煤制乙二醇裝置氮氣系統(tǒng)優(yōu)化改造小結

師少杰

（陽煤集團壽陽化工有限責任公司，山西壽陽 045400）

陽煤集團壽陽化工有限責任公司200kt／a乙二醇裝置所用氮氣由空分車間 KDON-42000／13000型空分裝置提供，空分裝置以潔凈空氣為原料，采用液氧內(nèi)壓縮、空氣增壓膨脹、膨脹空氣進上塔流程。空分裝置產(chǎn)品有氧氣、氮氣。氮氣產(chǎn)品執(zhí)行 《純氮、高純氮和超純氮》（GB／T 8979—2008）高純氮標準，設計氮氣中氧含量≤3×10-6、產(chǎn)量13000m3／h，實際產(chǎn)量為9500 m3／h。液氮貯槽送出的液氮，通過各臺液氮泵加壓得到不同壓力等級的液氮，經(jīng)水浴式汽化器復熱至常溫后進入各管網(wǎng)再送往用戶，以滿足不同工序?qū)Φ獨鈮毫Φ囊螅?］。氮氣系統(tǒng)設計有0.1MPa、0.42MPa、0.5MPa、0.7MPa、4.5 MPa和10MPa幾個壓力等級的管網(wǎng)，整個氮氣系統(tǒng)具有壓力等級多、使用范圍廣、運行要求較高的特點，因此，各裝置的應急保安氮氣系統(tǒng)的設計及維護是確保整套裝置本質(zhì)安全的一個重要方面［1］。

1 氮氣在乙二醇裝置中的應用

由于氮氣具有很好的化學穩(wěn)定性，且空分裝置送出的氮氣干燥、無氧，因此其作為惰性氣體在乙二醇生產(chǎn)中的應用較為廣泛：氮氣主要用作CO深冷分離裝置分子篩吸附劑的再生氣、冷箱及液氮貯槽夾層的密封氣、壓縮機組的隔離及密封氣、乙二醇及甲醇貯罐的隔離氣、合成系統(tǒng)異常狀況下的吹除和保護氣等；液氮則主要用于CO深冷分離裝置的冷量補充。對于CO深冷分離裝置冷箱與液氮貯槽夾層、氧氣貯槽夾層來說，其所用的密封氮氣一旦中斷，就會造成設備內(nèi)形成負壓，外界的潮濕空氣就會進入設備內(nèi)，造成珠光砂受潮結塊，嚴重時砸壞設備和管道；對于各壓縮機組及膨脹機來說，如果沒有 （氮氣）密封氣，會造成潤滑油進入機組內(nèi)，導致機組及工作介質(zhì)受到污染；對于合成系統(tǒng)來說，氮氣中斷會使合成系統(tǒng)在異常情況下缺少保護及吹掃氣體，輕則引起催化劑超溫失活，重則引起系統(tǒng)著火爆炸。

正常生產(chǎn)情況下，10MPa和4.5MPa液氮泵不運行，僅保證氮氣管網(wǎng)系統(tǒng)壓力正常即可；0.7MPa、0.5MPa、0.42MPa和 0.1MPa氮氣則需連續(xù)供給，以保障后續(xù)系統(tǒng)的運行。各壓力等級氮氣的具體應用情況見表1。

表1 乙二醇裝置各壓力等級氮氣應用情況統(tǒng)計

續(xù)表1

2 氮氣系統(tǒng)工藝流程及設備簡介

2.1 工藝流程

由空分裝置下塔頂部抽出的溫度-178℃、壓力0.45MPa的氮氣，經(jīng)高壓換熱器復熱至常溫（30℃左右）后送至管網(wǎng)。下塔產(chǎn)生的氮氣經(jīng)主冷器冷凝后，大部分液氮送至下塔頂部作為回流液參與下塔精餾過程，抽出部分液氮經(jīng)過冷器過冷后，一部分送至上塔，一部分送至液氮貯槽。

液氮貯槽出口設計有10MPa、4.5MPa和0.7MPa液氮泵，液氮經(jīng)過液氮泵加壓后，分別送至水浴式汽化器，經(jīng)加熱汽化后，再分別送至10MPa、4.5MPa和0.7MPa氮氣管網(wǎng)。4.5MPa氮氣管網(wǎng)的氮氣，主要用于凈化系統(tǒng)及乙二醇合成加氫系統(tǒng)異常情況下的置換充壓，以及用作氫氣循環(huán)氣壓縮機、解吸氣壓縮機啟動階段的干氣密封密封氣；0.7MPa氮氣管網(wǎng)上設計有0.5 MPa氮氣減壓閥，0.7MPa氮氣經(jīng)減壓后送至0.5MPa氮氣管網(wǎng)；同樣，在0.42MPa氮氣管線上設計有0.1MPa氮氣減壓閥，0.42MPa氮氣經(jīng)減壓后送至0.1MPa氮氣管網(wǎng)。

氮氣系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 氮氣系統(tǒng)工藝流程簡圖

2.2 設備簡述

空分后備氮氣系統(tǒng)主要設備有1臺500m3絕熱液氮貯槽 （內(nèi)筒壁與外筒壁之間為用珠光砂填充的絕熱層），配置5臺國產(chǎn)往復式液氮泵和1臺進口離心式液氮泵，并配備相應的水浴式液氮汽化器 （用蒸汽加熱），為整套裝置提供高壓、中壓、低壓氮氣；1臺空浴式液氮汽化器、氮氣電加熱器和1臺129m3氮氣緩沖罐作為應急備用，共同為系統(tǒng)提供事故氮氣?？辗趾髠涞獨庀到y(tǒng)主要設備見表2。

表2 空分后備氮氣系統(tǒng)主要設備一覽表

3 存在的問題及優(yōu)化改造措施

氮氣系統(tǒng)總體上能滿足各工序?qū)Φ獨獾男枨?，其運行基本穩(wěn)定，但試車期間暴露出一些問題，問題主要集中在0.7MPa氮氣管網(wǎng)上，以下對試生產(chǎn)期間氮氣系統(tǒng)存在的問題及所采取的技改措施作—介紹與總結。

3.1 0.7MPa液氮泵易汽蝕及管網(wǎng)壓力波動大

在系統(tǒng)原始開車調(diào)試初期，我們發(fā)現(xiàn)0.7 MPa液氮泵 （液氮泵A）易汽蝕，造成管網(wǎng)壓力波動，嚴重時造成過一次系統(tǒng)跳車。一開始我們認為原因是0.7MPa液氮泵A屬低溫液體離心泵，其介質(zhì)——液氮溫度很低易汽化［2］，但通過總控室DCS調(diào)出跳車前0.7MPa液氮泵出口壓力、流量、回流閥開度、變頻器頻率的歷史趨勢分析，發(fā)現(xiàn)主要原因是泵出口用戶用量波動大，流量瞬間過大或過小時液氮泵因汽蝕不打量。當時采取的主要應對措施有二：一是空分工段將液氮泵頻率加到85%，穩(wěn)住不變，各工序在使用氮氣或深冷裝置使用液氮時，及時聯(lián)系生產(chǎn)調(diào)度，由生產(chǎn)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個崗位的操作，嚴禁私自開停氮氣；二是各工段用氮氣時調(diào)節(jié)幅度力求平緩，0.7MPa氮氣管網(wǎng)壓力的高低，通過罐區(qū)1臺貯罐的氮封放空閥予以調(diào)整 （開大或關小）。起初一段時間的控制還算穩(wěn)定，但運行一段時間后發(fā)現(xiàn)，乙二醇罐區(qū)操作人員一個班下來調(diào)節(jié)過于頻繁，操作強度大，且由于是手動操作，個別班組還會因調(diào)節(jié)不及時而造成生產(chǎn)波動。

針對此情況，經(jīng)分析后我們認為0.7MPa氮氣管網(wǎng)壓力波動對合成及凈化系統(tǒng)的4臺循環(huán)氣壓縮機組的密封氣的影響最大，氮氣壓力一旦低于指標，達到聯(lián)鎖值就會導致機組跳車，從而引發(fā)全系統(tǒng)聯(lián)鎖停車。為此，我們提出將0.7MPa氮氣管網(wǎng)和0.5MPa氮氣管網(wǎng)合并，壓力統(tǒng)一定為0.6MPa，管網(wǎng)壓力調(diào)節(jié)采用自動放空調(diào)節(jié)方式。在與干氣密封廠家溝通后，廠家和我們一致認為密封氮氣壓力定為0.6MPa不會影響機組干氣密封系統(tǒng)的運行。

優(yōu)化改造措施：在系統(tǒng)不停車的情況下，慢慢打開調(diào)節(jié)閥副線，關閉調(diào)節(jié)閥及后手動閥，在調(diào)節(jié)閥與后手動閥之間的短管上增加1條臨時管線 （DN50），就近直接引至管網(wǎng)安全閥出口管線。整個改造新增管線長度不足1.5m，新增DN50閥門1臺。改造完成后，逐步打開調(diào)節(jié)閥副線，關閉調(diào)節(jié)閥后手動閥，打開新增的DN50閥門，通知總控利用自調(diào)閥調(diào)整管網(wǎng)壓力至0.6 MPa，投自動運行，同時調(diào)整各機組干氣密封氮氣減壓閥、乙二醇罐區(qū)氮氣自力式調(diào)節(jié)閥等。改造后1a多來，0.7MPa液氮泵及0.7MPa氮氣管網(wǎng)一直運行穩(wěn)定。

3.2 全廠停車檢修期間氮氣供應量不足

我公司200kt／a乙二醇裝置是一套單獨的裝置，整個工業(yè)園區(qū)內(nèi)也沒有其他可供應的氮氣和蒸汽，空分裝置雖然設有1臺500m3液氮貯槽，但在鍋爐及空分裝置停車后氮氣供應量還是不足。在煤化工裝置中，總有一部分氮氣被稱作是“保命氮”，比如冷箱的隔離氮氣、催化劑的保護氮氣和罐區(qū)的氮封等。2016年10月全廠停車檢修期間，沒有蒸汽供給時，使用空浴式汽化器對后續(xù)工序供應氮氣，后續(xù)工序?qū)Φ獨獾男枨罅吭?000m3／h，而空浴式汽化器設計氮氣供應能力為3000m3／h，空浴式汽化器設計供應能力嚴重不足，導致氮氣溫度無法升至常溫［3］，即出現(xiàn)氮氣溫度過低且供給不足的問題。

優(yōu)化改造措施：在液氮泵出口增加了1套電加熱式氮氣加熱器，其功率為55kW，氮氣流量為6000m3／h。改造后全廠停車檢修期間氮氣供應量不足的問題得到解決。

3.3 氮氣系統(tǒng)帶水

2017年5月裝置檢修完開車期間，投用機組密封氣時，打開氮氣導淋閥，發(fā)現(xiàn)有霧狀水排出，立即逐一排查各氮氣使用點，并拆開機組界區(qū)氮氣法蘭進行吹掃，直至露點達-35℃以下后投用。最終分析氮氣系統(tǒng)帶水的原因是：攪拌機的平衡罐補充脫鹽水工作壓力為0.8MPa，而充壓用氮氣壓力為0.6MPa，系統(tǒng)停車后，平衡罐內(nèi)還維持一定的壓力，而充壓用氮氣管線沒有設置止回閥，僅有1臺自力式減壓閥和手動閥，氮氣系統(tǒng)停運后，脫鹽水通過減壓閥倒流入氮氣系統(tǒng)，造成氮氣帶水。

優(yōu)化改造措施：在各攪拌機平衡罐氮氣補入閥后增加1臺止回閥和8字盲板，生產(chǎn)管理上要求氮氣系統(tǒng)停運后及時堵好此處盲板并關閉手動閥。改造后氮氣系統(tǒng)帶水的問題得到解決。

3.4 0.7MPa氮氣供應緊張

正常生產(chǎn)情況下0.7MPa氮氣用量為1500 m3／h，在深冷系統(tǒng)加減負荷和合成系統(tǒng)聯(lián)鎖動作需用大量氮氣置換時，會出現(xiàn)0.7MPa氮氣供應不足、壓力波動大的情況。據(jù)氮氣供需平衡圖分析，罐區(qū)氮氣用量在600m3／h，0.42MPa氮氣在滿負荷運行情況下放空調(diào)節(jié)閥還有12%～18%的開度，即0.42MPa氮氣可以通過再平衡勻出600m3／h供罐區(qū)使用。

優(yōu)化改造措施：在乙二醇罐區(qū)的0.6MPa氮氣管線 （如3.1所述）上增加1條與0.42MPa氮氣管網(wǎng)的聯(lián)通管線 （DN80），并調(diào)整罐區(qū)氮氣減壓閥開度，在氮氣管線上增加節(jié)流孔板，正常生產(chǎn)時關閉0.6MPa氮氣管線去乙二醇罐區(qū)閥門，勻出一部分0.42MPa氮氣作為各貯罐的密封氮氣。改造后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，不但減少了0.42MPa氮氣的放空，而且節(jié)約了液氮的用量。

3.5 DMO合成系統(tǒng)氮氣充壓置換時間過長

DMO合成系統(tǒng)充壓及置換用氮氣是低壓液氮泵送來的0.6MPa氮氣，在單系統(tǒng)檢修完開車投料前，系統(tǒng)需要充壓置換時管網(wǎng)可用氮氣量僅有300m3／h左右，嚴重影響開車進度及公司的經(jīng)濟效益。

綜合平衡氮氣系統(tǒng)后，我們提出以下方案：可暫?；驕p少CO深冷分離裝置分子篩的干燥氮氣，短時間內(nèi)減少低溫甲醇洗氣提氮氣的用量，從而在短時間內(nèi)將0.42MPa氮氣管網(wǎng)勻出約2500m3／h的氮氣供應0.6MPa氮氣管網(wǎng)；同時，DMO合成系統(tǒng)用的0.6MPa氮氣管線也不取消，在催化劑保護和系統(tǒng)異常吹掃時仍然使用0.6MPa氮氣。

優(yōu)化改造措施：在原有DMO合成系統(tǒng)3個系列的催化劑還原用氮氣管線上分別增加1條去合成酯化塔的DN100管線，引至酯化塔底部一備用管口上，用于DMO合成系統(tǒng)開車期間的置換及充壓。改造后，DMO合成系統(tǒng)氮氣充壓置換時間過長的問題得到解決，DMO合成系統(tǒng)催化劑保護和系統(tǒng)異常吹掃用0.6MPa氮氣也不受任何影響。

4 改造效果及下一步改造計劃

通過上述一系列的優(yōu)化改造，生產(chǎn)中的瓶頸和難題得到有效解決，自改造完成以來，氮氣系統(tǒng)一直運行平穩(wěn)，整套裝置沒有1次因氮氣波動而造成停車或影響生產(chǎn)的事故，不僅穩(wěn)定了生產(chǎn)，而且提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。但目前仍存在如下一些問題亟待解決。

一是各工序氮氣使用量有逐月增加的趨勢，導致氮氣放散量較大，浪費嚴重。下一步還需根據(jù)各工序的使用情況，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，在各工序氮氣進口增設流量計，并予以嚴格考核；對于低壓液氮泵，還需通過采取調(diào)整其變頻、回流閥開度等措施進一步減少氮氣的排放。

二是乙二醇罐區(qū)貯罐氮封改造后用的是0.42MPa氮氣，需氮封的貯罐數(shù)量達14臺，一旦發(fā)生事故，會釀成更大的危險。下一步計劃將乙二醇罐區(qū)貯罐氮封改造為更為安全的0.1MPa氮氣。

5 結束語

氮氣系統(tǒng)在乙二醇等生產(chǎn)中屬于公用工程，用途廣泛，系統(tǒng)龐大，牽涉范圍較廣，在裝置的設計及試車階段，一定要搞清楚氮氣在正常及異常情況下的用量和用途，做好氮氣系統(tǒng)的設計工作；在生產(chǎn)階段，必須加強氮氣系統(tǒng)的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和精細化操作，確保氮氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，進而確保主裝置的安全、穩(wěn)定、長周期、經(jīng)濟運行。