АГРЕГАТ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

Полезная модель относится к производству азотной кислоты, получаемой окислением аммиака кислородом воздуха и поглощением (абсорбцией) оксидов азота водой в агрегатах с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота. Полезная модель агрегаты может быть использована в агрегатах с единым давлением 0,7-0,9 МПа и сжатием воздуха в компрессоре, входящем в состав газотурбинной установки.
В газотурбинной установке двигателем воздушного компрессора служит рекуперативная газовая турбина, в которой расширяются нагретые до высокой температуры отработанные хвостовые газы после стадии поглощения, причем нагрев осуществляют за счет сжигания топлива, преимущественно природного газа, в камере сгорания турбины путем смешения хвостовых газов с дымовыми газами из камеры сгорания турбины.
По патенту РФ №2248322, опублик. 20.03.2005 (прототип) известен агрегат для производства азотной кислоты из аммиака путем окисления аммиака кислородом воздуха и поглощением оксидов азота водой в агрегате с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота. Известный агрегат содержит аппараты окисления аммиака воздухом, поглощения оксидов азота, газотурбинную установку, включающую компрессор для сжатия воздуха и рекуперативную турбину для расширения хвостовых газов, нагретых газами из камеры сгорания топлива, а также смеситель аммиака и его подогреватель, линию питательной воды для котла-утилизатора, имеющего паросборник, и продувочную колонну азотной кислоты. В газотурбинной установке в качестве компрессора для сжатия воздуха используют осевой компрессор, установленный непосредственно на одном валу с рекуперативной турбиной, на выходе из компрессора линия потока сжатого воздуха разделена на два ответвления. Первое ответвление линии предназначено для получения азотной кислоты и связано сначала с охладителем сжатого воздуха и затем со смесителем аммиака. Второе ответвление линии предназначено для сжигания топлива и связано непосредственно с камерой сгорания рекуперативной турбины.
факт
расч
к
факт
расч
ВНА
2
2u
1
1u
1
2
1u
2u
2
2u
*
Недостатком такого агрегата является использование осевого компрессора, который обладает большой длиной, повышенной массой и требует расположения опоры у входа в компрессор, из масляной полости которой при износе лабиринтов масло может подмешиваться в воздух, идущий в технологический цикл, а это не допустимо по причине быстрого выхода из строя дорогостоящих катализаторов и потери выработки азотной кислоты. Недостатком осевого компрессора является и отсутствие пологой части в напорной характеристике, что приводит к быстрому росту степени сжатия (изменению рабочего давления), приближению к границе помпажа при увеличении (изменении) гидравлического сопротивления весьма загруженной различным оборудованием технологической линии. Если в процессе эксплуатации требуется перейти на уменьшенную выработку азотной кислоты, то в установке с осевым компрессором невозможно это сделать с использованием, например, наиболее экономичного и эффективного средства - регулируемого входного направляющего аппарата (ВНА), потому что при его закрытии заметно будут меняться и расход и, что нежелательно, степень сжатия, т.е. рабочее давление. Сказанное хорошо иллюстрирует фиг.1, где приведены типичные напорные характеристики осевого многоступенчатого компрессора, где по оси ординат - степень сжатия, по оси абсцисс приведенный расход воздуха, а сами кривые разделены по приведенным оборотам вращения. (n=n/n=0,95; 1,0; 1,05). На фиг.2 приведены для наглядного сравнения аналогичные характеристики одноступенчатого центробежного компрессора с четко выраженной пологой, параллельной оси абсцисс, частью кривых. Отличительной особенностью характеристик одноступенчатых высоконапорных центробежных ступеней со степенью повышения давления π =6,5…8 является возможность регулирования производительности в широком диапазоне за счет поворота лопаток ВНА относительно номинального положения, при этом величина полного давления за ступенью и ее адиабатический КПД изменяются незначительно. На фиг.2 приведены напорные характеристики центробежной ступени агрегата при трех положениях лопаток ВНА в области основных режимов эксплуатации на частотах вращения от n=n/n=0,95; 1,0; 1,05. Видно, что при изменении положения лопаток ВНА в диапазоне Δφ=-10°…+10°, производительность компрессора изменятся на 7…10% относительно исходного положения ВНА в зависимости от частоты вращения, при этом, чем выше частота вращения, тем больше изменение производительности компрессора. Изменение степени повышения давления ступени на постоянной частоте вращения (при сохранении сопротивления сети) составляет 2…2,5%, что объясняется тем, что в центробежной ступени основной вклад (более 95%) в работу - Н=UC-UC, где U, U - окружные скорости на входе и на выходе соответственно, а С, C - проекция абсолютной скорости потока на окружное направление (фронтальное сечение) определяется выходом из колеса, а так как параметр UC при прикрытии лопаток ВНА практически не меняется, то и степень повышения давления ступени изменяется слабо.
*
к
В осевых многоступенчатых компрессорах с такой же степенью повышения давления π =6,5…8 при регулировании ВНА относительное изменение расхода сопоставимо с относительным изменением степени повышения давления, что можно объяснить пересогласованием характеристик ступеней компрессора в сторону увеличения доли последних ступеней как наиболее чувствительных к изменению противодавления.
Еще одним недостатком прототипа является то, что второе ответвление линии потока сжатого воздуха, предназначенное для сжигания топлива, связано с подачей воздуха непосредственно в камеру сгорания рекуперативной турбины. Такая непосредственная связь при обеспечении экономной (коэффициент избытка α=1,05) подачи столь необходимого в технологии сжатого воздуха для обеспечения устойчивого горения сопровождается высокой температурой факела и требует охлаждения стенок камеры. Эффективное и широко применяемое завесное охлаждение стенок вдувом вдоль них хладагента в конструкциях с использованием хвостового газа нецелесообразно по следующей причине. Содержание кислорода в хвостовых газах не более 4-5%, т.е. в среде хвостового газа организовать горение не возможно (как известно, критическим является для таких условий 12%). При вдуве хвостового газа даже вдоль стенок неизбежно часть природного газа, поступающего в камеру сгорания, будет захватываться хвостовым газом, идущим на такое завесное охлаждение, при этом в процессе эксплуатации и. особенно на запуске газотурбинной установки, зачастую наблюдается догорание этой унесенной части природного газа далеко за факелом и даже в зоне рекуперативной турбины, что приводит к ее повреждению и даже прогарам и обрывам лопаток. Для снижения температуры факела и уменьшения теплового воздействия на стенки камеры сгорания можно, предварительно смешав с природным газом, подать в зону горения еще порцию воздуха, достичь α=2…2,5, как это делают в классических энергетических и транспортных ГТУ. Однако такая подача дополнительного воздуха для снижения температуры в зоне горения в рассматриваемой газотурбинной установке неэкономична, ибо этот воздух отбирается на собственные нужды турбокомпрессора, а не по прямому назначению - созданию продукта, каковым является азотная кислота.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение более высокой надежности в широком диапазоне работы ТК.
Технический результат в агрегате для производства азотной кислоты из аммиака путем окисления аммиака кислородом воздуха и поглощением оксидов азота водой в агрегате с единым давлением на стадиях окисления аммиака и поглощения оксидов азота, содержащем аппараты окисления аммиака воздухом, поглощения оксидов азота, газотурбинную установку, включающую компрессор для сжатия воздуха и рекуперативную турбину для расширения хвостовых газов, нагретых газами из камеры сгорания топлива, а также смеситель аммиака и его подогреватель, линию питательной воды для котла-утилизатора, имеющего паросборник, и продувочную колонну азотной кислоты, при этом компрессор установлен на одном валу с рекуперативной турбиной, на выходе из компрессора линия потока сжатого воздуха разделена на два ответвления, причем первое ответвление предназначено для получения азотной кислоты и связано сначала с охладителем сжатого воздуха и затем со смесителем аммиака, а второе ответвление предназначено для сжигания топлива и связано с камерой сгорания рекуперативной турбины, достигается тем, что агрегат дополнительно содержит инжектор, который установлен перед камерой сгорания и сопло которого соединено со вторым ответвлением, а к патрубку всаса в инжектор подсоединен отвод от линии потока хвостового газа, перед воздухоохладителем выполнено третье ответвление, оснащенное регулирующим клапаном и соединенное с линией потока хвостового газа до отвода на инжектор, в качестве компрессора для сжатия воздуха в газотурбинной установке используют центробежный компрессор, причем центробежный компрессор и рекуперативная турбина установлены консольно с подшипниковым узлом между ними, для исключения утечки масла из которого в газовоздушный тракт расположены лабиринты, образующие предмасляную полость, наддуваемую воздухом из второго инжектора, сопло которого соединено с линией потока сжатого воздуха по четвертому ответвлению, а патрубок всаса в инжектор соединен с отводом от воздуховода к компрессору, у которого перед рабочим колесом установлен регулируемый входной направляющий аппарат, участвующий в управлении расходом воздуха по первому ответвлению.
На фиг.3-6 показан пример конкретного выполнения, который иллюстрирует сущность заявляемого технического решения, возможность технической реализации и достижение заявляемого технического результата.
На фиг.3 показана схема заявляемого агрегата. Агрегат включает фильтр атмосферного воздуха 1, центробежный воздушный компрессор 2, воздухоохладитель 3, смеситель 4, контактный аппарат 5, котел-утилизатор 6, имеющий паросборник 7, камеру сгорания топлива 8, связанную с рекуперативной турбиной 9, подогреватель хвостовых газов 10, реактор каталитической очистки 11, холодильник-конденсатор 12, абсорбционную колонну 13, продувочную колонну 14, подогреватель газообразного аммиака 15.
На фиг.4 представлен увеличенный фрагмент из схемы на фиг.3, где показаны инжектор к камере сгорания 16, на втором ответвлении 28, инжектор наддува 17 на четвертом ответвлении 31, регулирующий клапан 18 на третьем ответвлении 30, обратный клапан 19, предмасляная полость 20, отвод 29 хвостового газа и отвод 32 от воздуховода.
На фиг.5 приведен элемент конструкции опоры с наддувом предмасляной полости 20 из инжектора наддува 17 и консольно расположенного центробежного колеса 2, лабиринты 21 и подшипники 22.
На фиг.6 показан продольный разрез камеры сгорания с указанием потоков рабочих сред, где показаны: патрубок 23 камеры сгорания подачи смеси воздуха и хвостового газа от инжектора 16; патрубок 24 подачи хвостового газа; трубопровод 25 подачи топлива; запальник 26; отверстия 27 для подачи хвостового газа в зону смешения.
Агрегат работает следующим образом. Атмосферный воздух, проходя через фильтр 1, (см. фиг.3-4) поступает на всасывание осевого воздушного центробежного компрессора 2, где его сжимают, причем сжатие до конечного единого давления осуществляют непрерывно в одну ступень сжатия, после чего сжатый и тем самым нагретый воздух делят на два потока, один из которых, предназначенный, для получения азотной кислоты, направляют на охлаждение, например, в воздухоохладитель 3 и далее смешивают с аммиаком в смесителе 4, а другой - подают второму ответвлению 28 в инжектор 16, к патрубку всаса которого подсоединен отвод 29 от линии потока хвостового газа, смесь воздуха и хвостового газа из инжектора 16 поступает в патрубок 23 камеры сгорания (фиг.6) и далее в горелку, куда подается топливо по трубопроводу 25, на выходе из которого установлен запальник 26. Основная часть хвостового газа поступает в камеру сгорания по патрубку 24, проходит с наружной стороны стенки камеры сгорания, охлаждая ее, и смешивается с продуктами сгорания через отверстия 27, перед воздухоохладителем выполнено третье ответвление 30 (фиг.4), оснащенное регулирующим открывающимся на запуске и на частичных режимах клапаном 18, соединенное с линией потока хвостового газа между отводом 29, идущим на инжектор 16, и клапаном 19, что обеспечивает при работе с открытым клапаном 18 и перекрытым обратным клапаном 19, надежную работу камеры сгорания за счет подсоса в инжектор 16 на этом режиме. В качестве компрессора для сжатия воздуха в газотурбинной установке используют центробежный компрессор 2, расположенный, как и рекуперативная турбина, консольно с подшипниковым узлом 22 (фиг.5) посередине между ними, находящемся в масляной полости, отсеченной от сжатого воздуха и входящего в турбину нагретого газа лабиринтами 21, образующими предмасляную полость 20 для ее наддува воздухом из второго инжектора 17, сопло которого соединено с линией потока сжатого воздуха по четвертому ответвлению 31. Патрубок всаса в инжектор 17 соединен с отводом 32 от воздуховода к компрессору, у которого перед рабочим колесом установлен регулируемый входной направляющий аппарат, участвующий в управлении расходом воздуха по первому ответвлению.
Заявляемые отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками позволяют получить более высокую надежность на всех режимах работы газотурбинной установки за счет следующих факторов.
Заявляемый агрегат имеет второе ответвление по линии сжатого воздуха, идущего в камеру сгорания, инжектора, который свой кинетической энергией обеспечивает подсос части хвостового газа (примерно половина от расхода воздуха), что позволяет снизить температуру факела на 300-400°С, значительно уменьшив тепловое воздействие на стенки камеры сгорания и позволив организовать для них только конвективное охлаждение без вдува хвостового газа до зоны его смешения со сгоревшим газом. Тем самым исключена возможность догорания за факелом, что особенно важно в рекуперативной турбине. Реализовать эффективный инжектор позволило создание нестандартных для обычных ГТУ потерь давления закомпрессорного воздуха до входа его в камеру сгорания, а именно, потери в технологическом цикле производства азотной кислоты составляют величину в 0,15…0,2 МПа, обеспечивающую достаточный перепад для работы сопла инжектора. Постановка третьего ответвления с регулирующим клапаном позволила сохранить надежность конструкции камеры сгорания, в первую очередь на запуске и работе на холостом ходу, когда хвостовые газы еще не поступают в камеру сгорания, и технологическая линия отсоединена отсечными и обратными клапанами от байпасной линии, работающей на указанных режимах газотурбинной установки. Поэтому третье ответвление с линией потока хвостовых газов выполнено между обратным клапаном и отводом на инжектор, стоящий перед камерой сгорания. Достигнутые в настоящее время успехи в проектировании и создании одноступенчатых высокооборотных и высоконапорных центробежных компрессоров со степенью сжатия в одной ступени от 7 до 12, с достаточно высоким коэффициентом полезного действия на уровне 81-83% позволили, применив его в предлагаемой газотурбинной установке, получить преимущества по надежности. Во-первых, несравнимо меньшие по длине габариты центробежного колеса позволили выполнить консольную схему размещения относительно опоры, что позволило полностью исключить попадание масла в технологический цикл и сделать ротор «жестким». Кроме того, между компрессором и турбиной выполнена опора, а конструктивно масляная полость отделена системой лабиринтов и организована предмасляная полость, куда подают воздух для наддува. Благодаря этому, даже на запуске и выбеге исключены полностью потери масла. В баке маслосистемы, на сливе создается небольшое разрежение, а на наддув предмасляной полости подают воздух из второго инжектора, причем на сопло инжектора подают в малом количестве сжатый воздух по четвертому ответвлению, а подсасывается очищенный в воздухоочистительном устройстве воздух, поступающий со входа в компрессор. Как показано выше, центробежная ступень компрессора имеет иной вид напорных характеристик, а постановка перед ней ВНА позволяет не только, как в классических ВНА осевых компрессоров, переходить в область большей газодинамической устойчивости, особенно при работе на запуске и переходных режимах, и эффективно управлять расходам воздуха, идущего в технологический цикл, без заметного изменения степени сжатия или рабочего давления сжатого воздуха, идущего по первому ответвлению на производство азотной кислоты.