冷冻法NP复合肥中结晶器制冷系统的设计 摘 要 NP复合肥相较于传统的化肥而言是目前国内使用最广泛的一种肥料，其中低温冷冻法生产的硝酸磷肥是NP复合肥中性能最为优异的一种该生产工艺的核心设备是一套结合了低温冷冻系统的结晶器，冷冻系统的设计直接关系到系统的投资和装置能耗水平，本文通过对传统制冷系统分析，提出了新型多级制冷系统串联控制的先进工艺方案，虽然整个系统的复杂性略有提高，但是制冷系统的设备投资大幅降低，同时也设计出了一套适用于多种复杂生产工况的制冷负荷调整方案，使得整个结晶过程能耗得到了大幅的降低关键词 NP复核肥 结晶器 制冷系统 １ 冷冻法NP复合肥概述采用冷冻法工艺生产的硝酸磷肥作为一种高品质的NP复合肥，在我国市场前景广阔，目前对于NP复合肥的主要生产路线有两种，一种是在造粒过程中将含有氮和磷的基础料浆直接掺混造粒得到，这种方式生产的NP肥由于组成控制不均，所以肥效上有所欠缺，另一种是通过硝酸酸解磷矿反应生成含氮磷两种元素的化合物，这种复合肥从分子角度就是含有氮、磷两种元素的均匀结构，肥效远好于第一种本文介绍的硝酸冷冻法硝酸磷肥生产工艺就是属于第二种方法，冷冻法硝酸磷肥是世界上使用得最早、用得最多、生产能力最大的一种方法，其典型代表是挪威的NorskHydro工艺［1］。
我国的山西化肥厂采用的是该工艺该工艺方法包括酸解、结晶、中和蒸发等工序生产过程中主要反映反应方程式如图1所示[2]图1 硝酸磷肥生产工艺主反应方程式酸解过程主反应：中和过程主反应：冷冻法硝酸磷肥工艺中核心工序即为冷冻结晶工序，将硝酸和磷矿反应后的反应液过滤除杂后在低温冷冻系统加持下的结晶器中进行结晶操作，分离出磷矿中钙离子酸解形成的硝酸钙，冷却的温度越低，硝酸钙分离得越完全，分解液体中残留的钙离子就越少，最终结晶母液形成的成品中不溶性磷酸二钙的含量就越少，从而使磷的水溶率提高在整个冷冻法硝酸磷肥生产工艺中，影响磷肥产能，能耗以及产品质量的主要因素有以下两点，首先是酸解过程中酸不溶物的处理，由于磷矿粉开采，运输的等环节中会有大量不参加反应杂质的混入，这会给后续酸解过程中酸不溶物的分离处理带来极大的挑战，如何能够尽可能的分离处理酸不溶物，直接影响到了生产线的平稳性和最终硝酸磷肥产品的质量；其次是结晶器的结晶过程，由于冷冻法硝酸磷肥生产过程中不同工况生产负荷变化较大，这就使得为结晶器冷量的氨冷冻系统能够适应大范围工况调整变化的要求，能够在最低能耗的操作条件下平稳的进行生产本文主要针对第二点冷冻系统进行了重新设计和优化，从而降低了整个硝酸磷肥生产过程中能耗和投资。
2 冷冻系统流程简述在结晶器冷冻系统中，主体工艺设备是串联组成的十二台结晶器，结晶器内部有搅拌器和冷冻盘管，以20%氨水溶液为冷却剂，将酸解液在结晶器中冷却到-5℃，从而使Ca(NO3)2·4H2O结晶析出，在后续流程中再分离当生产负荷发生波动的时候，可以通过调整串联结晶器的数量来控制20%氨水溶液的温度是通过蒸发器中液氨蒸发控制通常的设计方案冷冻系统流程简图见图2所示20%氨水溶液从氨水储罐中出来，通过二段氨蒸发器后温度从25℃降低至14℃，该蒸发器冷量由工艺用户使用液氨气化提供，冷量为恒定值14℃氨水再通过氨蒸发器,温度从14℃降低至-15℃，然后将-15℃氨水送至氨水用户结晶器设备，最后从结晶器用完的25℃氨水再回到氨水储罐中，完成氨水的闭路循环过程整个系统的冷量由电驱动两段式离心压缩机组提供优化后的新型冷冻系统流程图如图3所示制冷机组的驱动方式仍为电驱动，工艺侧20%氨水溶液分三段被冷冻，第一段由氨水储罐出来的25℃氨水通过一级蒸发器E-3105，利用一段螺杆式压缩机组将一级蒸发器的制冷剂气氨压缩冷凝为液氨，液氨返回一级蒸发器蒸发进而提供结晶工序20%氨水所需要的冷量，使氨水温度由25℃降低至5℃，液氨气化后再次返回离心式压缩机组。
5℃的氨水溶液从一级蒸发器出来进入二级蒸发器E-3105，氨水通过二级蒸发器温度从5℃降低至-6℃，该蒸发器冷量由工艺用户使用液氨气化提供，冷量同样为恒定值最后-6℃的氨水通过三级蒸发器，利用三段螺杆式压缩机组将三级蒸发器的制冷剂气氨压缩冷凝为液氨，液氨返回三级蒸发器蒸发进而提供结晶工序20%氨水所需要的冷量，使氨水温度由-6℃降低至-15℃整个蒸发过程包含三级蒸发器，一段与三段为制冷机组提供冷量，二段将蒸发则使用工艺侧液氨提供冷量，不做任何改变通过三级蒸发实现了能量梯级利用主要设备有主要设备为螺杆式压缩机组三套（运行两套，备用一套），备用机组联通蒸发器一起备用，设置在二级蒸发器蒸发器后串联在系统中，当一段或者三段螺杆式压缩机组发生故障时，可以启动该备用机组，保证系统能够提供足够的冷量满足工艺生产的需要图2 常规冷冻系统流程简图图3 新型冷冻系统流程简图3 新旧冷冻系统能耗及运行费用对比对于整个冷冻系统的新设计主要是依靠能量的梯级利用，经过核算制冷系统总冷量为447万kcal/h，原设计方案仅设计一个组压缩机组提供该冷量，由于工艺用氨水温度要求为-15℃，为了满足工艺要求，这就需要压缩机组中冷冻剂的蒸发温度至少设置在-20℃，压缩机组电机功率经过计算选型为2000KW，负荷调节由于离心式压缩机组限制，只能实现从70~105%范围调节，还需要借助高压变频器设备。
采用新方案后，由于实现了能量的梯级利用，将总冷量447万kcal/h拆分成了一段和三段两部分，其中一段制冷量为139万kcal/h，三段制冷量为308万kcal/h，分别通过一段和三段螺杆式压缩机组提供冷量，由于一段蒸发器中氨水由25℃降低到5℃，因此一段压缩机组冷冻剂蒸发温度为0℃即可满足要求，在三段蒸发器中氨水由-6℃降低到-15℃，因此三段压缩机组冷冻剂蒸发温度为-20℃可见优化后制冷系统减少了在-20℃条件下的蒸发氨量，从而降低了能耗，经过计算选型，一段压缩机组电机功率为800KW，三段压缩机组电机功率同样为800KW,两段压缩机组总功率和为1600KW，比优化前方案节省了400KW的能耗此外，由于螺杆式压缩机组可以使用滑阀无级调节负荷，因此也实现了生产负荷从10%~105%的无级调节，比优化前负荷调节能力更强运行成本两种方案相比优化后的技术方案具有明显优势在投资成本上，采用原设计方案需要采购两段式离心压缩机组一套，还需要采购高压变频器一套，由于电机功率较大，变频器占地较大，并且需要专门设置房间放置，整个设备投资多家供货商报价均值约为1800万，如果采用优化后的设计方案，整个设备投资近包含三套螺杆式压缩机组构成，经过供货商报价，总投资约为900万，节省了约900的投资，严格控制了投资成本。
具体投资费用以及运行费用对比表如表1示表1 制冷系统优化方案对比表制冷系统方案设备配置设备投资（万元）节约运行费用(万元/年)优化前方案（电机+变频调节）+两段式离心压缩机（一台）18000优化后方案（电机+滑阀调节）螺杆压缩机（开二备一）9002754 结论本文对冷冻法硝酸磷肥生产工艺做了简要的介绍，以传统冷冻法硝酸磷肥生产工艺为基础，对该工艺中制冷系统进行了重新设计，使得该工艺中制冷系统的设备投资以及运行费用得到的显著的降低，此外，还提供了冷冻负荷调整的灵活性，对整个硝酸磷肥的生产工艺产生了非常积极的作用从而为企业带来更多的经济效益和社会价值参考文献[1]冯玉文．间接冷冻法硝酸磷肥工艺流程简介［J］．山西化工，1983（5）：8－10．[2] 吴德桥，陈红琼，钟本和，黄美英. 我国发展硝酸磷肥的生产工艺探讨[J].磷肥与复肥，2009 24（4）:36－39 -全文完-。