СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ УСТАНОВОК ПО ПРОИЗВОДСТВУ НЕКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
METHOD FOR INTENSIFICATION OF APPARATUS FOR PRODUCING NON-CONCENTRATED NITRIC ACID

3
Изобретение относится к химической технологии и касается способа производства неконцентрированной (слабой) азотной кислоты (НАК) и может быть использовано для интенсификации действующих установок, в которых азотную кислоту с концентрацией 55-65% HNO получают методом окисления аммиака кислородом воздуха под давлением и абсорбции оксидов азота под тем же или более высоким давлением.
Азотная кислота является одним из важнейших многотоннажных продуктов химической промышленности. Она занимает второе место по объему производства после серной кислоты. Азотная кислота широко применяется для производства многих продуктов, используемых в промышленности и сельском хозяйстве. Так, около 40% ее расходуется на получение сложных и азотных минеральных удобрений; азотная кислота используется для производства синтетических красителей, взрывчатых веществ, нитролаков, пластических масс, лекарственных синтетических веществ и других важнейших продуктов.
Широко известен и применяется в промышленности способ получения НАК, основанный на поглощении водой оксидов азота (NOx), полученных конверсией аммиака воздухом. Он включает стадии: окисление аммиака кислородом воздуха на катализаторе при температуре 800-900°C, рекуперацию тепла нитрозных газов (НГ), чаще всего в котлах-утилизаторах с получением пара, выделение реакционной воды, абсорбцию NOx с получением азотной кислоты и очистку выхлопных газов (ВГ) от оксидов азота (Патент РФ №2026812, публ. 20.01.1995).
Недостатками традиционного способа получения азотной кислоты являются: высокие сырьевые, капитальные и эксплуатационные затраты; значительные выбросы вредных веществ в атмосферу (производство аммиака + азотной кислоты).
В России и странах СНГ производство азотной кислоты практически полностью осуществляется на установках по энерготехнологической схеме, в которых машинный агрегат представляет собой газотурбинную установку. В агрегатах средней мощности под единым давлением (агрегаты типа УКЛ-7) газотурбинный агрегат типа ГТТ-3 включает воздушный компрессор и газовую турбину с расчетной температурой хвостовых газов 700°C. В крупнотоннажных агрегатах с двумя давлениями типа АК-72 газотурбинный агрегат типа ГТТ-12 включает воздушный компрессор, нитрозный нагнетатель и газовую турбину с расчетной температурой хвостовых газов 760°C. Нагрев хвостовых газов осуществляется сжиганием природного газа. Электродвигатель в ГТТ-3 (10% от общей мощности привода), паровая турбина (8%) в ГТТ-12 по проекту предназначены для запуска машинных агрегатов, но фактически постоянно эксплуатируются в качестве дополнительного привода, стр.94-306).
Широко известные установки западных фирм сооружены на основе схем без использования энергии сжигания природного газа. Они включают воздушный компрессор, нитрозный нагнетатель, а привод машинных агрегатов включает газовую турбину для рекуперации энергии хвостовых газов, нагретых до 300-500°C теплом нитрозных газов после окисления аммиака, и замыкающий двигатель - паровую турбину или мощный электродвигатель.
Известен способ получения неконцентрированной азотной кислоты, включающий получение оксидов азота и их абсорбцию, нагрев отходящего после абсорбции газа, смешение его с аммиаком, селективную гетерогенно-каталитическую очистку газа от остаточных оксидов азота и рекуперацию энергии отходящего газа ("Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности". Под редакцией Олевского В.М. М.: Химия, 1985, 1, с.290-303, способ в агрегате типа АК-72М). Оксиды азота получают каталитическим окислением аммиака кислородом воздуха при давлении 0,37-0,41 МПа, температуру подогрева отходящего после абсорбции газа выбирают в интервале 290-310°C. Селективную гетерогенно-каталитическую очистку осуществляют при давлении около 1,0 МПа путем восстановления оксидов азота аммиаком при избытке аммиака над его стехиометрическим количеством по отношению к остаточным оксидам азота примерно на 10%. Температура нагрева очищенной газовой смеси составляет 650-780°C. Рекуперацию энергии очищенной газовой смеси осуществляют в высокотемпературной газовой турбине газотурбинной установки, являющейся приводом для компрессора сжатия воздуха и нитрозного газа. Нагрев отходящего газа перед его очисткой до 290-310°C и нагрев очищенной газовой смеси до 650-780°C осуществляют в подогревателе выхлопного газа путем контакта через стенку с продуктами сгорания метана (природного газа). Конкретные значения технологических параметров, а именно давление и температура на стадиях окисления аммиака, абсорбции полученных оксидов азота, очистки отходящего газа; температура подогрева отходящего газа перед его очисткой от оксидов азота и др. не являются определяющими признаками способа-аналога и выбираются для каждого способа получения азотной кислоты в зависимости от его технологического оформления с целью обеспечения оптимальных материально-энергетических показателей процесса.
Основным недостатком данного способа является малая производительность процесса из-за высокого времени простоя из-за отказов. Дополнительный недостаток данного способа заключается в невозможности очистки в данном способе других потоков газа из агрегата, содержащих оксиды азота (из хранилищ азотной кислоты, вентиляционных выбросов и т.п.). Эти недостатки данного способа обусловлены тем, что очистка отходящего после абсорбции газа осуществляется в нем перед рекуперацией энергии отходящего газа и при повышенном давлении (в частности, в агрегате АК-72М при давлении около 1,0 МПа).
Производительность установок по производству азотной кислоты может снижаться в процессе эксплуатации как вследствие износа машинных агрегатов, так и по технологическим причинам (например, из-за снижения степени конверсии аммиака и т.д.). Но основной причиной снижения производительности установок всегда является уменьшение подачи воздуха воздушным компрессором из-за износа, загрязнения проточной части, снижения числа оборотов. Это относится к машинным агрегатам любого типа, но в разной степени. Машинные агрегаты, в которых обеспечивается постоянство оборотов компрессоров (воздушного и нитрозного) за счет электродвигателя большой мощности, более стабильны. Менее стабильны машины с паровой турбиной в качестве замыкающего двигателя вследствие снижения оборотов при износе. При этом особенно чувствительны к потере КПД газовых турбин газотурбинные машины типа ГТТ-12 в агрегате АК-72 с маломощной паровой турбиной из-за падения оборотов воздушного и нитрозного компрессора, что кроме снижения подачи воздуха, т.е. производительности установки, приводит и к существенному снижению давления в системе абсорбции оксидов азота и, как следствие, к снижению эффективности процесса абсорбции
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
Известен способ модернизации установки по производству азотной кислоты, включающий окисление аммиака воздухом под разрежением, сжатие охлажденных нитрозных газов в нитрозном нагнетателе, абсорбцию окислов азота в абсорбционной колонне под давлением 3,5-4,0 кг/см, расширение отработанных хвостовых газов в турбодетандере, заключается в том, что повышают давление нитрозных газов на всасе нагнетателя в диапазоне от разрежения до давления 1,02-1,05 кг/см установкой новой или дополнительной газодувки на линиях аммиачно-воздушной смеси или нитрозных газов, или снижением гидравлического сопротивления аппаратов и устройств на трубопроводах до всаса нитрозного нагнетателя. При увеличении давления на всасе нагнетателя нитрозных газов путем снижения гидравлического сопротивления аппаратов и трубопроводов до всаса нитрозного нагнетателя повышение производительности установки будет существенно ниже (~ до 8%). Технологический процесс включает очистку всасываемого из атмосферы воздуха. Воздух, забираемый из атмосферы, фильтруется в фильтре 1. Аммиачно-воздушная смесь, сжатая в существующей газодувке (поз.2) под давлением 1,06-1,08 кг/см, подается на всас вновь устанавливаемой газодувки (поз.3) с производительностью до 30000 м/час и напором до 0,12 кг/см в условиях всаса (температура - 20-35°С, давление 1,06-1,08 кг/см). Во вновь устанавливаемой газодувке давление ABC повышается до 1,18-1,2 кг/см. Подогрев ABC и охлаждение нитрозных газов производится в существующем технологическом оборудовании. Подогретая ABC подается в контактный аппарат (поз.4), который переводится на режим работы под давлением до 1,125 кг/см. Для этого контактный аппарат реконструируется с целью повышения его герметичности. Нитрозный газ охлаждается в существующих аппаратах и поступает на всас нитрозного нагнетателя (поз.5) под давлением 1,02-1,05 кг/см. Сжатые до 4,7-4,8 кг/см нитрозные газы направляются далее на переработку в отделение абсорбции, в котором при необходимости производятся работы по обеспечению эксплуатации аппаратов под этим давлением. В связи с переходом на режим работы с разрежения на избыточное давление на всасе нитрозного нагнетателя для подачи добавочного воздуха и продувочных газов из колонны продувки (поз.6) азотной кислоты от растворенных оксидов азота устанавливается вентилятор (поз.7), который подает воздух под напором, большим чем избыточное давление на всасе ННГ на величину сопротивления продувочной колонны и системы трубопроводов (Патент РФ №2253614).
Способ обеспечивает повышение производительности установки на существующем оборудовании с небольшими капиталовложениями вследствие снижения удельных расходов сырья и энергии и существенного снижения условно-постоянных расходов.
К недостаткам известного решения является необходимость применения дополнительного оборудования, а также то, что увеличение расхода воздуха приводит к изменению технологического режима: давления и температуры, в результате чего возрастают потери и нарушается режим работы газовой турбины
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ интенсификации установок по производству азотной кислоты, включающий сжатие воздуха в воздушном компрессоре, стадии окисления аммиака кислородом воздуха и абсорбции оксидов азота под давлением, рекуперацию энергии нагретых хвостовых газов в газовой турбине, отличающийся тем, что на всасе воздушного компрессора создают избыточное давление предварительным сжатием атмосферного воздуха в высоконапорном вентиляторе, причем в теплое время года тепло сжатия отводят непосредственным контактом воздуха с водой (Патент РФ №2286943, опубл. 10.06.2006).
Сущность изобретения заключается в создании избыточного давления на всасе воздушного компрессора путем предварительного сжатия атмосферного воздуха в высоконапорном вентиляторе, причем тепло сжатия в теплое время года отводят непосредственным контактом с водой на всасе вентилятора, а в холодное используют для нагрева, полностью или частично исключая нагрев воздуха в подогревателе, устанавливаемом для предотвращения обледенения направляющего аппарата воздушного компрессора. На предприятиях с высокой запыленностью воздуха пылью или химическими загрязнениями для контактного охлаждения воздуха водой можно применять скрубберы-промыватели, которые сочетают функции охладителя воздуха и очистного устройства. Во всем остальном технологическая схема получения неконцентрированной азотной кислоты аналогична производству ее в агрегате АК-72М.
Способ эффективен для действующих установок, в которых вследствие износа проточной части воздушных компрессоров и газовых турбин снижается не только производительность, но и давление в системе и, как следствие, концентрация азотной кислоты. Способ позволяет осуществлять интенсификацию установок на существующем оборудовании вследствие повышения давления в системе. Концентрация азотной кислоты не снижается, степень очистки хвостовых газов сохраняется.
Основным недостатком указанного устройства является то, что увеличение скорости воздушных и газовых потоков в технологическом процессе пропорционально расходу, а гидравлическое сопротивление увеличивается в квадрате скорости, в результате чего потери растут, а давление перед газовой турбиной падает. Это приводит к дисбалансу режима работы газовой турбины.
Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в достижении существенного увеличения производительности установок для получения неконцентрированной азотной кислоты - не менее 10-20% (в зависимости от типа агрегатов) без дорогостоящей модернизации или замены машинных агрегатов на существующем технологическом оборудовании за счет усовершенствования процесса сжатия воздуха в осевом компрессоре и изменения параметров процесса расширения газового потока в газовой турбине.
Технический результат достигается за счет того, что в известный способ интенсификации установок по производству неконцентрированной азотной кислоты, включающий сжатие воздуха в воздушном осевом компрессоре, стадии окисления аммиака кислородом воздуха и абсорбции оксидов азота под разным давлением, рекуперацию энергии нагретых хвостовых газов в газовой турбине, состоящей из турбины низкого и высокого давления, внесены изменения, а именно:
- увеличивают расход воздуха через осевой компрессор и давление сжатия воздуха после него путем установки на валу осевого компрессора дополнительной ступени сжатия и изменения геометрии профиля части рабочих лопаток на других ступенях осевого компрессора;
- перераспределение теплоперепадов между турбинами низкого и высокого давления осуществляют путем уменьшения давления за турбиной высокого давления путем увеличения угла выхода газового потока на выходе первой направляющей лопатки турбины в сторону раскрытия низкого давления.
Изменение профиля рабочих лопаток осевого компрессора осуществляют путем разворота пера лопаток в пределах 1,5-4 градусов относительно хвостовика лопатки, в сторону раскрытия входа воздушного потока, а увеличение угла выхода газового потока из турбины низкого давления осуществляют в пределах 0,5-2,0 градуса относительно первоначального угла выхода газового потока.
Увеличение расхода воздуха через осевой компрессор действующих газовых турбоагрегатах достигается путем увеличения пропускной способности входного направляющего аппарата за счет изменения геометрии профиля части рабочих лопаток разворотом пера рабочей лопатки в сторону увеличения угла входа воздушного потока, а на новых турбоагрегатах путем изменения профиля лопатки таким образом, чтобы обеспечить возможность заданного расхода воздуха в осевом компрессоре.
Рабочие лопатки состоят из двух частей: хвостовика для крепления лопатки и пера, имеющего весьма сложный профиль (например, спиралевидный с частично вогнутой или выпуклой поверхностями), предназначенными обеспечить направление циклового воздуха и его расход. Изменение разворота пера в сторону раскрываемости угла прохождения воздушного потока практически изменяет геометрию профиля рабочей лопатки.
На основании многочисленных исследований, проведенных, в том числе, и на действующих турбоагрегатах, применяемых для производства неконцентрированной азотной кислоты (НАК) для различных ступеней осевого компрессора, угол поворота рабочих лопаток относительно хвостовика находился в пределах 1,5-4,0 градуса в сторону раскрытия воздушного потока.
Как следствие, увеличение расхода циклового воздуха через осевой компрессор для обеспечения оптимального давления после него потребовало увеличения усилий сжатия его, что реализовано путем установки дополнительной ступени сжатия на валу осевого компрессора.
В результате этого расход воздуха через осевой компрессор увеличивается пропорционально полученному давлению за компрессором, т.е. на величину 10-20% и не вносит разбаланса в технологию, сохраняя скорости потоков.
Увеличение расхода циклового воздуха через осевой компрессор (ОК) с пропорциональным повышением давления за ним за счет дополнительной ступени сжатия, что приводит к увеличению количества нитрозных газов, которые сжимаются нитрозным нагнетателем (НН). Таким образом, работа сжатия НН повышается. Вращение нитрозного нагнетателя осуществляется турбиной высокого давления (ТВД), мощность которой тоже должна быть увеличена для сохранения баланса.
Мощность турбины ТВД определяется по формуле
ТВД
ТВД
Nтвд=G*H,
ТВД
ТВД
где G - расход нитрозного газа; H - теплоперепад.
ТВД
1ТВД
2ТВД
H=f (P/P,
1
2
где P - давление перед турбиной; P - давление за турбиной.
Перераспределение теплоперепадов между турбинами низкого (ТНД) и высокого (ТВД) давления позволяет изменить соотношение по их пропускным способностям, оптимизировать работу проточной части и сбалансировать нагрузку на каждом валу ТНД и ТВД рекуперационной турбины.
Уменьшение давления за турбиной ТВД осуществляется путем увеличения угла раскрытия газового потока на выходе первой направляющей лопатки ТНД, что приводит к увеличению расхода газа и снижению давления после ТВД, и, как следствие, к увеличению теплоперепада на турбине ТВД. На турбине высокого давления (ТВД), как следствие, повышается мощность и дисбаланс мощности между ТВД и НН не возникает. На основании исследований установлен диапазон увеличения угла расширения газового потока на выходе первой направляющей лопатки турбины низкого давления, который составляет 0,5-2,0 градусов.
Предлагаемое изобретение иллюстрируются следующими фиг.1-3.
На фиг.1 приведена блок-схема производства неконцентрированной азотной кислоты в агрегате АК-72М, причем показано основное энергетическое оборудование, а технологическое оборудование операций конверсии и абсорбции в виде блоков, т.к. на каждом конкретном предприятии они могут быть реализованы по-разному.
На фиг.1 показаны основные узлы агрегата для производства азотной кислоты, включающий фильтр 1, осевой компрессор 2, блок конверсии 3, нитрозный нагнетатель 4 (НН), блок адсорбции 5, реактор каталитической очистки 6 (РКО), рекуперационная турбина 7 (РТ), включающая турбину низкого давления (ТНД) и турбину высокого давления (ТВД), причем турбина низкого давления является приводом осевого компрессора 2, а турбина высокого давления - приводом нагнетателя нитрозного газа 4. а рекуперационная турбина запускается паровой турбиной 8 (ПТ).
На фиг.2 приведена конструкция осевого компрессора 2 с указанием модернизированных лопаток 9 (на ступенях 1, 2, 4, 6) и дополнительная ступень сжатия 10.
На фиг.3 приведена конструкция рекуперационной турбины 7, включающей турбины низкого и высокого давления, на которой указана направляющая лопатка 11 турбины низкого давления (ТНД).
При этом агрегат с разным давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота для производства азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха и поглощением (абсорбцией) оксидов азота водой, работает следующим образом. Атмосферный воздух, проходя через фильтр 1, поступает на всасывание воздушного осевого компрессора 2, где происходит процесс сжатия. Направление воздушного потока регулируется рабочими лопатками, причем профиль лопаток на ступенях 1, 2 и 4, 6 изменены путем разворота пера лопаток относительно первоначальной оси в пределах 1,5-4 градуса. Сжатый до давления 0,46 МПа или более воздух (за счет дополнительной ступени 10), нагретый при сжатии до 190-2300°C, предназначенный для получения азотной кислоты, поступает в контактные аппараты (блок 3), где смешивается с подогретым аммиаком и при температуре 900-930°C аммиак окисляется до окислов азота (конверсия), превращаясь в нитрозный газ. Нитрозный газ охлаждается до 70°C в специальных теплообменниках (не показаны) и через всасывающий патрубок поступает в нитрозный нагнетатель 4, где сжимается до 1,2 МПа. Далее нитрозные газы поступают в абсорбционную колонну (блок 5), где соединяются с водой (адсорбция) с образованием слабой азотной кислоты, которую направляют на склад. Оставшиеся газы из абсорбционной колонны направляются в реактор каталитической очистки 6, в котором нагреваются до 760°C и восстанавливаются до чистого азота и кислорода. Горячий газ поступает в рекуперационную турбину 7 (турбину высокого давления (ТВД)), являющуюся приводом нитрозного нагнетателя 4, где газовый поток расширяется, а давление газа после нее падает и составляет не более 0,3 МПа, чему способствует также изменение положения направляющей лопатки 11 турбины низкого давления (ТНД). Положение направляющей лопатки 11 изменяют на 0,5-2 градуса в сторону увеличения выхода газового потока из турбины низкого давления. Кроме того, турбина низкого давления (ТНД) является приводом осевого компрессора 2, а рекуперационная турбина запускается паровой турбиной 8 (ТП). После рекуперационной турбины выхлопные газы пропускают через теплообменники и выбрасываются в атмосферу.
Испытания модернизированного турбокомпрессорного агрегата ГТТ-12М2 (КМА-5) были проведены в цехе №15 Кемеровского ОАО «Азот» на агрегате производства неконцентрированной азотной кислоты АК-72, согласованные Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, с целью подтверждения заявляемых теплотехнических параметров работы турбокомпрессорного агрегата и повышения производительности агрегата по азотной кислоте.
В нижеприведенной таблице приведены сравнительные данные способов получения слабой азотной кислоты на агрегате АК-72, АК-72М, прототипе, проектные и фактические данные, полученные при испытаниях на турбокомпрессорном агрегате КМА-5.
Показатели процесса
Разм-сть
АК-72
Прототип
КМА-2
КМА-5
Атмосферное давление
кг/см<sup>2</sup>
1,0
1,0
1.0
1,0
Давление в осевом компрессоре
ата
3,9
4.23
4,2
4,6
Степень повышения давления
%
-
9,0
9,0
18,0
Давление перед ТВД
ата
8,4
8,95
9,5
10,5
Давление на входе в абсорбер
ата
7,16
7,8
10,1
11,5
Частота вращения ТНД
об/мин
4860
4880
5200
5250
Частота вращения ТВД
об/мин
4880
5100
5000
5000
Температура атм. воздуха
°C
20
20
20
20
Температура газа перед турбиной
°C
720
745
760
770
Температура газа за турбиной
°C
391
385
365
365
Температура воздуха за ОК
°C
187
201
201
216
Температура газа перед НН
°C
65
65
70
70
Температура газа за НН
°C
187
201
224
228
Мощность пар. турбины ТВД
МВт
1,7
1,7
3,5
2,3
Расход впрыска пара в РКО
т/час
4-6
4-6
10-12
10-12
Расход воздуха через ОК
т/час
254
270,7
274
300
Степень повышения
%
-
5,5
6,0
16,0
Производительность по кислоте *
т/час
50
52-53
52
55
Степень повышения
%
до 6,0
4,0
10,0
* При соблюдении проектных параметров технологического оборудования, нитрозного нагнетателя и паровой турбины.
Данные последней колонки таблицы, где приведены параметры турбокомпрессорного агрегата КМА-5, подтверждают увеличение расхода циклового воздуха через осевой компрессор на 10%, давления после него на 16%, увеличение производительности по кислоте не менее 10%, при этом теплоперепад на турбине ТВД увеличился в 1,5 раза (с 2.02 в прототипе до 3,5 в агрегате КМА-5), что равносильно пропорциональному увеличению мощности турбины ТВД. Это видно и из сравнения мощностей турбины ТВД в агрегате КМА-2 и КМА-5, соответственно 3, 5 и 2,3 МВт.
Преимуществом заявляемого способа производства неконцентрированной азотной кислоты является то, что в результате модернизации существующего турбоагрегата ГТ-12М, без существенных капвложений, удалось увеличить на 10-20% (в зависимости от агрегата и технологии получения) производительность по азотной кислоте, оптимизировать электротехнологический режим и улучшить технико-экономические показатели производства. По результатам гарантийных испытаний подготовлена техдокументация по модернизации турбокомпрессорного агрегата ГТТ-12М, а в настоящее время проводятся опытно-промышленные испытания модернизированных агрегатов на двух заводах производства неконцентрированной азотной кислоты.
В 2013 г. по заказам нескольких предприятий химической промышленности будет производиться интенсификации их установок для производства слабой азотной кислоты.