合成氨系统氨合成废锅蒸汽带液优化

合成氨系统氨合成废锅蒸汽带液优化

茹敬亮  张志勇  杨小艳

河南心连心化学工业集团股份有限公司

摘要：

本论文研究了河南心连心化学工业集团股份有限公司的合成氨系统中废锅蒸汽带液现象，并针对其产生的原因进行了分析。研究发现，蒸汽压力的增加和蒸汽空间容积负荷的影响是导致蒸汽带液的主要原因。通过对系统的改进措施，包括更换丝网除沫器、增加丝网面积、降低丝网除沫器高度以及增加分离装置等措施，成功地减少了废锅汽包的加水量，增加了废锅汽产蒸汽量，并降低了汽包压力。改造后的效果符合预期。本研究对于解决废锅蒸汽带液问题具有一定的指导意义。

关键词：合成氨系统；废锅蒸汽带液；蒸汽压力；蒸汽空间容积负荷；改进措施。

一、目前现状

本研究针对河南心连心化学工业集团股份有限公司的合成氨系统中废锅蒸汽带液现象进行了研究。河南心连心化学工业集团股份有限公司在2013年建成了 450kt/a合成氨项目，其合成废热锅炉为湖南安淳高新技术有限公司设计，上海龙杰机械装备有限公司制造，在2019年对氨合成内件改造后，蒸汽管网的2.5MPa蒸汽带水量增加，与2019年大修前相比，蒸汽冷凝液量增加约15t/h，给尿素区域的生产带来了极大困难。

二、原因分析

2.1蒸汽压力对蒸汽带水的影响

根据设备设计参数汽包压力增加，则饱和温度增高，水分子的热运动加强，水分子间引力减小，则锅筒内水表面张力减小，使汽泡更易破裂而产生细小水滴。另外压力增加，使饱和蒸汽和水的密度差减小，汽水分离困难，增加了蒸汽对水滴的携带能力，随着压力的升高，蒸汽带水的倾向升高。【1】

汽包设计工作压力为2.5MPa，更换内件后，因副产蒸汽量增加，蒸汽压力升高至 2.8 MPa，汽包出口气动阀和旁路截止阀全开，进尿素界区蒸汽压力控制2.35～2.4MPa，没有调节手段可以降低氨合成蒸汽压力。

2.2蒸汽空间容积负荷的影响

废锅入口温度较高，蒸汽中的水滴是汽泡穿出水面时水膜破裂或汽水混合物直接进入汽包空间时发生碰撞而形成的。进入蒸汽空间的水滴具有初速并在蒸汽空间运动，运动过程中其受到重力 G、浮力 F1、摩擦力 FM 的作用；当重力 G＜F1+FM，水滴随蒸汽上升；当重力 G＞F1+FM，水滴随蒸汽飞升一定高度后落下；水滴随蒸汽飞升的临界情况是：G=F1+FM，此情况下水滴的直径（飞升直径）与蒸汽速度关系如下：【2】

（1）

dfs—水滴飞升直径，m,

ρ’’—蒸汽密度，N/m3 ,

ρ’—水的密度，N/m3 ,

ω—蒸汽上升速度，m/s，

ζ—蒸汽对水滴的摩擦系数。

从式（1）看出，当蒸汽速度越大，水滴的飞升直径越大，携带的水滴数量增加。而蒸汽的流速与汽包蒸发面积有关系，当蒸汽速度一定时，形成的水滴大于水滴的飞升直径，水滴可以从汽流中落下，但是需要足够的空间高度。如果高度不够，由于蒸汽流速较高，水滴将被带走，从而形成蒸汽带水现象。因此蒸汽空间蒸汽流速不能太大，而且还要有足够的空间高度。内件改造后，蒸汽流速由改造前的16.5m/s增大至19.8m/s。

蒸汽空间中蒸汽流量的多少，可用蒸汽空间容积负荷来Rv表示【3】：

（2）

式中，Rv—容积强度，m3/ (m3•h)，

Vg—汽包内蒸汽空间的容积，指汽包直段范围内，水位表中正常水位以上的空间，m3，

V—饱和蒸汽的比容，m3/kg，

D—锅炉的蒸发量，kg/h。

当汽包压力为2.5MPa时，工业锅炉Rv推荐数值为540~1080（m3/ (m3•h)），当Rv选取540 m3/ (m3•h)，根据2017年7月12日的数据进行计算，
 

现有汽包除去内部结构后纯容积8m3，此时汽包液位控制在58%，汽包上部实际蒸汽空间为3.36m3，两个数值基本一致。使用该方法以下两种情况进行计算：

（1）当系统半负荷生产时，蒸汽流速下降至12.05m/s，汽包补水量与产蒸汽量相差0.38t/h，差值较小。按照2#系统2021年7月7日19:00数据进行计算，汽包内蒸汽空间需要的容积为：

此时汽包液位控制在57.2%，汽包上部实际蒸汽空间为3.424m3，汽包蒸汽空间满足生产需要，蒸汽不带水。

（2）当系统满负荷生产时，根据9月26日16：23的数据进行计算，汽包内蒸汽空间需要的容积为：

此时汽包液位控制在53%，汽包上部实际蒸汽空间为3.76m3，说明汽包蒸汽空间小了1.255 m3，所以蒸汽带水严重。

2.3、设备结构的影响

（1）由氨合成废锅汽包图可以看出，蒸汽出口管距离丝网除沫器的距离193mm，距离较近。更换氨合成内件后，蒸汽流速增大，汽包内汽水混合物经由上升管后通向丝网除沫器的速度和冲力较大，导致筒内汽水流动不稳定，汽水无法正常分离和流动，可能产生蒸汽带水。

废锅蒸汽产量达22.27t/h以上，蒸汽开始带水超标，随蒸汽产量达24t/h以上后，蒸汽湿度达23%～33%，蒸汽带水量同步增加。目前汽包汽水分离主要靠丝网捕沫器直接拦截、惯性撞击和扩散拦截，来分离汽液中夹带的大小液滴，丝网的分离效率至关重要。实际上不同标准的丝网对液滴的分离效率及其允许的气速操作范围是不同的。在不考虑丝网安装及破损和污垢的情况下，针对不同的标准规格丝网设计，应选择合理的操作气速，根据《化学工程师手册》［5］，采用行业标准《丝网除沫器》(HG5140481、HG5140581和HG5140681)及气体分离因数时，废锅产饱和蒸汽压力2.489MPaG,温度225.86℃，22.27t/h，考虑到现有汽包蒸汽空间负荷大，蒸汽中有较大液体量分离，取最大操作气速取0.75Vf=0.6363m/s，汽包除沫丝网规格1664mm×400mm，实际汽包丝网操作蒸汽流速为0.7175m/s，蒸汽必然带水，蒸汽产量越高蒸汽带水越严重。若采用行业标准《丝网除沫器》HG/T 21618-1998 的DP高效型过滤网规格，对应的最大操作气速取0.8Vf=1.256m/s，大于现有汽包实际操作气速0.7175m/s，不会发生蒸汽带水现象，蒸汽产量达36t/h、2.8MPa时按此计算也不会蒸汽带水。故丝网实际安装何种标准对蒸汽是否带水很关键。

（2）分析废锅汽包结构，废锅的上升管j3靠近废锅高温工艺气的进口侧（见后附废锅汽包附图），上升出口管j3布于汽包内偏右，废锅进口工艺气温度最高，蒸发量大，此上升管汽液混合物流速大，而上升管 j2出口布置靠近汽包丝网捕沫器，上升管 j1布置于废锅低温出口端和汽包内偏左，上升气速最小，沿汽包长度方向汽水混合分布严重不均，汽包蒸汽空间没有充分利用好，导致汽液分离效果达不到设计要求。

综上所述，造成目前氨合成废锅汽包蒸汽带水的原因有以下三项：

①、废锅蒸汽产量增加，汽包蒸汽空间不足，汽水分离空间过小；汽包内汽水分离原件效果不佳；

②、废锅的上升管j3靠近废锅高温工艺气的进口侧，上升出口管j3位于汽包内偏右，废锅进口工艺气温度最高，蒸发量大，此上升管汽液混合物流速大，而上升管 j2出口布置靠近汽包丝网捕沫器，上升管 j1布置于废锅低温出口端和汽包内偏左，上升气速最小，导则沿汽包长度方向汽水混合分布严重不均，汽包蒸汽空间没有充分利用好，导则汽液分离效果达不到设计要求；

参考文献：

【1】李海平．蒸汽带水原因分析．锅炉技术 1996.10

【2】冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌. 锅炉原理及计算[M] ．北京：科学出版社．2003，392‐394

【3】JB/T9618工业锅炉锅筒内部装置设计导则[S] ．中华人民共和国机械行业标准，1999．

【3】古大田，方子风． 化工设备设计全书 － 废热锅炉

［M］．北京:化学工业出版社，2002．

【5】袁一．化学工程师手册．北京：机械工业出版社．1999，298