合成氨原料氣氨冷器泄漏的原因分析及對策

楊 超，鐘富生，熊永軍，梁紅兵

（昊華鴻鶴化工有限責(zé)任公司，四川自貢 643000）

合成氨原料氣氨冷器泄漏的原因分析及對策

楊 超，鐘富生，熊永軍，梁紅兵

（昊華鴻鶴化工有限責(zé)任公司，四川自貢 643000）

原料氣氨冷器是合成氨廠凈化工序的重要設(shè)備。從生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)操作角度分析原料氣氨冷器發(fā)生泄漏的原因，尋求有效的對策。

原料氣氨冷器；泄漏；冰堵；原因分析；防范措施

1 概 述

昊華鴻鶴化工有限責(zé)任公司有新老兩套合成氨系統(tǒng)，新老系統(tǒng)分別始建于1989年和1973年，液氨設(shè)計生產(chǎn)能力分別為50 kt／a和46．5 kt／a，新老系統(tǒng)分別于2003年和2007年在轉(zhuǎn)化工序?qū)嵤半p一段爐”節(jié)能擴(kuò)能新技術(shù)，將生產(chǎn)能力提高到90 kt／a和70 kt／a。由此，合成氨裝置總產(chǎn)能達(dá)到160 kt／a，為滿足聯(lián)堿500 kt／a的生產(chǎn)要求奠定了堅實的基礎(chǔ)。

我公司是以天然氣為主要原料生產(chǎn)合成氨，采用加壓蒸汽轉(zhuǎn)化法制氣，中低溫一氧化碳變換，熱鉀堿液脫除CO2，甲烷化法除微量的CO和CO2，32 MPa中壓氨合成的工藝。合成的液氨經(jīng)氨庫計量，再返回到合成崗位的氨蒸發(fā)器，得到的氣氨送聯(lián)堿裝置使用。

新系統(tǒng)甲烷化以及原料氣水冷器后增設(shè)分離器流程簡介如下。

合格的堿洗氣經(jīng)甲烷化換熱器和中變換熱器加熱到320℃左右進(jìn)入甲烷化爐，甲烷化爐出來的原料氣經(jīng)甲烷化換熱器和水冷器降溫之后，進(jìn)入氨冷器入口分離器，分離冷凝水后，再進(jìn)入原料氣氨冷器進(jìn)一步降溫，之后進(jìn)入原料氣分離器，分離冷凝水后，送氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)加壓至32 MPa送入合成工序，其工藝流程如圖1所示。

圖1 增設(shè)分離器后新系統(tǒng)工藝流程

2 原料氣氨冷器的作用

甲烷化合格的原料氣經(jīng)過甲烷化換熱器和水冷器降溫后，其溫度仍高達(dá)40～50℃。由于溫度高，原料氣濕度較高，使進(jìn)入高壓機(jī)一段缸的有效氣體量下降，不僅降低了氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)的打氣量，而且增加了氣體的壓縮功耗。隨著擴(kuò)能改造，系統(tǒng)生產(chǎn)能力的提高，在原料氣水冷器之后安裝和使用氨冷器。氨冷器的投運(yùn)，對穩(wěn)定生產(chǎn)起到非常重要的作用：經(jīng)氨冷器后，原料氣的溫度可以降到10～20℃，甚至更低，原料氣的水汽濃度降到10 mg／m3。由于原料氣的濕度大大降低，其體積明顯下降，大大提高了氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)的輸氣能力，也使噸氨電耗下降。

增設(shè)氨冷器前原料氣溫度取45℃，即T1＝318 K；增設(shè)氨冷器后原料氣溫度取15℃，即T2＝288 K，忽略氣體溫度變化帶來壓力的變化，則增設(shè)氨冷器后原料氣體積縮減（1－T2／T1）× 100%＝（1－288／318）×100%＝9．43%。即僅氨冷器的投運(yùn)，可使氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)能力提高約9%。原料氣氨冷器結(jié)構(gòu)見圖2。其設(shè)備參數(shù)見表1。

圖2 原料氣氨冷器的設(shè)備結(jié)構(gòu)

表1 原料氣氨冷器的設(shè)備參數(shù)

3 原料氣氨冷器泄漏的判定

在實際運(yùn)行過程中，若氨冷器發(fā)生泄漏，將導(dǎo)致生產(chǎn)消耗上升；泄漏嚴(yán)重時，原料氣進(jìn)入氣氨總管，會引起聯(lián)堿廠吸氨波動。

（1）原料氣氨冷器泄漏，系統(tǒng)壓力會下降。在轉(zhuǎn)化工藝負(fù)荷未發(fā)生變化，氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口未提壓的情況下，系統(tǒng)壓力會下降，可以從新老總控系統(tǒng)壓力顯示和記錄表上直接反映出來。

（2）噸氨天然氣消耗會明顯上升。我公司長期堅持消耗動態(tài)跟蹤核算，特別是班組一級，噸氨天然氣消耗堅持到每小時的核算，從前后兩次消耗數(shù)據(jù)的變化程度，就可以初步判定聯(lián)合壓縮機(jī)天然氣水冷器、氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)水冷器和原料氣氨冷器三者之一出現(xiàn)泄漏的可能。用聯(lián)合壓縮機(jī)入口天然氣壓力初步計算天然氣輸氣量與總控工藝天然氣流量顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以判定聯(lián)合壓縮機(jī)水冷器是否泄漏。之后再進(jìn)行原料氣氨冷器是否泄漏的判定，最后進(jìn)行氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)水冷器是否泄漏的判定。

（3）現(xiàn)場將原料氣氨冷器切除進(jìn)行泄漏與否的判定。首先，將氨冷器的氣氨副線閥全部打開，再將氨冷器的氣氨進(jìn)出口閥關(guān)閉，與此同時，密切關(guān)注氨冷器的氣氨壓力表，若此時氨冷器泄漏小，氣氨壓力表的指示值會慢慢增大（需要一段時間才能觀察到壓力表指示的變化）；若氨冷器泄漏大，氣氨壓力表的指示值會迅速增大。若發(fā)現(xiàn)氣氨壓力表數(shù)值升高，就可以判定原料氣氨冷器有泄漏。一旦確定原料氣氨冷器泄漏，立即將氨冷器切出運(yùn)行系統(tǒng)交付檢修。務(wù)必注意氣氨副線閥先全開，再進(jìn)行氣氨進(jìn)出口閥門的操作；否則，就會引起合成工段氣氨壓力升高，聯(lián)堿裝置吸氨困難，嚴(yán)重時會引發(fā)事故。

（4）由氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)入口原料氣溫度變化進(jìn)行判定。由于原料氣本身溫度高，而且其壓力高，非常容易漏入氨冷器的氣氨一側(cè)，無形中阻止了進(jìn)入氨冷器的氣氨量，氨冷器冷量減少，氨冷器之后氣體溫度就會有所升高。

4 原料氣氨冷器發(fā)生泄漏的原因分析

經(jīng)過反復(fù)分析及查證，導(dǎo)致氨冷器列管破裂的主要原因如下。

（1）原料氣經(jīng)過水冷器降溫之后，被冷凝下來的冷凝水未及時分離出來，隨原料氣一同進(jìn)入氨冷器，在通過氨冷器時，特別是在氣氨溫度較低時，冷凝水迅速凝固成冰塊；水結(jié)冰后，冰塊體積將是水體積的1．11倍，由此會使氨冷器列管出現(xiàn)脹管而破裂。這是導(dǎo)致氨冷器泄漏的主要原因。

在轉(zhuǎn)化工藝負(fù)荷7600 m3／h時，甲烷化爐入口氣體中CO含量為0．2～0．3%、CO2含量為0．15～0．25%，它們在甲烷化爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)；據(jù)初步計算，甲烷化反應(yīng)生成的水（氣態(tài)）為245 kg／h。這部分水（氣態(tài)）隨氣體一起，首先經(jīng)過甲烷化換熱器，再經(jīng)過原料氣水冷器降溫到40～50℃后，據(jù)計算，可以得到220 kg／h的液態(tài)水。這220 kg／h的液態(tài)水將隨氣體進(jìn)入原料氣氨冷器，在氨冷器中進(jìn)一步冷卻降溫，有部分液態(tài)水將被凝固成冰塊，在氨冷器最下部的列管內(nèi)形成冰堵。此時若氨冷器工藝氣副線閥全關(guān)，就可能出現(xiàn)氨冷器前后系統(tǒng)壓差增大，據(jù)此就可判定氨冷器發(fā)生了冰堵（但并不意味著氨冷器出現(xiàn)了泄漏）。

（2）負(fù)荷大幅度下降時，沒有及時調(diào)整氣氨近路閥開度，致使原料氣進(jìn)一步驟冷，使冷凝的水迅速在列管的內(nèi)壁形成小冰塊，長時間如此，就容易使部分列管出現(xiàn)堵塞，甚至發(fā)生破裂。

（3）氨冷器發(fā)生冰堵時，處理方法欠妥。氨冷器發(fā)生冰堵時，將氨冷器工藝氣副線迅速打開，此處理法可行，但是，若工藝氣副線開度非常大，將使通過氨冷器的高溫氣體大幅度減少，而氣氨一直不斷地給氨冷器提供冷量，加劇冷凝水受冷形成冰塊的可能性，使氨冷器列管破裂的幾率增大。

（4）原料氣氨冷器入口分離器分離得到的水排放不及時時，分離器液位高，發(fā)生氣液夾帶，夾帶的液體進(jìn)入氨冷器后迅速降溫形成冰塊而使列管脹破。

（5）新系統(tǒng)停車時，工藝氣率先被切除，但是多數(shù)時候沒有立即將氨冷器的氣氨流程切除，這樣，冷量一直通過氨冷器，而此時沒有熱的工藝氣通過氨冷器了。若停車在原料分離器之后進(jìn)行甲烷化系統(tǒng)泄壓，物料流速增大，可能會把氨冷器入口分離器中的水帶入氨冷器，這部分水會凝固成冰，也容易造成氨冷器列管破裂。

（6）氨冷器經(jīng)過長時間的使用，設(shè)備本身受到腐蝕，列管壁厚減薄，在原料氣高壓的情況下，列管壁薄的部位最容易發(fā)生破裂。若在設(shè)備運(yùn)行過程中反復(fù)出現(xiàn)冰堵，其列管反復(fù)膨脹和收縮，抗疲勞性減弱，也容易發(fā)生破裂。

5 氨冷器冰堵的處理

首先，將氨冷器的原料氣近路閥打開少許，縮小氨冷器前后原料氣的壓差以利于穩(wěn)定生產(chǎn)，并把氨冷器氣氨副線閥全部打開，只關(guān)閉氨冷器的氣氨進(jìn)口閥，停止氣氨通過氨冷器，即停止向氨冷器提供冷量，利用熱的工藝氣將凝結(jié)的冰塊融化。氨冷器內(nèi)的冰塊是否全部融化，可以逐漸關(guān)小直至關(guān)閉氨冷器的原料氣副線閥，若氨冷器前后系統(tǒng)的壓差無明顯變化，就表明氨冷器冰塊已全部融化。這時，就可以將氣氨引入氨冷器，即緩慢打開氨冷器氣氨進(jìn)口閥，當(dāng)氣氨進(jìn)口大閥全開后，逐漸關(guān)小或者關(guān)閉氨冷器氣氨副線閥，恢復(fù)正常生產(chǎn)。

此過程需要注意的是，在氨冷器氣氨副線閥打開后，氣氨進(jìn)口閥關(guān)閉，但不能將氣氨出口閥關(guān)閉，否則原料氣繼續(xù)通過氨冷器，其熱量不斷傳給氨冷器的殼程，使殼程內(nèi)壓力升高，存在不安全因素，同時也不易使堵塞的冰塊迅速融化。原料氣氨冷器的原料氣近路閥保持少許開度，可防止冰堵嚴(yán)重而誘發(fā)事故。

6 氨冷器的正確使用及防范措施

圖3 新增原料氣入口分離器結(jié)構(gòu)示意

（1）在凈化系統(tǒng)原料氣水冷器之后，增設(shè)一臺氨冷器入口分離器（其工藝流程見圖1），將原料氣水冷器冷凝下來的水及時分離出系統(tǒng)，切斷氨冷器冰塊形成的源頭，減少或者杜絕造因列管破裂而發(fā)生的泄漏。原料氣入口分離器結(jié)構(gòu)如圖3所示。原料氣水冷器之后增設(shè)氨冷器入口分離器，實際運(yùn)行中效果非常好，基本上解決了氨冷器換熱列管的破裂，使氨冷器的效能得到充分發(fā)揮。

（2）氨冷器的投用方法。當(dāng)氨冷器具備投用條件時，關(guān)閉工藝氣管路所有導(dǎo)淋，打開氨冷器工藝氣進(jìn)出口大閥，逐漸關(guān)閉氨冷器工藝氣近路閥，讓工藝氣率先通過氨冷器；再打開氨冷器氣氨進(jìn)出口大閥，逐漸關(guān)?。ㄔ瓌t上不得關(guān)死）氨冷器的氣氨副線閥，其開度應(yīng)視氨冷器出口氣體溫度而定，此溫度最好控制在10℃以上。

（3）氨冷器的退出方法。當(dāng)氨冷器需檢修或者臨時停用時，全開氨冷器的氣氨副線閥，關(guān)閉氨冷器氣氨入口大閥（非緊急時），待氨冷器的冷量徹底利用完后，再關(guān)閉氣氨出口大閥；然后，逐漸打開氨冷器工藝氣副線閥，待其全開后，關(guān)閉氨冷器工藝氣進(jìn)出口大閥，打開工藝氣管路導(dǎo)淋進(jìn)行卸壓；最后，打開氨冷器氣氨管路導(dǎo)淋緩慢進(jìn)行卸壓。

（4）當(dāng)氨冷器發(fā)生冰堵時，應(yīng)立即按上文所述方法進(jìn)行處理。

（5）提高原料氣水冷器的降溫效果，定期對水冷器進(jìn)行清洗或者用空氣對水冷器的水側(cè)進(jìn)行吹掃。

（6）加強(qiáng)對氨冷器入口分離器液位的有效控制，此分離器最高液位應(yīng)控制在50%以下，同時，增設(shè)該分離器液位上限報警系統(tǒng)。

（7）當(dāng)系統(tǒng)停車時，應(yīng)及時將氨冷器的氣氨流程切出系統(tǒng)，待開車正常后按正常方式投運(yùn)。

（8）氨冷器使用一定時間后，應(yīng)對其腐蝕情況進(jìn)行檢測。

（9）年度大修應(yīng)拆開氨冷器入口分離器人孔，檢查分離器氣體出口的除沫網(wǎng)是否完好。

Leakage Causes Analysis and Countermeasures of Ammonia Cooker for Raw Gas

YANG Chao,ZHONG Fu-sheng,XIONG Yong-jun,LIANG Hong-bing
（Haohua Honghe Chemical Co．，Ltd．，Zigong Sichuan 643000，China）

Ammonia cooker for raw gas is an important device in the purification unit of the ammonia plant．From both views of the process and operation，analyze the ammonia cooker leakage causes to seek the effective countermeasures．

ammonia cooker for raw gas；leakage；ice plugging；causes analysis；countermeasures

TQ113．26＋4．3

B

1003-6490（2014）01-0016-03

2013-08-19

楊 超（1971－），男，四川自貢人，工程師，生產(chǎn)主任，從事合成氨生產(chǎn)技術(shù)管理。