yīng)用不僅合理配置了園區(qū)資源，實現(xiàn)了化工園區(qū)的利益最大化，也大大降低了封頭加熱爐對天然氣的依賴，使封頭公司燃?xì)獬杀窘档?3%左右，提高了封頭產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)的競爭力。

合成氨 ； 解吸廢氣 ； 封頭加熱爐 ； 天然氣

0 前言

河南神州精工制造股份有限公司8 000 t加熱爐原氣源為某燃?xì)夤咎峁┑奶烊粴?，額定用氣量約為1 000 Nm3/h，工業(yè)用天然氣價格約為3.0元/Nm3，天然氣消耗已經(jīng)成為神州封頭公司的主要成本組成。同時，與神州公司毗鄰的河南心連心化肥有限公司，有一股合成氨解吸廢氣，是合成氨弛放氣及氨罐弛放氣洗氨后，再經(jīng)過變壓吸附提氫產(chǎn)生的解吸廢氣，平均流量為650 Nm3/h，通過送吹風(fēng)氣崗位回收利用，副產(chǎn)中壓3.8 MPa的中壓蒸汽。該解吸廢氣平均熱值約18 810 kJ/Nm3，低于天然氣的熱值35 856.04 kJ/Nm3，但是明顯高于其他化工氣體的熱值，如半水煤氣、焦?fàn)t氣等。所以理論上是可以用來作為加熱爐的燃?xì)馐褂谩?/p>

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及用戶需求

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

解吸廢氣組分：CH4，43.2%；H2，31.5%；N2，25.3%。平均流量：900～400 Nm3/h(650 Nm3/h)。工作壓力：25～80 kPa(氣源壓力15～100 kPa循環(huán)波動)。溫度：環(huán)境溫度。管道直徑：DN150(Φ159×4.5)。管道長度：1 150 m。合成至吹風(fēng)氣緩沖罐800 m(現(xiàn)有)+吹風(fēng)氣至封頭加熱爐350 m(新配)。閥門個數(shù)：10個。彎頭個數(shù)：116個。管道提升高度：5 m。

1.2 用戶需求

封頭加熱爐壓力需求：8 kPa(7～10 kPa)。

2 改造方案

改造方案主要包括工藝流程設(shè)計、管道壓力降核算、主要設(shè)備核算等。

2.1 工藝流程設(shè)計

在工藝流程設(shè)計中，一方面由于解吸廢氣是變壓吸附提氫的尾氣，其壓力是在一定范圍內(nèi)波動的，因此不利于氣體的穩(wěn)定輸送，必須考慮增設(shè)緩沖罐來穩(wěn)定壓力；另一方面，封頭用氣為間歇用氣，白天用氣量大且頻繁開停，如果與合成氨系統(tǒng)相聯(lián)絡(luò)，必然會影響到合成氨系統(tǒng)的穩(wěn)定操作；最重要的一點是安全，頻繁開停必然會增加安全隱患，為了保障合成氨系統(tǒng)的安全，必須考慮增設(shè)安全水封、分離器等設(shè)備。

通過實際考察，解吸氣送至封頭的方案有兩種，方案一是：從吹風(fēng)氣崗位引管線至封頭，將2號爐進(jìn)口管線氣調(diào)閥前過濾器更換為三通，通過管線連接至封頭；方案二是從合成崗位引管線至封頭，將解吸氣出口去小氣柜閥門前彎頭更換為三通，通過管線連接至封頭。

經(jīng)過對兩種方案進(jìn)行管道壓力降的測算，得出兩個方案均能實現(xiàn)解吸廢氣輸送至封頭加熱爐。但考慮投資、施工難度、操作難度等因素，方案一從吹風(fēng)氣崗位引管線至封頭，新增管線較短，且可利用吹風(fēng)氣崗位16 m3的緩沖罐，無需再增加較大的緩沖罐，投資較??；施工中可利用的管架多，沿線管架空間大，施工難度較低；在投運后可作為吹風(fēng)氣崗位的第三臺爐由吹風(fēng)氣崗位協(xié)調(diào)操作，操作難度相對方案二較低，綜合以上因素考慮選擇方案一從吹風(fēng)氣崗位引管線至封頭。

工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

流程簡述：將吹風(fēng)氣崗位2號爐進(jìn)口管線氣調(diào)閥前過濾器更換為三通，作為送封頭解吸氣的出口，出口設(shè)置截止閥，便于吹風(fēng)氣崗位檢修。截止閥后設(shè)置壓力表和流量計，并體現(xiàn)在吹風(fēng)氣DCS系統(tǒng)上，便于吹風(fēng)氣崗位根據(jù)壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。吹風(fēng)氣緩沖罐后的氣體壓力為25～80 kPa，經(jīng)管道送至封頭加熱爐附近，分別經(jīng)過緩沖罐、電磁切斷閥、穩(wěn)壓水封、防回火水封及氣水分離器，緩沖罐的作用穩(wěn)定用戶用氣壓力，兩個水封的作用調(diào)節(jié)出口壓力，并起到安全保護(hù)作用，分離器的作用是將氣體中所帶水分充分分離。出分離器的氣體進(jìn)入減壓閥將壓力減至8 kPa后，送加熱爐燃燒。

2.2 管道壓力降核算

《化工工藝手冊》第四版：表2.1“常用流速范圍表”：壓縮氣體p≤0.3 MPa(表壓)，流速為8～12 m/s。管道輸送平均流量為650 Nm3/h，管道直徑為Φ159 mm×4.5 mm，計算流速約為10 m/s，符合常用流速范圍。

表2.2-2“每100 m管長的壓力降控制值”：輸送氣體的管道111 kPa

①當(dāng)緩沖罐壓力為25 kPa，輸送流量按照900 Nm3/h，此時流體的雷諾數(shù)為Re>4 000，所以摩擦系數(shù)的計算公式為：

取管道的絕對粗糙度ε=0.3 mm，則相對粗糙度ε/d=0.002；所以摩擦系數(shù)λ=0.023 4；直管段的阻力損失為：hf1=λl/d×u2/2=5 505 J/kg；通過查資料，彎頭的阻力系數(shù)ζ1=0.75，截止閥的阻力系數(shù)ζ2=6.4，所以管件的阻力損失為：

hf2=(36×ζ1+8×ζ2)×u2/2=7 884 J/kg

管道的位差損失為：hf3=gz=49 J/kg；

所以管道中總的阻力損失為：hf=13 438 J/kg；

管道中總的壓力降為：

△p=ρhf=0.681×13 438=9.2 kPa。

即當(dāng)緩沖罐壓力為25 kPa時，壓力降為9.2 kPa，出口壓力約為15.8 kPa。

②同理：當(dāng)緩沖罐壓力為50 kPa時，壓力降為4.7 kPa，出口壓力約為45.3 kPa；當(dāng)緩沖罐壓力為80 kPa時，壓力降為1.8 kPa，出口壓力約為78.2 kPa。核算結(jié)果與ASPEN PLUS軟件核算結(jié)果接近，滿足管道壓力降控制值15.75 kPa。

2.3 主要設(shè)備核算

2.3.1 緩沖罐核算

在封頭停止用氣后，一方面吹風(fēng)氣崗位需要一定的時間進(jìn)行倒氣操作，時間為3～5 min，另一方面合成解吸氣壓力應(yīng)<0.1 MPa，在兩者的約束下，要求合成解吸氣出口至封頭電磁切斷閥前的管道及設(shè)備空間，具有升壓至0.1 MPa時間3～5 min，顯然，管道及設(shè)備空間越大，升壓時間越長。

現(xiàn)有廢棄緩沖罐一個，容積為6 m3，計算采用此緩沖罐配合吹風(fēng)氣緩沖罐及管道，能否滿足所需升壓時間。計算過程如下：

儲氣罐容積計算公式：

QS·t·p0=V·(p1-p2)

即：t=[V·(p1-p2)]/(Qs·p0)

式中：V，管線及緩沖罐的體積，V=V1+V2+V3+V4。其中V1(管線體積)，20m3；V2(解吸氣緩沖罐體積)，20 m3；V3(吹風(fēng)氣緩沖罐體積)，16 m3；V4(廢棄緩沖罐體積)，6 m3；故V=62 m3。

p1，為最高允許壓力，0.1 MPa，絕對壓力為0.2 MPa，即200 kPa；p2，為工作壓力，50 kPa，絕對壓力為150 kPa；QS，為流量，650 Nm3/h，即，10.8 Nm3/min；p0，為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，絕對壓力100 kPa。

將上述數(shù)據(jù)代入公式計算得：

即：封頭停用解吸氣3 min內(nèi)若重新啟用，或者吹風(fēng)氣啟用解吸氣，可不致管道憋壓超過0.1 MPa。

此計算結(jié)果是理論平均值，實際憋壓時間根據(jù)實際壓力大小可能增加或縮短。

2.3.2 水封槽核算

根據(jù)HG/T 20570.17-95中涉及的常用液封裝置，在加熱爐前增加的液封屬于燃料氣進(jìn)口液封，其目的是使設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)維持一定壓力，保證安全生產(chǎn)。水封槽需要確定的主要參數(shù)是水封槽高度，水封槽直徑主要是考慮配管空間，故以下僅對穩(wěn)壓水封及防回火水封的高度進(jìn)行計算。

2.3.2.1 穩(wěn)壓水封水封高度的確定

式中：Hmin，最小水封高度，m；p1，進(jìn)口壓力，105Pa；p2，出口壓力，105Pa；γ，相對液體密度；hf：管道/設(shè)備阻力降，一般情況下，hf值較小可以忽略不計。

考慮該穩(wěn)壓水封正常進(jìn)口壓力為50～80 kPa，其后設(shè)置有防回火水封，及減壓閥，故設(shè)定該水封具有降低20 kPa壓力的能力。

為保證水封效果，水封高度一般選取比計算所需高度加0.3～0.5 m余量為宜，取余量0.4 m。

故：穩(wěn)壓水封高度為2.4 m。

2.3.2.2 防回火水封高度的確定

防回火水封主要作用是安全防回火，液位較低，但考慮到如果進(jìn)口壓力較高可以起到一定的降壓作用，故設(shè)定該水封具有降低10 kPa壓力的能力。

計算同2.3.2.1，代入得：

取余量為0.5 m，故：防回火水封的高度為1.5 m。

注意：水封介質(zhì)在冬季有可能結(jié)凍，應(yīng)采取防凍措施。

2.3.3 分離器核算

設(shè)置分離器的目的是除去水封出口氣體中攜帶的水分，減少水分對燃燒的影響，并對分離水具有一定的儲存作用，以及對氣體具有一定的緩沖作用。

=1.96 m/s

ue≤Vt，即容器中的氣體流速必須小于懸浮液滴的浮動流速，取ue=1 m/s。

得：D=0.0188(900×1.5)0.5=0.7 m，

取整到1 m，并進(jìn)行適當(dāng)放大，D=1.2 m，高度H根據(jù)實際情況取2.4 m。

此計算是根據(jù)HG/T 20570.8-95近似估算法計算的。

3 投資概算

表1 設(shè)備材料投資

4 改造小結(jié)

改造完成后即對裝置進(jìn)行了試壓、試漏及試運行，點火試運行方案是對置一組燒嘴逐組投運，第一組燒嘴點火成功后每隔20 min新增一組燒嘴投運，6組燒嘴全部投運后，又進(jìn)行了摻燒天然氣的試運行。經(jīng)過近兩個小時的試驗，全部點火燃燒方式試運行結(jié)束，神州封頭8 000 t加熱爐不僅能夠單獨使用天然氣或者合成解吸廢氣，也可以兩者摻用，氣源靈活度大大提高。同時，使用的合成解吸廢氣比例越大，燃?xì)獬杀驹降汀８脑斓某晒ν哆\，標(biāo)志著神州封頭加熱爐用氣改造項目一次投運成功，神州封頭公司成為行業(yè)第一個使用天然氣之外氣源的廠家。2016年4月，通過三個月的試運行得出，神州公司8 000 t加熱爐燃?xì)獬杀就认陆?3%，預(yù)計年節(jié)約成本在200萬元以上，大大提升封頭產(chǎn)品的市場競爭力。

2016-08-17

袁紅玲(1986-)，女，工程師，從事化工設(shè)計及合成氨生產(chǎn)工藝研究，電話：15903863515，郵箱yuanhongling1225@163.com。

TQ051.5

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1003-3467(2016)12-0047-04