白雪峰

（山西豐喜華瑞煤化工有限公司，山西新絳 043100）

0 引 言

山西豐喜華瑞煤化工有限公司（簡稱豐喜華瑞） “24·40”項目（240kt／a合成氨、400 kt／a尿素）以焦?fàn)t煤氣與半水煤氣（間歇式固定床氣化爐制氣）為原料生產(chǎn)合成氨與尿素。其中，焦?fàn)t煤氣脫硫采用常壓改良ADA法脫硫工藝，焦?fàn)t煤氣經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機加壓至30kPa，送入湍流塔與脫硫塔脫硫至H2S含量＜10mg／m3，脫硫后焦?fàn)t煤氣進入冷卻清洗塔清洗，防止煤氣夾帶脫硫液，接著通過電捕焦油器脫除煤氣中的焦油等雜質(zhì)、氣水分離器脫除水分后，送往4M20型活塞式壓縮機加壓至2.0MPa，之后去往干法脫硫系統(tǒng)，將焦?fàn)t煤氣中剩余的有機硫利用鐵鉬催化劑加氫轉(zhuǎn)化成無機硫（H2S），再通過氧化錳將其脫除，使出口氣總硫≤20mg／m3。用于原料氣加壓的4M20型活塞式壓縮機（簡稱低壓機）共7臺，原設(shè)計1＃、2＃、3＃低壓機（兩開一備）用于半水煤氣加壓，4＃、5＃、6＃、7＃低壓機（三開一備）用于焦?fàn)t煤氣加壓。

2012年豐喜華瑞實施焦?fàn)t煤氣綜合利用挖潛改造，增加了1套焦?fàn)t煤氣變壓吸附提氫系統(tǒng)（PSA系統(tǒng)），設(shè)計處理焦?fàn)t煤氣量25000m3／h（標(biāo)況，下文無特別說明處氣量均為標(biāo)況），未增加低壓機，只是將3＃、4＃低壓機（兩開無備）進出口管線進行改造，專供PSA系統(tǒng)使用，如此一來，半水煤氣低壓機僅剩1＃、2＃低壓機（兩開無備），焦?fàn)t煤氣低壓機僅剩5＃、6＃、7＃低壓機（三開無備）?；钊綁嚎s機排氣容量為固定值，而氣體在定壓情況下，溫度與體積成正比，在夏季高溫天氣，從濕法脫硫系統(tǒng)送往低壓機的焦?fàn)t煤氣管道白天被烈日暴曬，管道吸熱后將熱量傳遞給焦?fàn)t煤氣，使得低壓機一段進口焦?fàn)t煤氣的溫度顯著升高，焦?fàn)t煤氣體積膨脹，造成低壓機吸氣量減小，這在焦?fàn)t煤氣氣量不足的情況下對生產(chǎn)的影響并不顯著，但在焦?fàn)t煤氣充足的情況下，由于低壓機吸氣量下降，多余的焦?fàn)t煤氣就需放空，在消耗相同焦?fàn)t煤氣（含放空）的情況下合成氨產(chǎn)量明顯降低，合成氨生產(chǎn)成本顯著增高。

1 技改背景

2019年周邊焦化廠供應(yīng)豐喜華瑞的焦?fàn)t煤氣量由30000m3／h增至43000m3／h，由于焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計焦?fàn)t煤氣的處理能力為34000 m3／h，在焦?fàn)t煤氣量為30000m3／h的情況下轉(zhuǎn)化系統(tǒng)完全可以處理，PSA提氫系統(tǒng)停用；但當(dāng)焦?fàn)t煤氣量達到43000m3／h時，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)無法處理多余的氣體，PSA系統(tǒng)需投運。運行方案為，焦?fàn)t煤氣從氣柜出口分為兩路，一路12000 m3／h焦?fàn)t煤氣送入PSA系統(tǒng)，提取6480m3／h氫氣送往氨合成系統(tǒng)高壓機入口，PSA系統(tǒng)產(chǎn)生的5520m3／h富甲烷氣返回焦?fàn)t煤氣氣柜，與另一路31000m3／h焦?fàn)t煤氣混合，混合后總氣量為36520m3／h，其中2000m3／h作為燃燒氣使用，其余送往轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。

豐喜華瑞焦?fàn)t煤氣低壓機型號均為4M20-220／23-BX，屬四列四級對稱平衡型活塞式壓縮機，設(shè)計吸氣溫度40℃、吸氣壓力10kPa、進口氣量為11100m3／h。3臺焦?fàn)t煤氣低壓機（5＃、6＃、7＃低壓機）在冬季氣溫較低時可滿足生產(chǎn)需求，但在夏季高溫天氣情況下，低壓機打氣能力明顯不足，焦?fàn)t煤氣放空1000～2000 m3／h。換言之，半水煤氣為豐喜華瑞自產(chǎn)，氣量可調(diào)控，而焦?fàn)t煤氣為周邊焦化廠供應(yīng)，其氣量無法控制，在焦?fàn)t煤氣氣量超出低壓機打氣能力后，只能在氣柜處放空，尤其是在夏季，放空頻次增加，既浪費原料又污染環(huán)境。另外，近年來合成氨與尿素市場持續(xù)低迷，節(jié)能降耗、降本增效成為豐喜華瑞生產(chǎn)管理中的重點工作，為避免夏季高溫天氣焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)需開4臺低壓機，采取了提高低壓機進氣壓力、在低壓機進口管道上苫蓋遮陽網(wǎng)、用一次水在焦?fàn)t煤氣管道外表面噴水等措施，但效果均不太理想。

參考壓縮機級間冷卻的辦法，豐喜華瑞考慮利用冷卻水或冷凍水與焦?fàn)t煤氣進行換熱帶走其一部分熱量，以提升低壓機的打氣量。焦?fàn)t煤氣經(jīng)過濕法脫硫后，其中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)，水蒸氣的飽和溫度與飽和壓力是一一對應(yīng)的，飽和溫度升高，飽和蒸汽壓也相應(yīng)提高，據(jù)道爾頓分壓定律可知，焦?fàn)t煤氣中飽和蒸汽壓與水蒸氣的摩爾質(zhì)量成正比，即焦?fàn)t煤氣溫度越高，飽和蒸汽壓越高，焦?fàn)t煤氣中的水蒸氣越多，若要對焦?fàn)t煤氣進行降溫，必須將換熱設(shè)備設(shè)置在氣液分離器前，便于對冷凝液進行分離，防止冷凝液大量進入低壓機而損壞設(shè)備?；谝陨峡紤]，豐喜華瑞在低壓機的氣水分離器前增設(shè)1臺列管式換熱器給焦?fàn)t煤氣降溫，管程走焦?fàn)t煤氣，殼程走冷卻水；加之化產(chǎn)系統(tǒng)溴化鋰制冷機組一直閑置，本技改考慮利用溴化鋰制冷機組制取的冷凍水來冷卻焦?fàn)t煤氣，以縮小換熱設(shè)備尺寸，減少投資。

2 技改方案

2020年3月，豐喜華瑞對2＃、3＃、4＃低壓機進出口管線進行改造，改造后，2＃、3＃低壓機既可用于PSA系統(tǒng)也可用于半水煤氣加壓，4＃低壓機既可用于PSA系統(tǒng)也可用于焦?fàn)t煤氣加壓，由此保證半水煤氣、焦?fàn)t煤氣、PSA系統(tǒng)使用的低壓機均有備機；同時，在電捕焦油器與氣水分離器之間增設(shè)1臺列管式換熱器（焦?fàn)t煤氣冷卻器），利用化產(chǎn)系統(tǒng)閑置的溴化鋰制冷機組制備冷凍水對焦?fàn)t煤氣進行降溫，降溫后的焦?fàn)t煤氣再經(jīng)氣水分離器分離水分后送低壓機加壓。

2.1 冬夏季不同氣溫下低壓機打氣量差異

焦?fàn)t煤氣低壓機設(shè)計吸氣壓力10kPa、吸氣溫度40℃，設(shè)計標(biāo)況排氣量為11100m3／h，以11100m3／h標(biāo)況排氣量折算夏季與冬季工況下的打氣量：夏季進氣壓力22kPa、進氣溫度40℃，折工況氣量為10455m3／h，與標(biāo)況設(shè)計值相比少645m3／h；冬季進氣壓力18kPa、進氣溫度10℃，折工況氣量為9771m3／h，與標(biāo)況設(shè)計值相比少1329m3／h。換言之，夏季與冬季相比，質(zhì)量相同的氣體，體積相差684m3／h，生產(chǎn)負荷以冬季為基準(zhǔn)，則3臺低壓機在夏季時打氣量會減少約684×3＝2052m3／h。

2.2 夏季進入低壓機焦?fàn)t煤氣溫度的確定

焦?fàn)t煤氣總氣量43000m3／h，PSA系統(tǒng)處理氣量12000m3／h，濕法脫硫后進入低壓機總氣量為34520m3／h，單機氣量約11506m3／h，工況氣量取第2.1節(jié)夏季折算氣量10455m3／h，工況壓力取夏季進氣壓力22kPa，當(dāng)?shù)仄骄髿鈮?9kPa，由理想氣體狀態(tài)方程pV＝nRT得p標(biāo)V標(biāo)／T標(biāo)＝p工V工／T工，代入有關(guān)數(shù)據(jù)有101.325×11506÷273.15＝（99+22）×10455÷（273.15+t工），計算可得夏季工況溫度t工＝23.24℃，即夏季焦?fàn)t煤氣進入低壓機的溫度宜在23.24℃，為便于計算，取整為23℃。

2.3 焦?fàn)t煤氣由40℃降至23℃所需冷量

豐喜華瑞焦?fàn)t煤氣經(jīng)濕法脫硫后，焦?fàn)t煤氣中含有大量水分，在焦?fàn)t煤氣的降溫過程中放出的熱量分為兩部分：一部分是焦?fàn)t煤氣溫度由40℃降至23℃放出的顯熱Q1，一部分為焦?fàn)t煤氣中水蒸氣冷凝放出的冷凝熱Q2。

2.3.1 焦?fàn)t煤氣降溫放出的顯熱Q1

豐喜華瑞焦?fàn)t煤氣組分 （φi）約為H259.0%、CH420.0%、CO 8.0%、CO24.5%、N26.7%、O20.3%、C6H61.5%。焦?fàn)t煤氣（混合氣體）各組分的比熱容按定值進行粗略計算，各組分定壓比熱容 （cpi）分別為cpH2＝29.10kJ／（kmol·K）、cpCH4＝37.41kJ／（kmol·K）、cpCO＝29.10kJ／（kmol·K）、cpCO2＝37.41 kJ／（kmol·K）、cpN2＝29.10kJ／（kmol·K）、cpO2＝29.10kJ／（kmol·K）、cpC6H6＝37.41 kJ／（kmol·K），則焦?fàn)t煤氣的定壓比熱容cp＝∑φicpi＝59.0% ×29.10+20.0% ×37.41+8.0% ×29.10+4.5%×37.41+6.7% ×29.10+0.3% ×29.10+1.5% ×37.41＝31.26kJ／（kmol·K）；則43000m3／h的焦?fàn)t煤氣溫度由40℃降至23℃放出的熱量Q1＝m·cp·△t＝43000÷22.4×31.26×（40-23）＝1.020×106kJ／h。

2.3.2 水蒸氣冷凝放出的冷凝熱Q2

低壓機一段進口焦?fàn)t煤氣總量43000m3／h、溫度40℃、壓力22kPa，當(dāng)?shù)仄骄髿鈮簽?9 kPa，據(jù)《工程熱力學(xué)》［7］附表1（飽和水與飽和水蒸氣表）查得40℃時水蒸氣的飽和蒸汽壓為7.38kPa，則出濕法脫硫系統(tǒng)后焦?fàn)t煤氣中的水分為43000×7.38÷（99+22）÷22.4×18＝2107.48kg／h。

經(jīng)冷卻后焦?fàn)t煤氣溫度由40℃降至23℃，壓力為22kPa，查得22℃時水蒸氣的飽和蒸汽壓為2.64kPa、24℃時水蒸氣的飽和蒸汽壓為2.98kPa，采用插值法可得23℃時水蒸氣的飽和蒸汽壓為2.81kPa，則出新增列管式換熱器（焦?fàn)t煤氣冷卻器）氣體中水分為43000×2.81÷（99+22）÷22.4×18＝802.44kg／h。

因此，經(jīng)新增列管式換熱器（焦?fàn)t煤氣冷卻器）分離出來的水量為2107.48-802.44＝1305.04kg／h，據(jù)《工程熱力學(xué)》［7］附表1（飽和水與飽和水蒸氣表），22℃水蒸氣的相變熱為2448.6kJ／kg、24℃水蒸氣的相變熱為2443.9 kJ／kg，采用插值法計算可得23℃水蒸氣的相變熱為2446.25kJ／kg，則焦?fàn)t煤氣中水蒸氣冷凝放出的熱量Q2＝m′·h＝1305.04×2446.25＝3.19×106kJ／h。

焦?fàn)t煤氣溫度由40℃降至23℃放出的熱量為1.020×106kJ／h，焦?fàn)t煤氣中水蒸氣冷凝放出的熱量為3.19×106kJ／h，則此過程中放出的總熱量為4.21×106kJ／h，即1169.44kW。

豐喜華瑞化產(chǎn)系統(tǒng)閑置的蒸汽雙效型溴化鋰吸收式冷水機組，型號為RCW060SG，制冷量為2326kW，高于焦?fàn)t煤氣降溫過程中放出的總熱量1169.44kW，其冷凍水流量288m3／h，冷凍水進出口溫度分別為23℃、10℃，其制冷量與冷凍水溫度均可滿足焦?fàn)t煤氣的降溫需求。

2.4 焦?fàn)t煤氣冷卻器換熱面積確定

2.4.1 逆流對流平均溫差

焦?fàn)t煤氣進冷卻器溫度t1＝40℃、出冷卻器溫度t1′＝23℃，溴化鋰制冷機組冷凍水設(shè)計出水溫度可達10℃，考慮到節(jié)能因素，盡量減小溴化鋰制冷機組的能耗，這里冷凍水出水溫度t2設(shè)定為20℃；考慮換熱理想，冷凍水回水溫度與焦?fàn)t煤氣出冷卻器溫度相同，即t2′＝23℃，則對流平均溫差△t1c＝［（t1-t2′）-（t1′-t2）］÷ln［（t1-t2′）÷（t1′-t2）］＝［（40-23）-（23-20）］÷ln［（40-23）÷（23-20）］＝8℃。

2.4.2 傳熱面積確定

（1）由前述可知，焦?fàn)t煤氣溫度由40℃降至23℃放出的熱量為1.020×106kJ／h，即283.33kW；據(jù)《傳熱學(xué)》［2］附錄12（常用換熱器傳熱系數(shù)的大致范圍表）熱交換流體內(nèi)側(cè)為氣體、外側(cè)為清水的傳熱系數(shù)選取范圍為20～70W／（m2·K），這里選取換熱器傳熱系數(shù)K0為40W／（m2·K），則所需換熱面積為A1＝Q1／（K0·△t1c）＝283.33×103÷（40×8）＝885m2。

（2）由前述可知，焦?fàn)t煤氣中水蒸氣冷凝放出的熱量為3.19×106kJ／h，即886kW；據(jù)《傳熱學(xué)》［2］附錄12（常用換熱器傳熱系數(shù)大致范圍表）內(nèi)側(cè)為水蒸氣凝結(jié)水、外側(cè)為清水之傳熱系數(shù)取值范圍為350～1000W／（m2·K），這里選取傳熱系數(shù)K0′為350W／（m2·K），則所需換熱面積為A2＝Q2／（K0′·△t1c）＝886×103÷（350×8）＝316m2。

（3）總換熱面積A＝A1+A2＝885+316＝1201m2，本技改焦?fàn)t煤氣冷卻器實際換熱面積取整為1200m2。

3 運行情況

本技改項目于2020年3月22日完成，2020年6月20日，溴化鋰制冷機組開機，焦?fàn)t煤氣冷卻器通水正式投運。技改后焦?fàn)t煤氣出氣柜后分為兩路，第一路走PSA系統(tǒng)+濕法脫硫系統(tǒng)，焦?fàn)t煤氣經(jīng)4＃低壓機加壓后送往PSA系統(tǒng)；第二路走焦?fàn)t煤氣濕法脫硫系統(tǒng)，經(jīng)5＃、6＃、7＃低壓機加壓后送往焦?fàn)t煤氣干法脫硫系統(tǒng)。本次技改僅對第二路焦?fàn)t煤氣進行降溫，即進入4＃低壓機的焦?fàn)t煤氣不降溫，進入5＃、6＃、7＃低壓機的焦?fàn)t煤氣提前降溫。

2020年6月20—21日對低壓機一段進口溫度進行統(tǒng)計：未經(jīng)降溫的4＃低壓機這兩天的一段進口日均溫度分別為39.6℃、44.3℃，而經(jīng)降溫后的5＃、6＃、7＃低壓機這兩天的一段進口日均溫度則分別為29.3℃、29.2℃、31.9℃與28.0℃、28.6℃、29.9℃，降溫效果明顯。

4 結(jié)束語

豐喜華瑞通過在焦?fàn)t煤氣濕法脫硫系統(tǒng)電捕焦油器與氣水分離器之間增設(shè)1臺換熱器（焦?fàn)t煤氣冷卻器），采用水氣換熱的方式，利用化產(chǎn)系統(tǒng)閑置的溴化鋰制冷機組制取的冷凍水對焦?fàn)t煤氣進行降溫。2020年6月20日焦?fàn)t煤氣冷卻器通水正式投運，焦?fàn)t煤氣低壓機一段進口溫度降低約10.4～16.3℃，解決了焦?fàn)t煤氣低壓機高溫季節(jié)時打氣量低的瓶頸問題，3臺低壓機（5＃、6＃、7＃低壓機）打氣量合計增加約2000 m3／h，即焦?fàn)t煤氣放空量減少約2000m3／h；焦?fàn)t煤氣價格按0.5元／m3計，夏季夜間氣溫低、白天氣溫高，一年中高溫時間按120個白天計，年可節(jié)約生產(chǎn)成本2000×12×120×0.5÷10000＝144萬元。

隨著焦?fàn)t煤氣低壓機打氣量的提升，合成氨產(chǎn)量增加，系統(tǒng)總能耗下降，生產(chǎn)成本隨之降低。另外，在氣水分離器前增設(shè)焦?fàn)t煤氣冷卻器可將焦?fàn)t煤氣中大量的水分去除，可減少焦?fàn)t煤氣中水分對低壓機氣缸潤滑油的影響，減少低壓機潤滑油的添加量，并避免氣缸磨損，利于焦?fàn)t煤氣低壓機的穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運行。