液氮洗系統(tǒng)常見(jiàn)凍堵情況分析與預(yù)防措施

郭志強(qiáng)，張金輝

（貴州開(kāi)陽(yáng)化工有限公司，貴州開(kāi)陽(yáng) 550306）

0 引 言

貴州開(kāi)陽(yáng)化工有限公司 （以下簡(jiǎn)稱開(kāi)陽(yáng)化工）500kt／a合成氨裝置主生產(chǎn)系統(tǒng)包括氣化、凈化及氨合成工序，其中凈化系統(tǒng)又包括變換、低溫甲醇洗、液氮洗和硫回收工序，不僅工藝流程長(zhǎng)，而且涉及的工藝介質(zhì)較多，凈化氣不合格或稍有疏忽便會(huì)造成嚴(yán)重后果。液氮洗工藝是大中型合成氨裝置原料氣精制的典型工藝技術(shù)，其利用液氮在低溫條件下脫除來(lái)自低溫甲醇洗系統(tǒng)凈化氣中的微量雜質(zhì)，由于操作溫度較低，H2O、CO2、CH3OH、H2S、NH3等介質(zhì)都會(huì)造成管道及設(shè)備凍堵，一旦發(fā)生凍堵，相應(yīng)管道壓差就會(huì)增大，即系統(tǒng)阻力增大，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)冷量不足，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞板翅式換熱器。因此，預(yù)防液氮洗系統(tǒng)的凍堵顯得尤為重要。以下筆者據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)就液氮洗系統(tǒng)曾經(jīng)發(fā)生和可能發(fā)生的常見(jiàn)凍堵事故作一整理匯總，與大家分享，以供交流學(xué)習(xí)。

1 液氮洗系統(tǒng)簡(jiǎn)介

液氮洗系統(tǒng)包括2臺(tái)分子篩吸附器 （A／B）及冷箱，吸附器內(nèi)裝有13X硅鋁酸鹽球型分子篩，通過(guò)分子篩的物理吸附將低溫甲醇洗系統(tǒng)來(lái)的凈化氣中的微量CH3OH、CO2除去；為減少系統(tǒng)冷量損失，主要低溫設(shè)備——3臺(tái)板翅式換熱器、氮洗塔、氫氣分離器均裝在冷箱內(nèi)。經(jīng)分子篩凈化后的工藝氣通過(guò)液氮洗滌除去少量的CH4、CO、Ar，配氮后為氨合成系統(tǒng)提供CO含量≤3×10-6、H2／N2＝3∶1的合成氣。

滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，開(kāi)陽(yáng)化工液氮洗系統(tǒng)進(jìn)入冷箱的氣量為13×104m3／h、溫度為-55℃，冷箱入口與氮洗塔出口段工藝氣壓差≤40kPa；分離出的低壓燃料氣量為1.1×104m3／h，出冷箱壓力0.17MPa、溫度20℃，氫氣分離器底部低壓燃料氣管與冷箱出口低壓燃料氣管段壓差≤100kPa。判斷管道凍堵的簡(jiǎn)單方法就是計(jì)算相應(yīng)管段壓差的變化，一旦相應(yīng)管段壓差超出正常值且呈逐漸增大的趨勢(shì)，便應(yīng)該考慮凍堵可能了。

2 液氮洗系統(tǒng)幾種常見(jiàn)凍堵事故的分析與預(yù)防

2.1 加熱器內(nèi)漏造成分子篩再生用閥門(mén)凍堵

加熱器是分子篩再生時(shí)的加熱設(shè)備，管程走4.0MPa飽和蒸汽，殼程走0.5MPa再生氮?dú)?，如果加熱器?nèi)漏，必將在分子篩加熱過(guò)程中造成4.0MPa飽和蒸汽竄入再生氮?dú)庵?，進(jìn)而直接進(jìn)入分子篩，而當(dāng)分子篩進(jìn)入冷卻和并行運(yùn)行階段時(shí)，飽和蒸汽中水的冷凝將造成再生用閥門(mén)凍堵，表現(xiàn)為下一環(huán)節(jié)再生過(guò)程中閥門(mén)卡澀無(wú)法開(kāi)啟，被迫停車處理；若在凍堵嚴(yán)重的情況下強(qiáng)制開(kāi)啟再生用閥門(mén)，還會(huì)造成閥門(mén)球面損傷，導(dǎo)致閥門(mén)內(nèi)漏。

預(yù)防措施：①定期排查冷卻器出口低點(diǎn)導(dǎo)淋出口氮?dú)馐欠窀稍?，若存在積水現(xiàn)象，需進(jìn)一步判斷是加熱器內(nèi)漏還是冷卻器內(nèi)漏；②在分子篩預(yù)熱階段，觀察加熱器出口溫度是否明顯超過(guò)再生氮?dú)鉁囟群铜h(huán)境溫度；③定期排放以檢查加熱器殼程導(dǎo)淋有無(wú)蒸汽冒出，或再生氮?dú)馐欠窀稍?。若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)加熱器內(nèi)漏，可及時(shí)將其切出進(jìn)行檢修，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2 閃蒸氣竄入低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)造成冷箱內(nèi)主工藝氣管道凍堵

低溫甲醇洗閃蒸罐分離出來(lái)的閃蒸氣壓力0.8MPa、溫度-33℃，主要成分 （體積分?jǐn)?shù)）H221.7%、CO272.1%、H2S0.3%、CO1.2%、N24.6%，該閃蒸氣與液氮洗氫氣分離器分離出的氫氣 （壓力0.8MPa、溫度20℃）一并進(jìn)入循環(huán)氣壓縮機(jī)，經(jīng)兩級(jí)壓縮后重新并入低溫甲醇洗系統(tǒng)入口 （回收利用氫氣）。循環(huán)氣壓縮機(jī)入口配有置換低壓氮?dú)夤?（0.5MPa），存在閃蒸氣倒竄入低壓氮?dú)夤芫W(wǎng) （見(jiàn)圖1）的隱患，如果發(fā)生竄氣，意味著分子篩再生用氮?dú)庵袝?huì)含有大量CO2，分子篩在再生過(guò)程中不斷吸附其中的CO2直至飽和，并行運(yùn)行后即表現(xiàn)為分子篩出口CO2在線分析指標(biāo)超標(biāo)，而含CO2的工藝氣進(jìn)入冷箱后，會(huì)造成管道及換熱器逐漸凍堵，表現(xiàn)為主工藝氣管道前后壓差逐漸增大。

圖1 閃蒸氣與低壓氮?dú)饴?lián)通管線示意圖

預(yù)防措施：循環(huán)氣壓縮機(jī)每次置換完成后，首先關(guān)閉置換氮?dú)夤芎笄袛嚅y，打開(kāi)導(dǎo)淋確認(rèn)導(dǎo)淋閥暢通，然后關(guān)閉置換氮?dú)夤芮扒袛嚅y，并保持導(dǎo)淋閥始終開(kāi)啟和氮?dú)馊y組正常投用；如果導(dǎo)淋堵塞，必須疏通或加盲板隔絕，防止閥門(mén)內(nèi)漏而造成竄氣隱患。

2.3 水煤氣竄入氮?dú)夤芫W(wǎng)造成冷箱凍堵

水煤氣竄入氮?dú)夤芫W(wǎng)存在以下2種情況：①水煤氣竄入第一中溫變換爐置換／充壓用中壓氮?dú)夤?，造成中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)帶入水、CO2等雜質(zhì)，雜質(zhì)再隨中壓氮?dú)膺M(jìn)入冷箱，致使液氮洗系統(tǒng)氮?dú)夤芫€凍堵；② 水煤氣竄入第二中溫變換爐、低溫變換爐置換用低壓氮?dú)夤?，進(jìn)而進(jìn)入低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)，造成分子篩閥門(mén)和工藝氣管道凍堵。

水煤氣竄入氮?dú)夤芫W(wǎng)的原因：一是中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力波動(dòng)，當(dāng)變換系統(tǒng)壓力大于中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力，在氮?dú)馊y組未正確投用的情況下，水煤氣就會(huì)間歇性竄入氮?dú)夤芫W(wǎng)；二是短停期間，變換系統(tǒng)保壓，中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力低于正常運(yùn)行壓力且低于變換系統(tǒng)壓力，工藝氣就會(huì)竄入中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)，一旦系統(tǒng)開(kāi)車，不純的中壓氮?dú)庵苯舆M(jìn)入液氮洗冷箱，導(dǎo)致冷箱內(nèi)設(shè)備及管線凍堵。

預(yù)防措施：①保證中壓氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力始終高于變換系統(tǒng)壓力；②只要不是處于系統(tǒng)置換或充壓作業(yè)期間，始終保證氮?dú)馊y組處于正確投用狀態(tài)，并定期檢查。

2.4 含氨低壓燃料氣竄入造成冷箱內(nèi)燃料氣管道凍堵

工藝流程中，液氮洗氫氣分離器分離出的低壓燃料氣 （壓力0.2MPa、溫度20℃）并入低壓燃料氣管網(wǎng) （見(jiàn)圖2），供氣化裝置干燥氣升溫爐用 （干燥氣升溫爐又名熱烘爐，燃料氣與空氣在其中燃燒產(chǎn)生約800℃的熱風(fēng)——高溫干燥氣，把一定粒度的煤粉帶到位于磨煤機(jī)上部的分離器進(jìn)行分離并干燥后，經(jīng)上升的輸送管送入袋式收粉器）。在系統(tǒng)停車期間，如誤將冷箱內(nèi)氫氣分離器積液全部排空，會(huì)導(dǎo)致氫氣分離器處于常壓狀態(tài)，當(dāng)手動(dòng)并網(wǎng)切斷閥未及時(shí)關(guān)閉或內(nèi)漏時(shí)，含氨燃料氣就會(huì)倒竄入冷箱，造成燃料氣管線凍堵；此外，氫氣分離器液位較低，分離出的燃料氣壓力低于低壓燃料氣管網(wǎng)壓力時(shí)，管網(wǎng)中含氨低壓燃料氣也會(huì)倒竄入冷箱，造成冷箱內(nèi)燃料氣管道及設(shè)備凍堵。

圖2 液氮洗系統(tǒng)低壓燃料氣并網(wǎng)示意圖

預(yù)防措施：①液氮洗系統(tǒng)短停期間必須保壓，嚴(yán)禁排空冷箱內(nèi)氫氣分離器積液，除非計(jì)劃冷箱復(fù)熱重新積液操作；②液氮洗系統(tǒng)每次停車時(shí)必須及時(shí)關(guān)閉低壓燃料氣并網(wǎng)切斷閥，通過(guò)壓力自調(diào)閥控制氫氣分離器壓力。

2.5 凈化氣不合格穿透分子篩造成主工藝氣管道凍堵

正常情況下，從低溫甲醇洗來(lái)工藝氣中 CO2含量≤10×10-6，分子篩并行運(yùn)行階段完成后進(jìn)行切換，CO2完全在1臺(tái)分子篩中進(jìn)行物理吸附。因分子篩吸附是物理放熱過(guò)程，正常情況下切換后分子篩出口溫度較進(jìn)口溫度高5～7℃，后逐漸趨于近1℃的溫差，分子篩出口CO2含量≤1×10-6。一般情況下，即便甲醇洗滌塔出口CO2含量短時(shí)間偏高，只要分子篩出口CO2指標(biāo)正常，是不會(huì)造成冷箱內(nèi)管道凍堵的，但當(dāng)發(fā)生貧甲醇泵跳車這種緊急情況時(shí)，隨著甲醇洗滌塔塔盤(pán)持液量的逐漸減少，甲醇洗滌塔出口CO2含量會(huì)逐漸上漲，分子篩負(fù)荷逐漸增大，不合格凈化氣穿透分子篩，導(dǎo)致分子篩出口溫度及CO2含量上漲，此時(shí)若備用貧甲醇泵不能緊急啟動(dòng)，分子篩應(yīng)緊急切出停車，否則冷箱內(nèi)極易發(fā)生非常嚴(yán)重的凍堵。

預(yù)防措施：① 做好分子篩出口溫度和CO2含量的監(jiān)控，并設(shè)置分子篩出口CO2含量高報(bào)值 （3×10-6）；② 加強(qiáng)貧甲醇泵密封罐液位及其振值、油壓等聯(lián)鎖指標(biāo)的監(jiān)控，防止貧甲醇泵跳車；③設(shè)置貧甲醇泵跳車聯(lián)鎖，即當(dāng)貧甲醇泵跳車且流量歸零時(shí)，分子篩入口閥自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)低溫甲醇洗入口閥自動(dòng)關(guān)閉，通過(guò)變換系統(tǒng)后放空閥控制前系統(tǒng)壓力。

3 結(jié)束語(yǔ)

液氮洗系統(tǒng)操作溫度較低，工藝氣中H2O、CO2、CH3OH、H2S、NH3等介質(zhì)的存在均會(huì)造成系統(tǒng)管道及設(shè)備凍堵，生產(chǎn)中最常見(jiàn)的凍堵事故有加熱器內(nèi)漏造成分子篩再生用閥門(mén)凍堵、閃蒸氣竄入低壓氮?dú)夤芫W(wǎng)造成冷箱內(nèi)主工藝氣管道凍堵、水煤氣竄入氮?dú)夤芫W(wǎng)造成冷箱凍堵、含氨低壓燃料氣竄入造成冷箱內(nèi)燃料氣管道凍堵、凈化氣不合格穿透分子篩造成主工藝氣管道凍堵等，而一旦發(fā)生凍堵，最明顯的表現(xiàn)就是相應(yīng)管道壓差增大，即系統(tǒng)阻力增大、冷量不足。當(dāng)凍堵不是很嚴(yán)重時(shí)，一般可以維持運(yùn)行，但加量困難；當(dāng)凍堵嚴(yán)重時(shí)，液氮洗系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)退出系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)熱處理。因此，我們需要清楚地了解每一種凍堵事故發(fā)生的原因，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。另外，需特別注意的是，開(kāi)陽(yáng)化工500kt／a合成氨裝置整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中置換、充壓氮?dú)馀涔茌^多，只要存在氮?dú)夤芫W(wǎng)壓力低于系統(tǒng)壓力可能的地方，均應(yīng)設(shè)置氮?dú)馊y組并正確投用，且在每次裝置開(kāi)車前、停車后各工段進(jìn)行全面排查，如此才能杜絕竄氣凍堵隱患。