液氮洗原料氣通道壓差波動(dòng)的原因分析及處理

張成勝，林迥，張明臣，徐慶磊

(山東潤(rùn)銀生物化工股份有限公司，山東東平 271500)

山東潤(rùn)銀生物化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱潤(rùn)銀化工)600 kt/a合成氨原料路線，即改造II期合成氨項(xiàng)目于2017年4月竣工投產(chǎn)，該原料路線改造項(xiàng)目的凈化工序采用低溫液氮洗技術(shù)。液氮洗裝置的分離過程屬于物理過程，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此過程是利用H2與CO、CH4、N2等的飽和溫度相差較大，CO、CH4的飽和溫度比N2、H2的飽和溫度高的特點(diǎn)，將CO、CH4從氣態(tài)液化溶解到液氮中，從而達(dá)到脫除CO、CH4等氣體雜質(zhì)的目的[1-3]。該液氮洗裝置由杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司設(shè)計(jì)提供，開車后系統(tǒng)逐漸加滿負(fù)荷，但是氮洗塔壓差出現(xiàn)波動(dòng)，其間被迫幾次停車復(fù)溫。

1 液氮洗工藝流程

原料氣來(lái)自低溫甲醇洗單元，首先進(jìn)入吸附器(V-2401A/BⅡ)，將其中微量的甲醇和二氧化碳脫除，以免其在冷箱內(nèi)凍結(jié)進(jìn)而引起低溫設(shè)備和管道的堵塞。吸附器由2臺(tái)組成，內(nèi)裝分子篩，一臺(tái)使用，另一臺(tái)再生，切換周期為24 h，由程序控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。分子篩再生用的氣體為低壓氮?dú)?，再生用后的低壓氮?dú)馑屯蜏丶状枷垂ば虻牧蚧瘹錆饪s塔作為汽提用氮。從甲醇洗單元來(lái)的粗原料氣，經(jīng)分子篩吸附器將甲醇、二氧化碳等雜質(zhì)除去后進(jìn)入1#原料氣冷卻器(E-2405)，與氮洗塔(C-2401)頂部來(lái)的凈化氣換熱，冷卻到一定溫度后進(jìn)入2#原料氣冷卻器(E-2406)繼續(xù)冷卻換熱。原料氣進(jìn)入C-2401底部，在塔中原料氣用液氮洗滌，氣體中CO、CH4、Ar等被液氮吸收后得到精制氣，從C-2401頂部出來(lái)經(jīng)E-2406換熱后，用比例調(diào)節(jié)方式對(duì)其進(jìn)行配氮，使其氫氮比為3∶1，然后進(jìn)入E-2405回收冷量。復(fù)熱到一定溫度后分為兩路：一路去甲醇洗單元，經(jīng)回收冷量后返回液氮洗系統(tǒng)；另一路則經(jīng)中壓氮?dú)饫鋮s器(E-2404)復(fù)熱后，與從甲醇洗單元回來(lái)的氣體匯合后送往合成氣壓縮機(jī)，壓縮后再去合成氨裝置[4]。

2 原料氣通道壓差波動(dòng)的現(xiàn)象及原因分析

2.1 存在的問題

(1) 原料氣進(jìn)E-2405和E-2406的壓差由最初的36 kPa最高升至130 kPa。

(2) 返流介質(zhì)洗滌后的合成氣、燃料氣等，出E-2406進(jìn)E-2405的溫度由-98 ℃最低降至-150 ℃。

(3) 粗合成氣出E-2406進(jìn)氮洗塔的溫度由-194 ℃最高升至-186 ℃。

(4) 氮洗塔壓差隨著入口原料氣溫度的上升而上升，最終導(dǎo)致氮洗塔淹塔，出口合成氣中CO微量超標(biāo)，被迫減量甚至切氣處理。

2.2 原因分析

(1) 由于氮洗塔自身的使用特性，當(dāng)原料氣溫度高于-190 ℃時(shí)，氮洗塔洗滌工況不穩(wěn)定，精餾平衡波動(dòng)，易造成氮洗塔攔液、液位下降及壓差迅速上漲，最終微量不受控，被迫減量處理。

(2) 入液氮洗原料氣中氮?dú)夂科?。由于前工序采用航天粉煤加壓氣化技術(shù)，粉煤鎖斗充壓及燒嘴氧氣管線、火檢管線保護(hù)氣體均采用高壓氮?dú)?，其中粉煤鎖斗在與粉煤給料罐連通均壓和放料時(shí)大約有8 000 m3/h(標(biāo)態(tài))的氮?dú)膺M(jìn)入輸煤系統(tǒng)，而且加上燒嘴氧氣管線和火檢管線保護(hù)氣體2 600 m3/h(標(biāo)態(tài))，共有10 600 m3/h(標(biāo)態(tài))的高壓氮?dú)膺M(jìn)入合成氣。在粉煤鎖斗架橋要除橋時(shí)，需更多的氮?dú)膺M(jìn)入輸煤系統(tǒng)，在進(jìn)入液氮洗的原料氣中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)約為6%，液氮洗操作壓力為3.2 MPa(絕壓)，氮?dú)獾姆謮簽?.192 MPa(絕壓)，對(duì)應(yīng)的飽和溫度為189.9 ℃，原料氣出E-2406的溫度為-193 ℃，達(dá)到了其液化溫度，能導(dǎo)致氮?dú)庖夯?/p>

(3) E-2405與E-2406之間的溫度越低，E-2406整體溫度越低，原料氣進(jìn)入E-2406溫度下降得越早，氮?dú)庠教崆耙夯?，而液氮在E-2406板式換熱器翅片間形成液膜，造成原料氣通道壓差上升、換熱下降；同時(shí)，原料氣入氮洗塔溫度上升，造成氮洗塔攔液，微量超標(biāo)，被迫減負(fù)荷甚至停車處理。

(4) 所用液氮洗裝置為提高氮?dú)饫寐?，單?dú)設(shè)計(jì)了一路直補(bǔ)液氮通道，即從空分裝置來(lái)的液氮流股流經(jīng)E-2406、E-2405和E-2404為系統(tǒng)補(bǔ)充冷量，復(fù)熱后出冷箱，送往低溫甲醇洗工序的硫化氫濃縮塔作為汽提用氮。開車前期，由于此路直補(bǔ)液氮使用不當(dāng)，加入的液氮過多，使E-2406下部液氮通道滿液，致使液氮?dú)庖悍蛛x器(S2403)滿液，使液氮進(jìn)入氮?dú)馔ǖ溃瑢-2406溫度降得過低，使燃料氣尾液沒有充分汽化便送出E-2406。

3 處理措施

(1) 控制原料氣溫度24TI2440在-190～-194 ℃，其目的在于控制較低的原料氣溫度，從而防止氮洗塔壓差升高。根據(jù)裝置的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)原料氣溫度24TI2440較高時(shí)，氮洗塔壓差隨之升高，易發(fā)生攔液現(xiàn)象，進(jìn)而引起氮洗塔液位下降、微量升高。因此，目前需在較低的原料氣溫度下維持生產(chǎn)。

(2) 控制較高的板翅式換熱器間溫度24TI2433為-95～-120 ℃。目的在于控制原料氣管線壓差，提高E-2406的換熱效果。當(dāng)原料氣壓差24PDI14-16升高時(shí)，說(shuō)明E-2406換熱器效果下降，系統(tǒng)運(yùn)行有趨于惡化的跡象，板間溫度過低是造成原料氣壓差升高的主要原因。因此，要監(jiān)控好板間溫度的變化趨勢(shì)，控制適宜的板間溫度(-95～-120 ℃)，并盡量控制在高限。

(3) 液氮?dú)庖悍蛛x器(S-2403)正常生產(chǎn)時(shí)，盡量減少使用直補(bǔ)液氮通道，其目的在于防止板間溫度過低，避免造成原料氣管線壓差上升。S-2403補(bǔ)入液氮過多，會(huì)造成E-2406下部積液過多；當(dāng)E-2406液位過高時(shí)，換熱效果下降，出E-2406熱介質(zhì)溫度會(huì)隨之升高，嚴(yán)重時(shí)造成原料氣溫度24TI2440升高(失控)，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行惡化。因此，正常生產(chǎn)時(shí)S-2403應(yīng)盡量少補(bǔ)液氮。

(4) 在大幅度減量或系統(tǒng)停車時(shí)，要防止板間溫度下降過快，其目的在于防止因板間溫度過低，在E-2406生成積液過多，造成生產(chǎn)恢復(fù)后工況發(fā)生惡化。當(dāng)原料氣或中壓氮?dú)鉄嵩唇橘|(zhì)大幅度降低時(shí)，需及時(shí)關(guān)小出冷箱的冷介質(zhì)(合成氣、燃料氣、循環(huán)氫)，防止板間溫度大幅度降低。

4 結(jié)語(yǔ)

原料氣中氮?dú)夂扛呤悄壳吧a(chǎn)裝置配制中無(wú)法避免的，只能從液氮洗操作方面優(yōu)化調(diào)整以減少波動(dòng)，對(duì)于E-2405與 E-2406之間的溫度要嚴(yán)格控制；若發(fā)現(xiàn)原料氣通道壓差稍微上漲，應(yīng)及時(shí)調(diào)整，防止因積液過多影響換熱。通過大量的實(shí)踐和進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，原料氣通道阻力可穩(wěn)定在37 kPa左右，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 李燕，張述偉，俞裕國(guó).液氮洗模擬分析與優(yōu)化[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，44(2)：212- 217.

[2] 賈震宇.液氮洗裝置冷箱凍堵事故分析與討論[J].化肥工業(yè)，2014，41(4)：47- 49.

[3] 任多勝.大型合成氨裝置液氮洗工藝流程的優(yōu)化[J].大氮肥，2011，34(2)：81- 83.

[4] 高峰，馮德林，李凱.傳統(tǒng)液氮洗工藝模擬分析與改造研究[J].化肥工業(yè)，2013，40(2)：31- 33.