工藝改造對合成氨裝置堿液泵振動(dòng)的影響分析及處理

(河南能源化工集團(tuán) 中原大化公司,河南 濮陽 457004)

工藝改造對合成氨裝置堿液泵振動(dòng)的影響分析及處理

郝子健

(河南能源化工集團(tuán) 中原大化公司,河南 濮陽 457004)

通過對合成氨裝置堿液泵振動(dòng)事故進(jìn)行原因分析，逐步從系統(tǒng)反應(yīng)，工藝影響、技術(shù)改造等多方面排查影響因素，并通過后續(xù)改造，成功解決了影響堿液泵正常運(yùn)行的問題。保證了合成氨裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。

合成氨;析碳;機(jī)泵振動(dòng);技術(shù)改造

河南中原大化集團(tuán)公司合成氨裝置采用UHDE-AMV低能耗工藝流程。以天然氣為原料，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量30萬t合成氨。氣體凈化裝置采用改良的本菲爾堿液脫碳技術(shù)。

1 振動(dòng)事件簡介

2013年2月25日，凈化工段堿液泵05P001A發(fā)生喘振，造成系統(tǒng)波動(dòng)。2 min后，振動(dòng)消失，系統(tǒng)及機(jī)泵恢復(fù)正常。當(dāng)班人員緊急穩(wěn)定系統(tǒng)液位，隨后現(xiàn)場檢查機(jī)泵一切正常。2月26日凌晨4點(diǎn)，喘振再次發(fā)生，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停車?，F(xiàn)象：①離心泵喘振后，現(xiàn)場噪音非常大。②出口流量波動(dòng)。③入口壓力波動(dòng)。④整個(gè)凈化系統(tǒng)液位大幅波動(dòng)。⑤凈化氣CO2含量超標(biāo)。⑥甲烷化爐溫升較大。

2 影響堿液泵運(yùn)行因素分析及處理

2.1檢修原因

05P001A泵2012年冬季進(jìn)行全面檢修。整個(gè)檢修過程各項(xiàng)安裝數(shù)據(jù)無明顯異常。本次停車后，對堿液泵整個(gè)缸體進(jìn)行了拆卸，檢修了聯(lián)軸節(jié)，軸瓦。重新安裝溫度、位移探頭。電機(jī)進(jìn)行單試?？蛰d電流、溫度等各項(xiàng)指標(biāo)正常。

2.2入口壓力低因素分析

工藝分析，在主控室查運(yùn)行趨勢，發(fā)現(xiàn)在堿液泵喘振前入口壓力逐步降低，喘振瞬間入口壓力為“0”隨后大幅波動(dòng)。工藝人員檢查了堿液泵入口罐05D002的兩個(gè)液位L05026/L05027，指示均正常，排除了儀表原因，主控趨勢顯示液位當(dāng)時(shí)正常，排除入口空液位。檢修機(jī)泵時(shí)，拆卸入口過濾網(wǎng)，無明顯堵塞。

2.3堿液泵氣化因素分析

工藝分析，主控室查趨勢發(fā)現(xiàn)堿液泵進(jìn)出口溫度正常，流量基本正常，檢修檢查各溫度點(diǎn)探頭運(yùn)行良好。

2.4工藝誤操作因素分析

查看當(dāng)班運(yùn)行記錄，并未發(fā)現(xiàn)當(dāng)班人員誤操作現(xiàn)象。

綜合原因分析，經(jīng)過對堿液泵的檢修及各項(xiàng)趨勢判斷，我們初步認(rèn)為本次機(jī)泵喘振的主要原因可能有兩點(diǎn)。①機(jī)泵內(nèi)部機(jī)械安裝存在問題，即檢修質(zhì)量問題。②工藝原因，因?yàn)楫?dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)堿液泵入口壓力低，有可能為入口過濾網(wǎng)堵塞。我們查了相關(guān)資料，這種離心泵喘振的幾率很小，除非入口無流量，或者發(fā)生嚴(yán)重氣化。聯(lián)想到當(dāng)時(shí)入口壓力為“0”，而入口緩沖罐液位LV05026、LV05027液位也正常，入口濾網(wǎng)正好在入口壓力表之前，所以懷疑入口濾網(wǎng)堵塞所致(應(yīng)該當(dāng)時(shí)已堵死，無堿液吸進(jìn)升壓泵)。震動(dòng)后馬上又恢復(fù)正常.隨后，我們檢修堿液過濾器F05004，打開大蓋后，上邊瓷球壓著濾網(wǎng)，濾網(wǎng)上部有約1.5 cm厚的炭顆粒和碎末，這層炭顆粒應(yīng)該為堿液過濾泵05P003打過來的堿液攜帶的，被濾網(wǎng)過濾下來。以往F05004打開維修時(shí)，并沒有的碳粉，引起我們的懷疑。再有，本次停車過程中，吸收塔入口閥門FV05001卡澀，關(guān)不動(dòng)，后來儀表解體，發(fā)現(xiàn)里面有大量黑色碳粉。碳粒應(yīng)該是已經(jīng)穿過大泵前濾網(wǎng)經(jīng)泵進(jìn)入吸收塔。

結(jié)論：通過前期技術(shù)分析。我們初步判斷導(dǎo)致堿液泵喘振原因?yàn)樘碱w粒堵塞入口過濾網(wǎng)，導(dǎo)致壓力低致使堿液泵喘振。疑問：第一，大泵檢修時(shí)，拆開入口濾網(wǎng)，并沒有發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)堵塞。第二，大量存在于堿液中的碳顆粒從哪里來？

對于以上兩個(gè)疑問，我們召開了幾次專題會。第一個(gè)因素解釋：我們查閱了相關(guān)資料。大泵運(yùn)行過程中，始終保持穩(wěn)定的流量。入口濾網(wǎng)逐漸被碳粒堵塞，當(dāng)入口壓力低至大泵喘振極限時(shí)，泵體發(fā)生喘振。離心泵喘振后會有回流現(xiàn)象，大量堿液瞬間回流到入口，沖擊力將濾網(wǎng)反向吹通，隨后入口壓力轉(zhuǎn)為正常，導(dǎo)致25日大泵振動(dòng)后迅速恢復(fù)正常，系統(tǒng)波動(dòng)，但沒有停車。但對堿液泵聯(lián)軸器造成了一定的沖擊損害。26日凌晨，在此發(fā)生類似事件，導(dǎo)致大泵喘振，全系統(tǒng)停車。

對于第二個(gè)疑問。我們將堿液取樣送到檢測部門檢測。檢測結(jié)果顯示如下：碳酸鉀19.6%，碳酸氫鉀13.02%，總釩0.82%，水61.24%，DEA2.2%，鐵離子0.00903，長鏈有機(jī)物0.79%，碳粉及固體雜質(zhì)2.33%，總計(jì)100%。分析結(jié)構(gòu)印證了我們的猜測，堿液中含有大量的固體碳粉及雜質(zhì)。

3 堿液雜質(zhì)產(chǎn)生原因分析

3.1鐵離子

吸收塔材質(zhì)05C001參數(shù)：操作溫度108 ℃，設(shè)計(jì)溫度140 ℃，操作壓力3.87 MPa，設(shè)計(jì)壓力4.3 MPa，試驗(yàn)壓力6.45 MPa，填料體積140.8 m3，全容積750 m3。結(jié)構(gòu)材料：塔體SA516-70，填料支撐SS41，液體分布器SS41，泡罩及泡罩塔盤SS41，除沫器SUS304。

再生塔05C002參數(shù)：設(shè)計(jì)壓力0.15/-0.02 MPa，操作壓力0.065 MPa，設(shè)計(jì)溫度150 ℃，操作溫度118 ℃，試驗(yàn)壓力0.225 MPa，名義體積635.92 m3，填料質(zhì)量280 t，設(shè)備凈重106 t，操作重567 t。結(jié)構(gòu)材料：塔體20 g，錐體1Cr18Ni9Ti，底襯頭20 g，填料板SS41，分布器SUS321，再分布器SS41，浮閥SUS321，除沫器SUS304。

系統(tǒng)中管道及塔體中由于腐蝕存在鐵離子，正常生產(chǎn)時(shí)加入五氧化二釩，使容器及管道內(nèi)表面形成鈍化膜，防止腐蝕。正常控制系統(tǒng)溶液中鐵離子在100×10-6以下。

3.2長鏈有機(jī)物

①副反應(yīng)發(fā)生。由前系統(tǒng)反應(yīng)機(jī)理可知，合成氨反應(yīng)原料氣CO、H2在高變鐵系催化劑作用下，可能發(fā)生費(fèi)托反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理如下：費(fèi)托合成(FTS)是合成氣通過催化劑轉(zhuǎn)化為柴油,石腦油和其他烴類產(chǎn)品的過程。②堿液中加入二乙醇胺做緩蝕劑，由于系統(tǒng)中通入過量的空氣，導(dǎo)致部分DEA氧化，構(gòu)成了此次堿液分析中有機(jī)物成分。

3.3碳粉及其他固體雜質(zhì)

綜合分析本次堿液泵喘振的原因，我們認(rèn)為導(dǎo)致其發(fā)生事故的主要原因就是堿液中的固體雜質(zhì)。我們對整個(gè)系統(tǒng)做了分析，認(rèn)為導(dǎo)致系統(tǒng)析碳的主要點(diǎn)有兩個(gè)。一是一段轉(zhuǎn)換爐發(fā)生析碳。但轉(zhuǎn)化管溫度測量數(shù)據(jù)正常，一段爐進(jìn)出口壓差數(shù)據(jù)正常，高變壓差數(shù)據(jù)正常，低變爐壓差較以前有所升高。通過數(shù)據(jù)對比一段爐并無明顯的析碳現(xiàn)象，不是堿液中大量積碳的主要原因。二是，甲醇合成氣與合成氨裝置聯(lián)產(chǎn)進(jìn)行改造項(xiàng)目04E004發(fā)生析碳現(xiàn)象。流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

原工藝流程：來自前系統(tǒng)二段爐的轉(zhuǎn)化氣，溫度在370 ℃，從高溫變換爐(04R001)頂部進(jìn)入，在鐵一鉻系催化劑中進(jìn)行變換反應(yīng)，溫度升高至444 ℃。C0含量從13.5%下降至3.8%，高變氣從底部流出，入廢熱鍋爐(04E001)回收熱量產(chǎn)生高壓蒸汽。高變氣被冷卻到375 ℃，繼入鍋爐給水預(yù)熱器(04E002)，溫度降為204 ℃再入后系統(tǒng)低溫變換爐(04R002)。低溫變換是在銅鋅系催化荊中進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)的溫度升至236 ℃，C0含量降到0.36%，低變氣經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器(04E003)換熱后，溫度降至177 ℃入氣體凈化工序。

改造后，新加04E004弛放氣預(yù)熱器，甲醇來弛放氣通過04E004殼程與高變爐出口工藝氣進(jìn)行換熱，升溫至370 ℃與前系統(tǒng)工藝氣混合后，高變爐進(jìn)行變換反應(yīng)。實(shí)現(xiàn)甲醇弛放氣與合成氨工藝氣混合聯(lián)產(chǎn)合成氨。本項(xiàng)目是甲醇尾氣節(jié)能回收項(xiàng)目。改造后，并未加蒸汽線。而是根據(jù)甲醇弛放氣組分提高一段爐、二段爐水蒸氣量，進(jìn)而提高高變汽氣比，從而使之符合高變原料配比需求。各股組分組成如表1、表2所示。

表1 合成氨轉(zhuǎn)化氣組成

表2 理論甲醇弛放氣組成

04E004結(jié)碳分析：由改造流程可以看出，第一次改造并未加蒸汽配料線，兩股物料在04E004中換熱，低變出口工藝氣為變換后工藝氣，溫度為444 ℃，經(jīng)管程進(jìn)入后系統(tǒng)，甲醇弛放氣溫度55 ℃經(jīng)殼程換熱至370 ℃。由甲醇弛放氣組分表可以看出，H2O含量僅為0.01%，而溫度此時(shí)被加熱至370 ℃。CO、CO2在熱管壁勢必發(fā)生析碳反應(yīng)：

上面的化學(xué)反應(yīng)都是可逆反應(yīng)，從熱力學(xué)分析可知，如果降低溫度或增大體系壓力，則產(chǎn)生析碳的可能性增加。溫度對積炭反應(yīng)的影響非常大，本次造成析碳的主要原因,是殼程水碳比過低，使消碳反應(yīng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于積碳反應(yīng)的速度，造成大量單質(zhì)碳析出。

4 析碳處理

①本次利用大修時(shí)間對04E004進(jìn)行了檢修，打開換熱器，發(fā)現(xiàn)殼程結(jié)碳非常嚴(yán)重，管束之間大部分已經(jīng)被碳粉堵死，也印證了我們的分析。②新加了蒸汽配料線，為甲醇來弛放氣進(jìn)行配水，是汽氣比滿足析碳、消碳平衡。防止管壁結(jié)碳。③清理堿液地下槽雜質(zhì)，并增加一臺機(jī)械過濾器，對堿液進(jìn)行逐步置換。

5 結(jié)論

通過分析各方面的影響因素，我們成功找到了影響堿液泵正常運(yùn)行的癥結(jié)所在，在平時(shí)化工生產(chǎn)中，有很多參數(shù)已經(jīng)初露倪端，例如低變壓差上升，甲醇弛放氣負(fù)荷加不上等。但是沒有引起我們的關(guān)注。本次，通過技術(shù)人員的技改，解決了技術(shù)難題。也為我們今后的生產(chǎn)提供了很好的借鑒。

2013-11-21

郝子健，男，工程師，現(xiàn)任中原大化集團(tuán)聯(lián)鑫化工公司副總經(jīng)理，E-mail:zijizn0506@163.com。

TQ113.251

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