大化肥集成制冷氨气压缩机的研制

摘要：大型尿素合成低温甲醇洗工段和氨合成工段都需要外界向系统提供冷量，国际上传统设计采用两套氨制冷压缩机，一套为低温甲醇洗系统提供冷量，另一套为氨合成系统提供冷量，两套氨制冷压缩机在设备投资和运行中的工程消耗都非常大。 为了降低我国化肥行业的建设成本，彻底摆脱我国化肥建设受制于人的状况，沈鼓集团围绕大化肥装置用氨压缩机节能优化、机组多次加气设计、机组安全可靠性和叶轮材料等方面存在的系列问题，组织进行了大量的科研攻关，自主研制成功国内首套大型化肥装置节能用制冷氨压机组，该机组的研制成功实现了节能和自主化设计，既用一套氨制冷压缩机分别为低温甲醇洗和氨合成系统提供冷量，也满足了国家节能降耗的需要。

一、项目背景

中国是一个农业大国，农产品在国民经济中占重要地位。农作物在生长过程中需要氮、磷、钾等营养，尤其是氮肥对农作物增产起到至关重要的作用。

我国现在氮肥以尿素为主， 尿素的合成大致分为原料气制备、原料气净化、氨合成和尿素合成四个过程。原煤气化后产生的合成气中除含有 H2、CO外 , 还含有一定量的其他组分, 主要是 H2 S、COS等硫化物和CO2，这些酸性物质含量过高对下游工艺影响很大，合成气作为原料进一步使用前 , 必须进行净化处理，脱除其中的H2S和CO2， 目前国内外普遍采用低温甲醇洗技术净化粗煤气[1]。

低温甲醇洗工艺是由德国林德( Linde) 公司和鲁奇( Lurgi) 公司共同研究开发的，它以冷甲醇( -60℃) 作为吸收剂。低温甲醇溶液吸收H2S、CO2过程是一个放热的过程，而吸收需要在较低的温度 ( -70～-40℃)下进行[2]，为了维持吸收塔的低温环境必须由外界向系统提供冷量，大多采用氨制冷系统，来自低温甲醇洗装置 0.07MPa、-40℃的气氨进入本装置的低温过冷器的壳程，被管程 40℃的液氨加热到 30℃，同时液氨被冷却到 4℃，送出低温甲醇洗用于-40℃级制冷，需要一套氨气离心压缩机为其提供制冷动力。

二、传统设计简述

原料气经过低温甲醇洗净化，液氮洗精炼后进入氨合成装置进行合成氨，并冷凝分离成液体产品氨，送往氨库作尿素原料。净化后的新鲜合成气经过合成气压缩机至14.0MPa(A)与循环气混合，共同压缩至15.0MPa(A)，经过换热到210℃进入合成塔合成。合成后气体经过系统换热到23℃，入第一氨冷却器用0℃级氨将气体冷却到 5℃，再经第二氨冷器的-18℃级氨将气体冷却到-12℃。使大部分氨冷凝为液氨。进入氨分离器，使液氨从气体中分离出来，两级氨冷使用的液氨均来自于制冷系统。蒸发后的气氨按不同压力等级分别送回制冷系统。经过氨气制冷压缩机压缩后液化循环使用。

综上所述，合成尿素过程中，原料气净化和氨合成过程均需要外界向系统提供冷量，因氨是尿素生产过程中的产品之一，所以一般采用氨气作为冷剂。氨气通过离心压缩机压缩至1.7MPa(A)后进行液化，液氨输送到换热器进行闪蒸制冷，气氨重新回到压缩机压缩，循环利用。在以往的工艺中低温甲醇洗和氨合成的制冷压缩机的是分别设计的，是两套独立的压缩机组，以沈鼓集团为山东鲁西化工有限公司(采用兰州航天院尿素合成工艺技术)设计、制造的两套氨气压缩机组为例进行详细说明。

合成氨制冷压缩机相对于低温甲醇洗制冷压缩机机型小一些，根据工艺参数压缩机选型为3MCL458，机组为单缸三段八级压缩，叶轮名义直径为450mm，机组设计参数见表2。

采用两套氨制冷压缩机，一次性投资比较大，而且制冷系统的工程消耗等都比较大，不利于能源的节约和利用。

三、设计创新

针对这一问题，沈鼓大胆提出将低温甲醇洗和氨合成两套氨制冷压缩机组集成为一套的想法，并与设计院一同讨论了将两个工艺流程集成的可能性，以达到节能减排的目的。经过双方共同努力，设计院计算出了集成制冷系统工艺参数，详见表3。

通过表1～表3的对比可以看出，传统氨气制冷压缩机组段间只有一次加气，工艺流程比较短，工艺气量、温度、压比分布均匀，加上已经应用多年，技术已经非常成熟，压缩机设计比较容易。将两套制冷氨压机集成为一套之后，工艺系统复杂、流程大大加长，需要冷量众多，压缩机过程中有-18℃、-5℃、4℃三次加气，各段气量、压比分布不均匀，给压缩机的设计、制造都带来相当大的难度，系统流程图如图3所示。

图3 集成制冷氨压机系统流程示意图

气动方案难度大，机组既要满足工艺的要求，又需要考虑到结构的可行性，系列化叶轮均不能完全与工艺匹配，详细工艺参数见表4。

结构设计难度大，低压缸2MCL606，为两段六级压缩，叶轮只能采用4/2分布，一段压比为3，二段压比为1.7，两段压比相差大，轴向力很难平衡。低压缸转子图如图4所示。

高压缸3MCL608，为三段八级压缩，叶轮为背靠背布置，各段叶轮数量为2/3/3。叶轮多转子过长，转子跨径比达到了13.39，转子稳定性[3]很难保证。高压缸转子如图5所示。

图5 高压缸转子

四、社会与经济效益

集成氨气制冷离心压缩机组，用一套氨压机组实现了传统设计二套制冷压缩机的功能，提供了大型化肥合成过程中所需的全部冷量，减少了一套压缩机组及其配套设备，节省了设备的占地面积，大大降低了设备的运行维护成本，本文将传统氨制冷系统和集成氨制冷系统做了粗略比较，详见表5。

表5 集成式制冷压缩机各段参数

离心式压缩机至少能够运行20年，每年按照工作7200小时计算，采用集成制冷氨气压缩机每年可节约工业用电151200kW·h，工业脱盐水3542400t，设备长期运行节约能源相当可观。从表5可以看出，采用集成制冷压缩机装置建设成本也大大降低，仅设备的投资成本就降低41.3%，土建成本、配套成本也随之大大降低。依托该国产化技术已经建成了安徽晋煤中能化工、山东鲁西化工、内蒙古天润、国电赤峰等多个大型尿素装置，例如安徽晋煤中能化工项目采用此技术，2010年投入运营，2011年新增产值3.6亿元，新增利税3665万元。

五、总结

集成式制冷氨气压缩机的研制成功，取代了传统大型化肥合成装置中两套氨气制冷压缩机，具有机组高度集成、运行安全稳定、能源消耗低、适应功率能力强、检修维护方便等突出特点。本产品在大型化肥装置中的首次应用是合成氨系统的一次重大突破，集成制冷系统不仅可以用在化肥装置上，还可以使用在大型甲醇合成和其他大型化工装置中，市场需要空间大，推广前景广阔，显著的经济效益、社会和环境效益必将成为其市场竞争的利器。

参考文献

[1] 任多胜.大型合成氨装置液氮洗工艺流程的优化[J].大氮肥，2011(34)：81-83.

[2] 王显炎，郑明峰，张俊驰.Linde和Lurgi低温甲醇洗工艺流程分析[J].煤化工，2010，146(1)：35-36.

[3] 美国石油学会.API617标准：石油 化学和气体工业用离心压缩机[S].北京：机械工业出版社， 2002.