1 概述
陕西华山化工集团有限公司复肥厂60 kt/a传统法磷酸二铵(DAP)装置由南化集团设计院设计始建于1987年初,竣工于1989年底, 1990年一次投料试车成功,生产出合格的DAP产品。1992年10月,该装置通过72 h性能考核和国家验收, 199 年达产达标,年产DAP60. 1 kt。1997年6月磷铵装 置“6改8”工程竣工, 2000年生产DAP 121 k,t实现了产量翻一番的目标。目前实际生产负荷已达到 200 kt/a,是设计能力的3倍以上。
原设计中, 30 kt/aP2O5磷酸浓缩系统除石墨换 热器和轴流泵使用进口设备之外,其余均为国产设 备。石墨换热器从法国罗兰碳素公司引进,管壳式 石墨换热器为下端浮头结构,有效换热面积为18 m2,石墨管230根,有效长度6 623 mm,规格为 38. 0mm/50. 8mm。轴流循环泵从美国引进,型号MDAF16×16-16,其主体材质为AllOY-20,扬程H=4m,流量Q=1 800m3/h,转速n=810 r/min。 由于石墨换热器已使用16年,属于国内磷铵行业超 期服役最长的管壳式石墨换热器之一,其中石墨管 已封堵43根,占总管数的18. 7%,现有效换热面积 仅148m2,已无法满足生产需要;加之耽心石墨管突 然大面积破裂损坏而导致全线长期停车,因此于 2006年6月份对该系统进行扩能改造,重新就近安 装了1台管壳式石墨换热器和1台轴流循环泵,代替原有的老设备。
新石墨换热器和轴流泵均为国产设备,其结构 型式未变,只是改变了规格、型号。石墨换热器有效 换热面积为275 m2,石墨管265根,规格为38. 0 mm/50. 8mm。轴流循环泵扬程H=5m,流量Q= 2 200m3/h,转速n=580 r/min。
扩能改造后,石墨换热器的有效换热面积比老 的大了50%~80%,轴流循环泵的扬量大了20%, 磷酸浓缩系统的热洗周期由使用老换热器的7天延长至半个月,加热石墨换热器的蒸汽量由12~13 t/h 提高至16 t/h,提高生产能力应该在30%以上。同时,由于磷矿品位下降,矿中杂质含量严重超标,生产线上又大量使用高镁磷矿,因而采用澄清后的浓 磷酸生产DAP,以保证生产过程的稳定和产品质量达标。浓磷酸澄清后的淤渣又返回稀磷酸萃取槽, 这样浓磷酸的产能无形中就浪费了20%左右,故石墨换热器扩能之后浓缩系统的实际生产能力仅提高 约10%。 2007年初,磷酸浓缩系统热洗周期缩短为10~ 12天,加热石墨换热器的蒸汽量降到15 t/h之内。 因此,在4月份大修期间对轴流泵进行提速改造,更 换了皮带轮,使轴流泵转速提高至660 r/min,开车 周期又延长至14天。初始,石墨换热器的加热蒸汽 量可达到16 t/h,但开车仅3天后,加热蒸汽量又开 始逐渐下降,后期加汽量不足13 t/h。
2 两套并联提高产量的可行性分析
目前,磷酸生产依然是制约全厂生产的瓶颈,尤其是磷酸浓缩系统的产能,决定了全厂最终产品和 主要产品DAP产量的高低。提高磷酸浓缩系统产 量的措施有以下几种:一是提高稀磷酸中w(P2O5), 二是提高浓缩系统的小时产量;三是提高浓缩系统的开车率。
由于受磷矿质量的影响,云南矿供给不足,四川 矿、贵州矿的质量又极不稳定,且此三种磷矿的品位 均呈下降趋势,即磷矿中w(P2O5)较低,萃取槽和 半成品稀磷酸的w(P2O5)不可能提高。另外,我厂 2套稀磷酸系统均使用转台式真空过滤机,其工艺 特点(即大负荷,低酸浓,高洗涤率,低消耗和低成本运行)基本上决定了稀磷酸浓度的高低。一旦提 高稀磷酸浓度,在矿浆含水28%~30%、硫酸的 w(H2SO4)为98%的生产条件下,采取减少过滤系统洗涤水量的措施,那么洗涤率就要下降,系统水平衡和污水平衡就要破坏,过滤系统开车周期就要缩短,势必会浪费资源、增大消耗和成本,故通过提高稀磷酸浓度的措施来提高浓缩系统的产能,其难度较大,可行性不强,应另辟它径。
而设法利用报废的石墨换热器和闲置的轴流泵,是消除磷酸浓缩系统生产瓶颈的有效措施。其目的是提高磷酸浓缩系统的小时产量和开车率。 两套管壳式石墨换热器和轴流循环泵并联使用,是我厂消除全厂生产瓶颈、磷酸浓缩系统扩能增产最稳妥简便的措施,分析其可行性有以下几点:
1、轴流泵属于强制循环,由于两台的扬程都很 低,它们并联使用所产生的相互作用力都不大。
2、我国第一套磷酸浓缩装置于上世纪60年代 中期建在南化公司磷肥厂,原设计和运行时均未设置强制循环泵,借助位差和压差实现自然循环。而我厂使用强制循环泵,即使二者的扬程和流量有些差别,依然有利于磷酸在系统中进行循环。
3、闪蒸室为负压作业,其进口管处磷酸受到负压的提升,有利于2台轴流泵和换热器的并联运行, 可减小阻力,增大扬量。
4、设计时将2台换热器出口管道的汇合口设置在闪蒸室磷酸进口的水平短接管处,水平管段长度不足2m,其阻力最小。
5、以前使用老轴流泵生产时,用DN800mm管道输送1 800m3/h时曾有富余,闪蒸室进口磷酸管道有1/3未充满磷酸(后来将闪蒸室溢流口抬高后,使用新轴流泵就观察不到这一现象)。这也是 双套轴流泵和换热器并联使用的有利之处。
6、由于老轴流泵的扬程低于新轴流泵,故先恢复老换热器出口弯头是为了减小其阻力,再从侧面对接新换热器出口弯头是为了增大其阻力,以达到平衡二者压头的目的。
3 并联使用方案
并联使用双套轴流泵和换热器的原则是,在保持新轴流泵和新石墨换热器生产工艺基本不变的前 提下实施技术改造,使并联使用后对生产的不利影响降低至最小程度。其核心是设法消除两台轴流泵 因扬程相差1m液柱所造成的相互抵触的现象,保证老换热器投用后磷酸在系统中循环正常、加入蒸 汽量正常。
3.1 两台换热器出口磷酸管道并接碰口
两台换热器出口的磷酸管道选定在闪蒸室磷酸进口水平短接管处进行对接碰口。先恢复老换热器 出口立管至水平短接管段的90°弯头820 mm×8 mm;用盲板盲住新换热器的出口管道,从其侧面用 316L异型弯管820mm×8mm与闪蒸室水平短接 管对接。然后做好支承,以防管道震动而撕裂闪蒸室。
这是两套换热器和轴流泵并联使用方案的关键所在,如此并接碰口的意义在于减少管道阻力,缩小或消除两台轴流泵的压差,以保证并联使用后两套 换热器和轴流泵运行平稳、正常。
3.2 新轴流循环泵恢复原转速
新轴流循环泵恢复原转速的具体实施方案是换上泵的原装皮带轮。单独使用新轴流循环泵生产时,通过更换皮带轮来提高转速、提高石墨管内磷酸流速,以达到更好的热交换效果。而并联使用两台 换热器,是通过增大换热面积(148m2)来提高热交换量的,新轴流循环泵不必提速(降低其转速至设 计指标580 r/min),有利于减轻循环酸对石墨换热器下管板的冲刷程度,可起到保护换热器的作用。
3.3 轴流循环泵进口磷酸管道并接碰口
抽掉一楼浓缩循环酸竖管上的盲板,增加一个 DN 800mm原橡胶膨胀节,即与老轴流循环泵的进口管道连通。
3.4 石墨换热器进口蒸汽管道并口
在减温减压后的碳钢蒸汽总管275 mm×8 mm上,接碳钢支管219mm×6mm,安装闸阀(DN 200mm、PN 1. 6MPa)及其疏水倒淋阀门和管道。
3.5 石墨换热器出口冷凝水管道并口
在两台换热器加热蒸汽总量不变的前提下,实施出口冷凝水管并口,二者共用原倒“U”型碳钢管 89mm×5mm即可;并移位电导仪,共同监测冷凝水pH值是否因石墨管泄漏而呈酸性。
3.6 恢复轴流循环泵密封水管
两台轴流循环泵的密封水由1台加压水泵供给,按此配管,对接给排水管道和阀门。
3.7 其他检查保养项目
1、原设备管道上的电器、仪表检查保养。如老轴流循环泵上2块电流表,老换热器上下部磷酸温度计、壳程中部压力表等应处于完好状态。
2、老换热器检查保养,用水试漏。
3、调试、校验老换热器安全阀。
4、老轴流循环泵及其电动机检查保养,并空载 运行试车。
4 操作要点
4.1 工艺指标
在原工艺操作指标保持不变的前提下,重新确 定两套轴流循环泵和换热器并联使用后的操作指标 如下:
新换热器壳程中部蒸汽压力 ≤60 kPa
老换热器壳程中部蒸汽压力≤50 kPa
新换热器管程磷酸上下温差2~4℃
老换热器管程磷酸上下温差2~4℃
新老换热器管程上部磷酸温差≤0. 5℃
新老换热器加入蒸汽总量≤16. 5 t/h
1、壳程中部蒸汽压力
为了保护管壳式石墨换热器,通常要求其壳程中部蒸汽压力指标小于100 kPa。因新老换热器的 使用寿命不同,其下管板和石墨管的磨蚀程度不一, 故我厂所确定的2台石墨换热器的壳程中部压力指 标值均比较小,且不相等。
2、管程磷酸上下温差
确定石墨换热器管程磷酸上下温差指标的意义是,防止单台或两台石墨换热器加入的蒸汽量过大, 同样起到保护设备的作用。
3、两台换热器管程上部磷酸温差
控制新老2台换热器管程上部磷酸温差的主要目的是,保持各自加入的蒸汽量均衡,有利于长周期、稳定运行。新老换热器管程下部磷酸温度基本相同,温差为零,故不予控制。
4、新老换热器加热蒸汽总量
只要保证新老换热器壳程蒸汽压力在操作指标范围之内,加汽总量就可以不予控制。但考虑到闪蒸室的生产能力不大,循环酸温度过高时就会出现暴沸现象而剧烈震动,故应予以控制。在设备能够承受的范围内,并联使用新老换热器后的最大加热蒸汽总量应控制在多大,即浓缩系统的最大生产能力究竟能达到多高,有待进一步摸索和确认。
4.2 分汽操作
由于2台换热器共用1台蒸汽流量计,因而浓缩系统生产控制中的分汽操作很关键。
1、分汽原则
尽管只有1台蒸汽总流量计,但要求做到分给新换热器的蒸汽流量约10 t/h,分给老换热器的蒸汽流量约6 t/h。
2、分汽条件
待2台轴流循环泵运行平稳后,即可开始向换热器通入加热蒸汽。加汽前,应打开蒸汽总管和2 台换热器的疏水倒淋阀门。
3、向新换热器加汽
由近及远依次开启其进汽支管蒸汽流量调节阀 FIC-303、总管减温减压器、总管压力调节阀PIC- 302、总管二道阀和蒸汽总阀。缓慢通蒸汽至流量计 显示为10 t/h左右,此时新换热器壳程中部蒸汽压力约为30 kPa。
4、向老换热器加汽
打开老换热器进汽支管新装的闸阀,逐渐开大蒸汽总阀、压力调节阀PIC-302,通蒸汽至流量计显示为16. 0~16. 5 t/h。此时,老换热器壳程中部压力为25 kPa左右。
4.3 平衡蒸汽操作
1、平衡蒸汽的意义
随着开车时间的延长,换热器石墨管内壁必然产生结垢。受种种因素的影响, 2台换热器的结垢 程度不尽一致,热交换效果也不尽相同,故平衡二者的加汽量是很有必要的,既达到均衡出力的目的,又起到保护设备的作用。
2、平衡蒸汽的依据
以新老换热器各自壳程蒸汽中部压力指标为依据,保持二者中部压力按比例升降,则加入的蒸汽量 相平衡。譬如,新老换热器壳程蒸汽中部压力分别为35~37 kPa和29~31 kPa,说明中部压力均升至 60%左右,其加入的蒸汽量是平衡的。
3、平衡蒸汽的原则
在保持蒸汽总量不变的情况下,当老换热器壳程中部压力按比例高于新换热器时,就应加大新换 热器的蒸汽量,减少老换热器的蒸汽量;反之亦然。
4、平衡蒸汽的操作
当老换热器壳程中部压力相对较高时,在中心控制室适量开大新换热器前支管蒸汽流量调节阀 FIC-303;反之适量关小,直到二者的压力平衡为止。换言之,在调节蒸汽流量时,保持老换热器进汽闸阀的开启度不变,只是在控制室操作流量调节阀 FIC-303即可,不必去现场手动开阀。
5、总管蒸汽波动的操作
在生产过程中,总管蒸汽波动是在所难免,流量波动在0. 5~1. 0 t/h之内、压力波动在0. 05~0. 10 MPa之间均属正常。因此,当加入2台换热器的总流量高于16. 5 t/h时,参照总管蒸汽流量计的显示 值,在中心控制室适量关小总管蒸汽压力调节阀PIC-302即可,直到流量达标。反之亦然。
5 效果与收益
2008年9月5日磷酸浓缩系统利用停车热洗的机会,按方案组织了两台轴流泵和换热器并联使用的改造, 9月6日投入生产运行,一次并用成功。 在实际运行过程中,收到良好的效果。具体的运行效果和收益如下:
5.1 浓缩产能明显提高
1、因加入蒸汽量保持最大负荷所提高的产能
在开车周期满13天后,浓缩系统的加汽量均在 15. 8 t/h左右;开满14天后,浓缩加汽量也在15. 3 t/h左右。以平均加汽量增加1 t/h计,每天可增产磷酸17. 33 tP2O5,折DAP37. 68 ,t每月可增产DAP 1 055 t。
2、因换热面积增大所提高的产能
由于利用报废的石墨换热器,并联使用后两台换热器的有效换热面积增加了148m2(原石墨换热器有效面积182m2,封堵43根后为148m2),总有效 换热面积由275m2增加至423m2。在同样的生产条件下,当加入蒸汽量、稀浓磷酸浓度、真空度等条 件相同时,通过理论计算和实际验证,并联使用后比 并联使用前生产负荷提高了1. 1倍。以并联使用前一个月的浓磷酸产量8 688 tP2O5计,可增产868 P2O5,月增产DAP1 886 t。
3、并联使用后增加的总产能
并联使用后,每月DAP产品所增加的总产能为 1 055+1 886=2 941 t。
5.2 节能降耗效果显著
1、因洗涤率、转化率提高所节约P2O5的价值由于并联使用后石墨换热器的换热面积大幅增 加,浓缩系统的产能明显提高,在不刻意增加产量的 情况下,可通过降低稀磷酸浓度,实现磷酸装置的经 济运行。在并联使用期间,磷石膏洗涤率平均为 97. 57%,比并联使用前提高了1. 23%;磷矿P2O5 转化率平均为96. 53%,提高了0. 17%。二者总体 提高了1. 40%,每月可减少损失约30万元以上。
2、因蒸汽单耗降低所节约的价值
在浓磷酸产量、稀浓磷酸浓度、真空度等相同的工艺条件下,由于并联使用后总有效换热面积增大 148m2,热交换效果明显好转,蒸汽用量可相对减少,折耗汽量每吨P2O5可减少0. 2 t。那么,每月可节约蒸汽约1 700 ,t价值10万元。
5.3 有利于延长新换热器的使用寿命
并联使用后,新轴流循环泵的转速由提速后 660 r/min降至原设计值580 r/min,这样在综合效能 均有所提高的前提下,起到了保护新石墨换热器的作用。新轴流循环泵提速后,新换热器下部石墨管 板冲刷严重,石墨管也受到一定程度的冲刷,这个问题一直未予很好解决。而降到原设计转速后,新换热器的使用寿命必然延长,究竟能延长多长时间,有 待进一步验证。
5.4 浓缩开车周期有所延长
并联使用后,因石墨换热器热交换面积增幅较大,浓缩系统的开车周期必然延长;但新轴流循环泵的降速,又会加快换热器的堵塞和壳程蒸汽压力 (俗称中部压力)的升高,而导致浓缩开车周期的缩短。故受综合因素的影响,浓缩开车周期的延长不是很明显,换热器加热蒸汽量保持在14 t/h以上,开 车周期达到14天又5小时,这也是前所未有的。
如果新轴流循环泵的转速提高至并联使用前660 r/min,那么并联使用后浓缩装置的开车周期还会有所延长。
5.5 有利于减轻工人的劳动强度
从并联使用后生产运行状态来看,工人的劳动强度明显下降。原使用一台换热器时,其壳程蒸汽压力始终处于高限运行,蒸汽稍有波动,就必须调整,否则壳程压力超标。若长期超标,有可能导致石墨管损坏。而两台石墨换热器并联使用后,壳程压力处于较低值,生产弹性大,蒸汽波动对其影响不 大,故工人的调节频次明显减少,劳动强度明显减 轻。
6 总结与评价
1、实践证明,磷酸浓缩系统用不同扬程的轴流泵并联使用方案是可行的,技术是成熟的。双套轴流泵和换热器并联使用后,运行平稳,浓缩生产正常,其意义不同寻常。
2、本次并联使用的改造费用约5万元,每月增加运行费用不足1万元,而每月的收益远远高于6 万元。
3、并联使用后每月可增产DAP 2 941 ,t增加效 益约150万元(以2008年9月份二铵成本和市场价 计);或降低稀磷酸浓度后,提高磷石膏洗涤率和磷 矿转化率计1. 4%,每月可减少P2O5损失价值30 万元;或节约蒸汽1 700 ,t价值10万元。三者不可兼得,可择其一予以经济运行。
4、报废和闲置设备再利用后,还有利于保护新石墨换热器,有利于延长浓缩系统的开车周期,有利于减轻工人的劳动强度,其综合效益较好。
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