脱湿技术在双加压法硝酸装置中的应用
杭州龙山化工有限公司有1套10.5万t/a稀硝酸生产装置，采用法国G.P双加压法工艺流程，各项消耗指标属国内领先水平。但实际运行中存在一个制约产量达标的瓶颈，即在夏季高温天气时，60%稀硝酸产量只有280～310 t/d（折100%，下同），达不到设计产量350 t/d。2014年5月新上1套冷冻脱湿装置对原装置进行改造后，硝酸产量在夏季高温天气时也能接近或达到设计值，同时实现了装置的进一步节能降耗。现就改造及运行情况简介如下。
1.装置产量不达标原因分析
硝酸装置夏季产量达不到设计值，主要原因是夏季空气温度较高、湿度较大，造成四合一机组中的空气轴流压缩机的打气量严重不足（最低约为设计值的80%），最终导致成品硝酸的产量随之降低。杭州地处我国东部沿海，夏季平均气温达32 ℃、平均相对湿度80%以上。特别是近年来随着全球气候变暖的趋势，甚至多次出现40 ℃以上的极端高温天气，受此影响在高温季节硝酸产量将大幅度减少。
基于上述分析，解决装置产量不达标最直接且有效的解决办法是对生产原料气（即空气）进行降温和脱湿。工业上常见的降温除湿方法有冷水喷淋除湿和换热器除湿。由于冷水喷淋除湿方法存在大量的凝结水，其分离较为困难，不利于后续工序轴流空气压缩机的安全工作。综合考虑后，我公司选择换热器冷冻法来降低原料气（即空气）的温度和湿度。
2.改造方案
冷冻脱湿装置的整体设计方案为采用制冷机组间接制冷，使四合一机组中的AV40-15轴流压缩机的进风温度由29 ℃降至10 ℃左右、平均含湿量降到10 g/m3左右。
冷冻脱湿装置的工艺流程为：经三级空气过滤器过滤后的约32 ℃的空气进入高效铝制板翅式换热器（脱湿器7.4 m×4.0 m×6.0 m），与来自离心式冷水机组（制冷量2285 kW）制出的7 ℃冷水进行热交换后，空气降温至10 ℃，进入除雾器脱水后，送往后续的轴流压缩机进行压缩。而换热以后升温至12 ℃的冷水经冷水循环泵（流量420 m3/h）加压后送至离心冷水机组降温至7 ℃循环利用。除雾器分离出的10 ℃的空气冷凝水经自动排水器送冷水回收装置。另通过膨胀水槽随时将脱盐水补充至封闭冷水系统（循环会损失水量）。
3.改造效果
冷冻脱湿装置于2014年6月投运，取得了良好的效果。轴流压缩机进口空气的温度长期保持在7～9.5 ℃，其进气量有明显的提升，最大能增加约10%，其出口压力也由0.27 MPa提高到0.32 MPa以上；脱除空气中的水分约0.5～1 t/h。同时，低压反应水冷器处冷凝酸的平均浓度提高约1%。高效板翅式换热器进出口压差600～700 Pa ,系统阻力增加不大。对比装置2013年6—8月的运行数据，轴流压缩机进气量由820～860 m3/min升至880～920 m3/min；冷凝酸浓度由33%～34%升至34%～35%；外供高压蒸汽量由0.1～0.4 t/h升至0.8～1.1 t/h；60%硝酸产量由270～310 t/d升至300～350 t/d。
（1）轴流压缩机节能效益。实际生产中这部分节能数据不易直接测量，由装置整个热能回收系统可以看出，四合一机组中作为动力驱动机之一的汽轮机，其消耗的3.9 MPa、420 ℃高压蒸汽量会减少，相应整个装置的外供蒸汽量将有所增加。外供蒸汽量会随负荷变化而有所不同，观察流量计约0.5～1.2 t/h，取平均值约0.8 t/h。据脱湿装置的设计参数，脱湿系统每年的使用期在6个月以上（即每年的4—10月，4000 h），若3.9 MPa、420 ℃高压蒸汽以260元/t计，则每年的节汽效益约83万元。
（2）硝酸增产效益。按照风量增大产量同比例增大的经验规律计算，脱湿装置投运后，60%硝酸年产量将增加约10%，即6000 t/a以上，稀硝酸利润以300元/t计，则每年的增产效益为180万元。
（3）脱湿装置运行费用。脱湿装置主要运行消耗为电能。其中，冷水机组电机额定功率402 kW，当空气温度变化时其制冷负荷会不同，电机功率取平均值360 kW，冷水循环泵电机75 kW，机组冷凝器循环冷却水用量490 m3/h，电价和水价分别按0.6元/kW·h和0.6元/t计，则每年的电耗为104万元；循环水来自循环水站，配套水泵参数为3000 m3/h、500 kW，其运行成本折算为电费每年约19万元。
上述3项合计，脱湿装置投运后年增加的效益为140万元。
（4）间接效益。①降温脱湿过程中有水不断析出，对空气有清洁作用，可以进一步去除空气中残留的细小颗粒，保护轴流压缩机的叶片，延长其使用寿命。②脱湿装置运行后，轴流压缩机进口空气温度长期保持在10 ℃左右，减少因空气温度变化引起硝酸装置的生产波动，提高了操作的稳定性，降低了装置的故障率。③脱湿装置将空气中的大部分水分脱除后，减少了带入后续系统的水分，低压反应水冷器处生成的中间冷凝酸的浓度能提高1%～2%，相应成品酸浓度也会有所提高。④空气冷却后脱出的冷凝水是干净的10 ℃低温水，原设计直接排放至公用循环水系统，现改为加至酸塔吸收回用。
4.建议及应用展望
（1）冷水机组的选型。目前硝酸企业普遍采用工业园区集中供汽，需外购蒸汽（价格偏高），故首选电动式冷水机组；若装置本身有富余蒸汽，则应优先考虑选用蒸汽式溴化锂冷水机组；至于冷水机组采用螺杆式还是离心式，建议大型冷水机组优先考虑离心式，其具有体积小、制冷效率高和运行稳定等优点。
（2）采用变频技术。由于冷水机组大部分时间处于部分负荷运行状态，通常离心式冷水机组为适应部分负荷而采用的能量调节方式有进出口节流调节、导流叶片调节以及变频调速调节3种。其中，采用变频调速与导流叶片相结合的能量调节方法，不仅大大拓宽机组的运行范围，而且更加节能。因此，电动式冷水机组应优先考虑采用变频机组。其次，冷冻水循环泵也可以考虑采用“变流量一次泵水系统”节能技术，即同时给冷冻水循环泵配置变频，进一步降低机组水系统输配电耗。具体可参考暖通行业中央空调冷冻水系统类似的应用。
（3）工艺操作要求。要考虑好离心式冷水机组在故障停机短时间内无法开启的情况下对后续工艺的影响，及时做好相应的工艺参数调整，尽量减小停机带来的生产波动。据实际运行情况，若冷水机组停机后，循环管内的冷冻水约30 min逐渐恢复至室温，在此期间冷冻水泵应继续工作，延长冷水的升温时间，同时抓紧时间调节好氨蒸发器的蒸氨量，减少进入氧化炉的气氨量，避免氨空比变化带来的生产波动。
目前，国内外多家大型钢铁企业在高炉鼓风领域已有多套冷冻脱湿装置的成功应用案例，将其移植到硝酸行业技术上也是可行的。杭州龙山化工是国内首家采用脱湿技术对双加压法硝酸装置进行节能改造的企业，运行实践表明，此举具有良好的增产降耗效益，为国内硝酸行业今后类似的改造提供了示范或参考。
（杭州龙山化工 黎志敏）