CO2壓縮機三段冷卻器的思考

許 海，張東旭

(山東能源集團新疆能化公司， 烏魯木齊 830000)

兗礦新疆煤化工有限公司(簡稱兗新煤化)是兗礦集團在新疆投資運營的60萬t/a醇氨聯產項目，其產能為30萬t/a甲醇、52萬t/a尿素，同時副產2.6萬t/a硫酸及5萬t/a液氧，于2012年投產運營。整個系統中CO2壓縮機是沈鼓成套裝置(沈鼓設計的第一臺CO2壓縮機)，近來其中三段冷卻器換熱效果差，換熱后出氣溫度超指標范圍，于是聯系廠家更換其中的管束，更換后明顯改善效果。

1 CO2壓縮機原理

1.1 CO2壓縮機簡介

與CO2壓縮機相配套的原動機是蒸汽透平，又稱蒸汽輪機或汽輪機，是一種將蒸汽的熱能轉換成機械能的設備。利用溫度為390 ℃、壓力為3.8 MPa的過熱蒸汽，在固定噴嘴內膨脹后，使蒸汽的熱能迅速轉變為動能，然后被高速噴射到葉片上，又使動能變為機械能，讓葉輪旋轉起來。同時通過軸的連接帶動CO2壓縮機轉動，達到加壓CO2的工藝要求。

通常將壓縮機的葉輪和與其相配合的固定擴壓器稱為離心壓縮機的一個級。氣體通過一級所能提高的壓力是有限的。為了達到高的壓力，就必須采用多級壓縮，即將若干個葉輪串接起來。將若干級裝在1個機殼內，就組成1個缸。1個缸最多能裝10級，否則缸體太長會使密封更加復雜[1]。如果要獲得更高的壓力，可采用多缸。氣體在缸內經壓縮后溫度升高。如繼續壓縮，在設備材質、氣體性質方面將會受到限制。此外，為了節省功耗，通常在氣體壓縮到一定壓力后，將氣體從缸內引出進行冷卻，降低氣體溫度[2]。將冷凝下來的水滴分離后進行下一級的壓縮。三段冷卻器流程見圖1。

圖1 三段冷卻器流程圖

1.2 設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，而氣體壓縮過程中，氣體溫度必然升高。對于多級壓縮，通過分段壓縮并經中間冷卻降溫，可使得壓縮過程接近于等溫過程，降低壓縮功耗。同時當壓縮危險介質時，降低其溫度也更加安全。

2 流程簡述

從甲醇凈化裝置來的CO2氣體，體積分數為98.5%，其壓力為0.124 MPa，溫度為40 ℃。經CO2分離器分離后，進入一段缸加壓至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%)，主要用于高壓設備的防腐和脫氫。在尿素的生產過程中，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備表面形成一層致密的氧化膜， 以防止尿素-甲銨液對設備的腐蝕，總控調節進空氣量，保證CO2入汽提塔的氧氣體積分數為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入壓縮機二段缸，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℃后進入脫硫槽，除去氣體中的硫化物，脫硫后CO2進行脫氫后反應，經換熱器換熱后，再進入中壓CO2冷卻器冷卻至40℃左右后，進入三段入口CO2汽液分離器，分離液滴后進入三段壓縮至8. 6 MPa，經三段出口冷卻器冷卻后CO2溫度約為55 ℃，再進入四段缸，最終CO2氣體被壓縮到14.6 MPa后進入汽提塔下部。

Aspen plus 調用CO2物性數據見圖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密度會隨溫度的升高而降低。操作中希望進入汽提塔底部的CO2氣量保持較小波動，即入口溫度變化小，CO2盡可能“實”，才能使進入系統的CO2量與負荷加液NH3的量對應，方便工藝操作人員判斷與操作，使得系統工藝操作利于指標控制，進而達到高產降耗的目的。

3 問題簡述

3.1 改造前

由于三段冷卻器投用時間已久，出現溫度遠超指標范圍后，經車間排查原因后發現，其中某些列管出現泄漏，遂進行短停封堵漏處理。但因導換熱面積減少，CO2溫度實測達到95～99 ℃(設計指標為55 ℃左右)，造成系統運行負荷重及蒸汽消耗增加。

車間進行重點監控，同時加配疏水管道，加快冷卻水排除，以達到降溫目的。同時積極采購管束(三段換熱器的管程)，并作短停處理以更換管束。

在更換管束過程中，發現循環水污泥堵塞導淋閥，且在管束外側形成結垢，反應冷卻器沒有起到足夠的冷卻作用。

3.2 改造后

通過更換新的管束，對比前后數據發現冷卻效果明顯優化，系統運行情況也更加穩定。改造前后數據對比見表1。

表1 改造前后數據對比

由表1可知：系統加量區間增大，進汽提塔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范圍內，使氣體更加“實”；通過此次更換換熱器管束，系統各項指標趨于正常。

對于換熱器來說，要保證其材質，冷卻介質循環水盡可能干凈，減少污垢及對列管和殼程的腐蝕，防止泥沙堵塞閥門。工藝操作上防止劇烈的溫度變化，加強換熱器的日常維護保養。

4 經濟效益

改造前后3.8 MPa蒸汽消耗匯總見表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， 通過更換三段換熱器管束，每天(24 h)可節約3.8 MPa蒸汽質量為9.84 t。不僅減少了蒸汽消耗量，而且有助于整個工藝系統指標、系統加減量有較大操作區間等。

5 總結

通過此次更換三段換熱器管束，換熱器效果明顯優化，同時減少了3.8 MPa蒸汽消耗，達到負荷節能降耗的目標。每件設備都有其使用年限，在使用過程中要按時保養檢測[4]，確保安全長周期運行。