溴化鋰制冷機組在合成氨生產(chǎn)裝置中的應(yīng)用

陜西興化集團有限責(zé)任公司(以下簡稱陜西興化集團)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，氫氣與氮氣在合成塔內(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組實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 溴化鋰機組工作原理及特性

溴化鋰機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)吸熱達到制冷的目的。在溴化鋰機組中，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行；然后以熱能為動力，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)達到連續(xù)制冷的目的。

按照熱源的不同，溴化鋰機組可以分為4類：①蒸汽型，即使用蒸汽作為驅(qū)動能源；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組，通常是以工業(yè)余熱、廢熱、地?zé)釤崴⑻柲軣崴疄闊嵩矗虎芴柲苄停商柲芗療嵫b置獲取能量以加熱溴化鋰機組發(fā)生器內(nèi)的稀溶液。目前，更多的是將溴化鋰機組按上述分類加以綜合，如蒸汽單效型、蒸汽雙效型、直燃型冷溫水機組等。此外，還有將上述熱源聯(lián)合使用的混合型機組，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，無高壓爆炸危險以及對外界條件變化適應(yīng)性強等優(yōu)點。

2 溴化鋰制冷機組的應(yīng)用

根據(jù)拉爾遜-布列克經(jīng)驗公式可知，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數(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數(shù) %

通過多方調(diào)研、實地勘察并與設(shè)計單位進行交流溝通，陜西興化集團實施了苯菲爾溶液余熱制冷(Ⅰ期溴化鋰機組)和余熱溴化鋰制冷(Ⅱ期溴化鋰機組)2項技改工程。Ⅰ期溴化鋰機組制得的冷水送入氨合成混合機三段水冷器替換原循環(huán)水，Ⅱ期溴化鋰機組制得的冷水送入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 ℃后進入脫碳塔，原設(shè)計直接通過貧液水冷器利用循環(huán)水進行冷卻，現(xiàn)利用這部分苯菲爾溶液的余熱來驅(qū)動熱水型溴化鋰機組，制取的低溫冷水代替循環(huán)水供給氨合成工序各混合機水冷器使用。Ⅰ期溴化鋰制冷機組工藝流程如圖1所示。

圖1 Ⅰ期溴化鋰制冷機組工藝流程

具體改造步驟：在Ⅰ期脫碳現(xiàn)場安裝熱水型溴化鋰機組1臺、冷水槽1只和冷水泵2臺；從Ⅰ期脫碳系統(tǒng)閃蒸槽貧液出口進貧液水冷器前管線上配專用管線至溴化鋰機組熱源入口，機組熱源出口配管線至貧液水冷器出口管線，機組冷水出口配管線至混合機三段水冷器上水管線，在混合機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組冷水入口；溴化鋰機組循環(huán)水接口分別接循環(huán)上水和回水管線。

該項目在設(shè)計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)計廠商溝通交流，多次探討及反復(fù)論證，最終確立了有針對性的解決方案。對于腐蝕問題，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；對于汽蝕問題，通過降低發(fā)生器阻力并經(jīng)汽蝕余量計算，使之達到泵入口的汽蝕余量；對于結(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)計計算，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。在脫碳系統(tǒng)再生熱量平衡及水平衡計算的基礎(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組驅(qū)動熱源制取低溫冷水，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組2臺、冷水槽1只和冷水泵2臺；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期溴化鋰機組熱源入口，機組出口凝液配管線送脫碳系統(tǒng)回收，機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組冷水入口；機組循環(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組工藝流程

3 投用效果

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

表2 溴化鋰機組投用前后Ⅰ期脫碳系統(tǒng)二次氣中φ(CO2)%

表3 溴化鋰機組投用前后合成氨混合機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期溴化鋰制冷機組投用后，可回收貧液熱量7.64×106kJ/h，相當于年回收22 kt蒸汽，每小時制得7 ℃冷水390 t。

從表3可看出：1#混合機出口氣體溫度降低31 ℃，4#混合機出口氣體溫度降低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數(shù)較溴化鋰制冷機組投用前降低約0.3%。

Ⅱ期余熱溴化鋰制冷機組投用后，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組的驅(qū)動蒸汽是依靠優(yōu)化工藝、減少循環(huán)水用量而來，相當于年回收蒸汽60 kt。

溴化鋰制冷機組的投用徹底避免了夏季因循環(huán)水溫度高對氨合成的不利影響，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

通過實施Ⅰ期、Ⅱ期溴化鋰制冷機組改造，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。按溴化鋰機組年運行180 d、合成氨銷售價格1 800元/t計，年可創(chuàng)收648萬元。

溴化鋰制冷機組在本菲爾脫碳系統(tǒng)的應(yīng)用具有一定的獨特性，在國內(nèi)同行業(yè)中率先實現(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)運行，并且解決了機組腐蝕、溶液結(jié)晶等一系列問題。該溴化鋰制冷機組在陜西興化集團合成氨系統(tǒng)的投運，實現(xiàn)了低位熱能制冷技術(shù)的成功應(yīng)用，同時為其他低位熱能的使用提供了新的技術(shù)思路。