許 海，張東旭

(山東能源集團(tuán)新疆能化公司， 烏魯木齊 830000)

兗礦新疆煤化工有限公司(簡(jiǎn)稱兗新煤化)是兗礦集團(tuán)在新疆投資運(yùn)營(yíng)的60萬(wàn)t/a醇氨聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，其產(chǎn)能為30萬(wàn)t/a甲醇、52萬(wàn)t/a尿素，同時(shí)副產(chǎn)2.6萬(wàn)t/a硫酸及5萬(wàn)t/a液氧，于2012年投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。整個(gè)系統(tǒng)中CO2壓縮機(jī)是沈鼓成套裝置(沈鼓設(shè)計(jì)的第一臺(tái)CO2壓縮機(jī))，近來(lái)其中三段冷卻器換熱效果差，換熱后出氣溫度超指標(biāo)范圍，于是聯(lián)系廠家更換其中的管束，更換后明顯改善效果。

1 CO2壓縮機(jī)原理

1.1 CO2壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

與CO2壓縮機(jī)相配套的原動(dòng)機(jī)是蒸汽透平，又稱蒸汽輪機(jī)或汽輪機(jī)，是一種將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。利用溫度為390 ℃、壓力為3.8 MPa的過(guò)熱蒸汽，在固定噴嘴內(nèi)膨脹后，使蒸汽的熱能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，然后被高速噴射到葉片上，又使動(dòng)能變?yōu)闄C(jī)械能，讓葉輪旋轉(zhuǎn)起來(lái)。同時(shí)通過(guò)軸的連接帶動(dòng)CO2壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到加壓CO2的工藝要求。

通常將壓縮機(jī)的葉輪和與其相配合的固定擴(kuò)壓器稱為離心壓縮機(jī)的一個(gè)級(jí)。氣體通過(guò)一級(jí)所能提高的壓力是有限的。為了達(dá)到高的壓力，就必須采用多級(jí)壓縮，即將若干個(gè)葉輪串接起來(lái)。將若干級(jí)裝在1個(gè)機(jī)殼內(nèi)，就組成1個(gè)缸。1個(gè)缸最多能裝10級(jí)，否則缸體太長(zhǎng)會(huì)使密封更加復(fù)雜[1]。如果要獲得更高的壓力，可采用多缸。氣體在缸內(nèi)經(jīng)壓縮后溫度升高。如繼續(xù)壓縮，在設(shè)備材質(zhì)、氣體性質(zhì)方面將會(huì)受到限制。此外，為了節(jié)省功耗，通常在氣體壓縮到一定壓力后，將氣體從缸內(nèi)引出進(jìn)行冷卻，降低氣體溫度[2]。將冷凝下來(lái)的水滴分離后進(jìn)行下一級(jí)的壓縮。三段冷卻器流程見(jiàn)圖1。

圖1 三段冷卻器流程圖

1.2 設(shè)置段間冷卻器的作用

從理論上講，氣體等溫則壓縮功耗最小，而氣體壓縮過(guò)程中，氣體溫度必然升高。對(duì)于多級(jí)壓縮，通過(guò)分段壓縮并經(jīng)中間冷卻降溫，可使得壓縮過(guò)程接近于等溫過(guò)程，降低壓縮功耗。同時(shí)當(dāng)壓縮危險(xiǎn)介質(zhì)時(shí)，降低其溫度也更加安全。

2 流程簡(jiǎn)述

從甲醇凈化裝置來(lái)的CO2氣體，體積分?jǐn)?shù)為98.5%，其壓力為0.124 MPa，溫度為40 ℃。經(jīng)CO2分離器分離后，進(jìn)入一段缸加壓至0.565 MPa、152 ℃，然后在一段出口冷卻器與一定量的空氣相混合(空氣量為CO2體積的4%)，主要用于高壓設(shè)備的防腐和脫氫。在尿素的生產(chǎn)過(guò)程中，氧氣可以在尿素合成塔、CO2汽提塔、高壓洗滌器及高壓甲銨冷凝器等設(shè)備表面形成一層致密的氧化膜， 以防止尿素-甲銨液對(duì)設(shè)備的腐蝕，總控調(diào)節(jié)進(jìn)空氣量，保證CO2入汽提塔的氧氣體積分?jǐn)?shù)為0.6%～0. 8%[3]。加入空氣后的CO2氣體在二段入口分離器分離液滴后進(jìn)入壓縮機(jī)二段缸，出二段缸的氣體(2. 388 MPa、188.2 ℃)從二段出口冷卻器冷卻到60～80℃后進(jìn)入脫硫槽，除去氣體中的硫化物，脫硫后CO2進(jìn)行脫氫后反應(yīng)，經(jīng)換熱器換熱后，再進(jìn)入中壓CO2冷卻器冷卻至40℃左右后，進(jìn)入三段入口CO2汽液分離器，分離液滴后進(jìn)入三段壓縮至8. 6 MPa，經(jīng)三段出口冷卻器冷卻后CO2溫度約為55 ℃，再進(jìn)入四段缸，最終CO2氣體被壓縮到14.6 MPa后進(jìn)入汽提塔下部。

Aspen plus 調(diào)用CO2物性數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2～圖4。

圖2 0.124 MPa、40～160 ℃下CO2密度曲線圖

圖3 8.6 MPa、40～160 ℃下CO2密度曲線圖

由圖2～圖4可知：在一定壓力下， CO2密度會(huì)隨溫度的升高而降低。操作中希望進(jìn)入汽提塔底部的CO2氣量保持較小波動(dòng)，即入口溫度變化小，CO2盡可能“實(shí)”，才能使進(jìn)入系統(tǒng)的CO2量與負(fù)荷加液NH3的量對(duì)應(yīng)，方便工藝操作人員判斷與操作，使得系統(tǒng)工藝操作利于指標(biāo)控制，進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)降耗的目的。

3 問(wèn)題簡(jiǎn)述

3.1 改造前

由于三段冷卻器投用時(shí)間已久，出現(xiàn)溫度遠(yuǎn)超指標(biāo)范圍后，經(jīng)車(chē)間排查原因后發(fā)現(xiàn)，其中某些列管出現(xiàn)泄漏，遂進(jìn)行短停封堵漏處理。但因?qū)Q熱面積減少，CO2溫度實(shí)測(cè)達(dá)到95～99 ℃(設(shè)計(jì)指標(biāo)為55 ℃左右)，造成系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷重及蒸汽消耗增加。

車(chē)間進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，同時(shí)加配疏水管道，加快冷卻水排除，以達(dá)到降溫目的。同時(shí)積極采購(gòu)管束(三段換熱器的管程)，并作短停處理以更換管束。

在更換管束過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水污泥堵塞導(dǎo)淋閥，且在管束外側(cè)形成結(jié)垢，反應(yīng)冷卻器沒(méi)有起到足夠的冷卻作用。

3.2 改造后

通過(guò)更換新的管束，對(duì)比前后數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)冷卻效果明顯優(yōu)化，系統(tǒng)運(yùn)行情況也更加穩(wěn)定。改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

由表1可知：系統(tǒng)加量區(qū)間增大，進(jìn)汽提塔CO2溫度降低，汽提塔出液溫度下降，使得縮二脲含量下降；三段冷卻器出口溫度下降至指標(biāo)范圍內(nèi)，使氣體更加“實(shí)”；通過(guò)此次更換換熱器管束，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)趨于正常。

對(duì)于換熱器來(lái)說(shuō)，要保證其材質(zhì)，冷卻介質(zhì)循環(huán)水盡可能干凈，減少污垢及對(duì)列管和殼程的腐蝕，防止泥沙堵塞閥門(mén)。工藝操作上防止劇烈的溫度變化，加強(qiáng)換熱器的日常維護(hù)保養(yǎng)。

4 經(jīng)濟(jì)效益

改造前后3.8 MPa蒸汽消耗匯總見(jiàn)表2和表3。

表2 改造前3.8 MPa蒸汽消耗

表3 改造后3.8 MPa蒸汽消耗

更換前后蒸汽單耗差為0.41 t/h， 通過(guò)更換三段換熱器管束，每天(24 h)可節(jié)約3.8 MPa蒸汽質(zhì)量為9.84 t。不僅減少了蒸汽消耗量，而且有助于整個(gè)工藝系統(tǒng)指標(biāo)、系統(tǒng)加減量有較大操作區(qū)間等。

5 總結(jié)

通過(guò)此次更換三段換熱器管束，換熱器效果明顯優(yōu)化，同時(shí)減少了3.8 MPa蒸汽消耗，達(dá)到負(fù)荷節(jié)能降耗的目標(biāo)。每件設(shè)備都有其使用年限，在使用過(guò)程中要按時(shí)保養(yǎng)檢測(cè)[4]，確保安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。