无油螺杆压缩机在液氨精制回收中的研究与应用

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根据国家标准的相关规定，合格液氨的含量应达到99.6%以上。水是液氨中的主要杂质之-，含水量越低，相应的品质等级越高。因此为提高氨气回收的附加值，需要对氨气进行循环洗涤、脱硫精制。工业上氨气的压缩常采用现有的往复活塞压缩机和通用的制冷喷油螺杆压缩机。在部分气量较大，气体中含碳铵等颗粒杂质较多的工况下，往复活塞压缩机运行稳定性较差 [1]。喷油螺杆压缩机在此工艺上的应用也存在诸多问题 ：氨气精制回收工艺上润滑油等介质以外的杂质引入体系，将引起产品外观差，品质不达标；介质气中的 H2S等杂质容易混入润滑油中，导致润滑油污染变质 2。而无油螺杆压缩机的工作腔与轴承座由密封装置隔开 ，能够很好地避免上述问题。

收稿 日期：2012-10-162013年O1期(总第237期)但现有的无油螺杆压缩机在工艺、密封和材质上仍无法满足氨气喷水压缩工艺。因此，结合气体性质和工艺特点 ，对无油螺杆压缩机进行研究和设计是改变这-现状的重要途径之-。

国外学者在压缩-解吸湿式热泵等密闭循环系统中对氨水螺杆压缩机进行了-定的研究 [3-4]，所用的氨水螺杆压缩机是由水润滑的空气螺杆压缩机改造而来 。由于压缩机采用阳转子直接驱动阴转子的形式，所能传动的扭矩较小，无法满足工业上大气量的要求。因此本文对现已成熟的无油湿式螺杆压缩机，在工艺、密封和材质等方面结合液氨精制回收工艺进行研究设计，以满足工业上的使用要求。

2 无油氨气螺杆压缩机的研究2.1 工艺系统的研究喷液螺杆压缩机单级压 比-般在 4～8之间 ， 氨气在 40 c的饱和蒸汽压约为 1.55 MPa。由于进气压力为常压，因此需要两级压缩。第-级通过压缩冷凝，将部分水蒸气冷凝为液态水后进行分离除水；第二级进-步压缩冷凝，将精制后的氨气冷凝为液氨回收。氨气的绝热指数较高，在压缩过程中有较多的能量转化为热能。无油螺杆压缩机的阴阳转子之间存在-定的间隙，为防止转子热能产生的热膨胀导致转子间隙变小直至咬合，需要采用喷液控制压缩的排气温度。所压缩介质气的主要成分为水和氨气，因此所喷的介质只能为水、液氨或氨水。根据各级压缩的作用，制定氨气的压缩工艺，相应的流程如图 1。

1.-级压缩机 2.级间冷却器 3.级间分离器4.二级压缩机 5.液氨冷凝器 6.二级分离器图 1无油氨气压缩机气液流程2.1.1 第-级压缩工艺分析氨气极易溶于水，并且在溶解的过程中产生大量的溶解热。采用直接喷水冷却压缩工艺至少存在 2方面的问题：(1)持续的喷水将使大量氨气溶解于水中，导致所压缩的氨气大部分形成氨水，后续冷凝回收的液氨将减少；(2)在氨气压缩过程中喷入水 ，-方面水通过潜热和显热的形式吸收压缩过程产生的热量，降低排气温度；另-方面当喷入的水达到过饱和后，产生液态水，氨气在溶解于液态水的过程中释放大量的溶解热，导致排气温度上升。

以10000 Nm3/h待回收的氨气为例，其组成：94.7%NH3、5%H2O、0.2%N2和0.1%O2。操作工况为：进气压力 0.2 MPa，进气温度 54 cC，排气压力为 0.7 MPa。根据螺杆压缩机的热力性质计算原54l 瓣 蜘理 嘲结合化工过程模拟软件进行计算分析，得到喷液量与排气温度的对应关系，如图2和图3。

从图 2中可以发现，排气温度随喷水量的变化并无单调性，其间存在最小值，该值所对应排端的气体状态即为水蒸气的饱和点。显然采用直接喷水压缩工艺无法满足控制排气温度的要求。

若将压缩后产生的氨水循环喷入压缩机入口，由于氨水处于饱和状态 ，既能够避免氨气的进-步溶解，保证了液氨的回收量，又能够防止产生额外的溶解热，有效控制排气温度，如图3-车阶段，在缺乏氨水情况下需要进行相应的补液操作。此时压缩机不应施加背压 ，防止排气温度过高。当运行平稳产生足够的氨水后，再逐步提高背压至设定的压力。运行平稳后补液口应设置在冷却器人口，通过冷却水消除溶解热的影响，以保证补液操作不影响机组的平稳运行。排液主要成分为冷凝后产生的饱和氨水 ，后续可通过减压解吸以及二次气液分离实现氨气的循环回收。

图 2排气温度与喷液量 (水)的对应关系圈 3排气温度与喷液量 (氨水)的对应关系2.1.2 第二级压缩工艺分析氨气在 40qC(冷凝水回水温度)下的饱和蒸2013年01期(总第237期)-加∞如∞如加m∞如∞ ∞如柏C应om用pute与rAp测fic ati'o 汽压约为 1.55 MPa，因此二级压缩机的出口压力应略高于相应的饱和蒸汽压。经过冷却之后产生的液氨循环喷入二级压缩机的人口，以控制排气温度。所喷液氨在降至二级人口压力的过程中，将产生气化现象 ，生成的氨气将占用-定的入口容积，影响压缩机的排气量。但由于气化将引起人口温度的降低，实际吸气的质量流量并不会发生太大的下降。在压缩机的开车阶段，现场无液氨 ，相应的操作与第-级压缩工艺相似 ，采用喷水的方法进行排气温度的控制。此时冷凝所形成的液氨中混有较多的水 ，产品达不到标准，因此将其循环回流至-级压缩机的分离器再利用，直到产生的液氨满足要求后即可进行回收。

无油氨气螺杆压缩机可通过循环回流和变频的方式调节气量。由于二级冷凝后 ，分离器顶部主要有少量的氨气和不凝气 ，通过液氨闪蒸的方式 ，获得 回流所需足够量的氨气。但这种方式并不节能，所回流的不凝气将导致氨气的分压降低，在相同的冷凝温度下需要更高排气压力。因此工况存在较大波动时，采用变频调节气量较为适宜。

2.2 密封系统的研究目前 ，制冷式喷油螺杆压缩机的轴封大多采用机械密封的形式。机械密封为接触式密封，受pV值的限制，在高速高压诚使用寿命较短 q。

采用机械密封必然会有少量密封油泄漏进入工艺气系统中，对液氨造成污染，因此机械密封并不适用于本机组系统。而干气密封为非接触式密封，在高速高压诚有良好的可靠性，并且能够有效防止润滑油等外部杂质的进入，因此机组系统选用干气密封作为主密封。

干气密封前置缓冲气通常为 N：或工艺气，通过吹扫作用防止液滴或固体颗粒杂质进入密封螺旋面损坏密封面。在本机组中，由于涉及到后续氨气的冷凝，为防止 N：等不凝气的进入，导致系统中氨气的分压降低，对冷凝回收液氨造成影响，因此采用介质气-氨气作为前置缓冲气。氨气通过分离器顶部闪蒸获得，并经过滤之后，进行前置吹扫。具体的结构如图4。

值得-提的是，为降低前置吹扫气的进气压力，平衡腔的压力也需要相应降低。喷液螺杆压-2013年01期(总第237期)豫 Ⅵ vf II IIi I l jl雪 I 豳 转子fIi图4干气密封结构排端 吸端至吸端底 来 自排端部平衡口 底部平衡口图 5平衡腔弓l管布置图缩机的平衡腔大多设置于压缩机的底部，氨水极易进入平衡腔。随着平衡腔内氨水压力由排气压力向吸气压力逐步下降过程中，氨气将从氨水中逐渐解吸。产生的氨气在平衡腔内造成较大的阻力降，因此平衡腔压力较高。为此，在压缩机的水平侧面和高于水平侧面分别增设-个平衡腔，并引至压缩机的吸气腔，如图5。

通过三路平衡之后，平衡腔内的压力基本接近于进气压力 ，此时相应的前置缓冲气和主密封气的压力均可下降，并能够有效防止氨水等液体进入螺旋面，起到良好的密封效果。

2.3 主机材质的选用螺杆压缩机与介质气接触 (或可能接触)的部件有：进气腔、排气腔、气缸体、密封腔和轴承腔。纯氨的腐蚀性较弱，但氨水对部分金属具有较强腐蚀性，若介质气中存在氧的情况下，将使腐蚀更为严重。因此材质的选用应考虑抗氨混合气。

在喷水冷却工艺中，氨气将溶于水中，大部分与水中的氢键结合形成-水合氨。部分经过电离产生NH4和OH-，因此呈弱碱性 7。氨水对金 图 6排气座电极腐蚀情况属材质的腐蚀根据机理的不同，可分为两类 ：(1)化学腐蚀，包括 2方面： (a)碱性腐蚀。氨在水中水解产生的OH-能够与 Al及其形成的氧化膜发生反应 ，生成 AI(OH)，从而对 A1产生破坏。 (b)络合反应。由于氨根的配位能力较强。能够在绝氧条件下与部分金属 (如 Cu、Azn、Ni等)发生络合反应，将其转化为络离子而溶解。

(2)电极腐蚀。由于-水合氨本身是电解质，氨根又可以与许多金属离子形成较稳定的配位离子，降低体系的标准电极电势，使得金属容易被氧化。在氧气存在的条件下，能够使 Fe等金属严重生锈。

根据分析，无油氨气螺杆压缩机的材质应避免使用上述涉及的材质。经过实验研究发现，不锈钢在氨混合气体系中具有较强的耐蚀性。在有氧的情况下表面能够形成钝化层 ，防止材质进-步腐蚀。因此在过氨及可能接触的部件均采用不锈钢。此外，螺杆压缩机各部件连接的密封垫也应采用抗氨橡胶，如三元乙丙橡胶。

3 氨水螺杆压缩机组的应用山东某公司以尿素为原料，利用气相催冷法生产密胺、液氨和二氧化碳。其中，液氨是由尾气经过吸收塔、精馏塔精制后，产生的纯净氨气，经-级压缩脱水，二级压缩冷凝后，产生合格的液氨进行回收。为提高液氨产品的品质，要求压缩过程不允许带人任何介质以外的杂质，因此选用无油氨气螺杆压缩机组，采用变频调节气量。

项目开车阶段氨气精馏塔因操作不当导致压缩机人口的介质气中含有较多的CO ，与压缩机所56 瓣喷的氨水发生反应 ，生成碳铵结晶颗粒，对压缩机的轴封造成损坏。此外，由于压缩机前-工段的塔器均采用不锈钢材质，根据防腐要求，需要通人少量的防腐空气，以利于塔器内部表面钝化层的形成。但空气中的0 进人压缩工段后，由于前期采用的材质未考虑防腐空气的影响，在氨水环境下，O 对压缩机腔体、轴封造成很大程度的电极腐蚀，导致气缸体和轴封严重生锈，如图6。

经过分析后 ，通过纠正工艺上的不当操作 ，并更换压缩机部分部件的材质。后期压缩机运行稳定，所回收的液氨达到了国家-等品及以上的标准，取得了良好的经济效益。

4 结语目前 ，采用喷水工艺的无油氨气螺杆压缩机工业上较为少见。在氨气精制回收液氨的工艺中，通过技术研究，采用两级的无油氨气螺杆压缩机，能够集合脱水和压缩冷凝于-体，对工艺有良好的适应性 ，可用于制备较高品质的液氨 ，具有较为广泛的应用前景。