螺桿壓縮機(jī)防反轉(zhuǎn)流程改造

(中國石化集團(tuán)重慶川維化工有限公司，重慶，401254)

在天然氣部分氧化裂解生產(chǎn)乙炔的工藝過程中，原料天然氣和氧氣分別在各自獨(dú)立的加熱爐中，經(jīng)預(yù)先加熱到最高650℃，進(jìn)入乙炔爐進(jìn)行充分混合后，在乙炔爐反應(yīng)室內(nèi)發(fā)生裂解反應(yīng)；經(jīng)過工藝炭黑水三次淬冷終止反應(yīng)，并將溫度降低到80℃以下。再經(jīng)電除塵器除去其中大部分的炭黑粉塵，在裂解氣冷卻塔中進(jìn)一步冷卻到大約35℃，得到天然氣的裂解氣體。裂解氣中除含有主要目標(biāo)產(chǎn)物乙炔、氫氣和一氧化碳外，還含有少量極易發(fā)生聚合的丁二炔，甲基乙炔等副產(chǎn)物[1]。

表1 乙炔爐生成的主要副產(chǎn)物及其含量(%V)

部分氧化工序生成的、乙炔含量在8%(V)左右的裂解氣，與來自提濃工序的兩股富含乙炔的循環(huán)氣在壓縮機(jī)之前混合，形成含乙炔約11%(V)的混合氣體。該混合氣在壓縮工序經(jīng)兩段式螺桿壓縮機(jī)壓縮，升壓到最高1.2 MPa，進(jìn)入乙炔提濃工序。在提濃工序，采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)或者N、N-二甲基甲酰胺(DMF)作為吸收溶劑，經(jīng)過多次選擇性的吸收和解吸，混合氣體被分離成產(chǎn)品乙炔、尾氣(合成氣)和高級(jí)炔烴氣(High Alkynes)等三種氣體。乙炔可以作為醋酸乙烯(VAC)、氯乙烯(VCM)或1,4-丁二醇(BDO)等的原料；尾氣可以作為甲醇、合成氨或制氫、CO的原料；高級(jí)炔烴經(jīng)螺桿式升壓機(jī)或水環(huán)式升壓機(jī)升壓后，送鍋爐作為燃料氣或并入乙炔裝置燃料氣管網(wǎng)，用作天然氣加熱爐和氧氣加熱爐燃料。

1 螺桿壓縮機(jī)工作原理及特點(diǎn)

螺桿壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)[2]，可分為單螺桿壓縮機(jī)和雙螺桿壓縮機(jī)。在壓縮機(jī)的機(jī)體中，平行地配置有一對相互嚙合的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子。由汽輪機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過聯(lián)軸節(jié)和陽轉(zhuǎn)子直接連接，帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子工作。

螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)備占地小，布置方便；設(shè)備采購成本和配套輔助系統(tǒng)費(fèi)用低，維護(hù)方便和維護(hù)費(fèi)用較低，壓縮機(jī)使用壽命長(一般設(shè)計(jì)壽命達(dá)30年)，蒸汽驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)的功率利用比較充分，操作運(yùn)行費(fèi)用低，并且能夠在高真空度的低吸入壓力下操作。

螺桿壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因?yàn)殛?、陽轉(zhuǎn)子之間，機(jī)殼與轉(zhuǎn)子之間都有一定的間隙，當(dāng)有少量的液體或小的固體顆粒進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，壓縮機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下能很快將其排出，所以螺桿壓縮機(jī)能夠很好地用于含聚合物顆粒的裂解氣的壓縮。

世界范圍內(nèi)比較知名的用于天然氣部分氧化制乙炔的裂解氣螺桿壓縮機(jī)廠家有：德國曼透平公司(MAN Diesel & Turbo SE)、日本神戶制鋼所(KOBELCO)和美國GE公司。川維化工的4套天然氣制乙炔裝置采用了上述三家公司的螺桿壓縮機(jī)，運(yùn)行效果都非常理想。

由于裂解氣中含有易聚合的乙炔、甲基乙炔、二乙烯基乙炔和極易分解的丁二炔等，所以在裂解氣壓縮過程中，通常采用低壓縮比的兩級(jí)壓縮，兩級(jí)之間采用循環(huán)炭黑水進(jìn)行噴淋冷卻和洗滌。

表2 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)壓力及溫度

2 壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)的原因

由于裂解氣中含有的易聚合組分和少量的炭黑，在壓縮機(jī)進(jìn)行絕熱壓縮過程中，盡管壓縮機(jī)內(nèi)部采用噴射水進(jìn)行冷卻，但是其一級(jí)和二級(jí)出口溫度都達(dá)到80℃。在這一過程中，隨著壓力和溫度的升高，會(huì)發(fā)生高級(jí)炔的聚合反應(yīng)，生成聚合物[3]。盡管在一級(jí)出口冷卻塔和二級(jí)冷卻塔出口都采用大量的水進(jìn)行噴淋洗滌，還是有部分聚合物隨裂解氣帶入背壓管道；并且在冬季環(huán)境溫度和噴淋水溫度都比較低的情況下，為了保證噴淋水的噴淋效果，不能過分降低噴淋水的流量，這使得壓縮機(jī)一級(jí)和二級(jí)出口冷卻塔的出口溫度，以及下游背壓管道的溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工藝設(shè)計(jì)值35℃，從而使得聚合物結(jié)晶加快。這些聚合物在低溫和含水的情況下，會(huì)結(jié)晶沉積在管道、閥門上；尤其是比較致密的聚合物，會(huì)造成止回閥和電磁閥等關(guān)閉不嚴(yán)。為保證壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，在冬季不得不因?yàn)槌隹陂y門和管道堵塞，造成壓縮機(jī)出口背壓急劇升高，而停車檢修。

在壓縮機(jī)因各種原因突然停車時(shí)，壓縮機(jī)出口冷卻塔、背壓管道和下游加壓系統(tǒng)中大量的高壓氣體經(jīng)壓縮機(jī)形成回路返回到壓縮機(jī)進(jìn)口低壓側(cè)，約1.1MPa的壓力差不可避免地造成壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)的高速反轉(zhuǎn)，會(huì)造成盤車機(jī)構(gòu)、同步齒輪[4]，甚至機(jī)殼被損壞。實(shí)際生產(chǎn)過程中，曾經(jīng)發(fā)生壓縮機(jī)的機(jī)殼損壞，造成裝置低負(fù)荷運(yùn)行達(dá)半年之久，嚴(yán)重影響了工廠效益。

3 防反轉(zhuǎn)流程改造和措施

實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)流程不夠合理，結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行中頻繁發(fā)生的故障及其所造成的損壞情況，對壓縮機(jī)的流程進(jìn)行改造，并對部分閥門進(jìn)行重新選型和管道材質(zhì)進(jìn)行升級(jí)，很好地解決了壓縮機(jī)的反轉(zhuǎn)問題，確保了裝置的安全穩(wěn)定和長周期運(yùn)行。

(1)將壓縮機(jī)出口背壓管道上快關(guān)閥的位置從原設(shè)計(jì)的二級(jí)冷卻塔出口，前移到二級(jí)冷卻塔的進(jìn)口之前。由于在進(jìn)二級(jí)冷卻塔之前的裂解氣溫度在80℃左右，聚合物在此不易沉積。當(dāng)壓縮機(jī)突然停車時(shí)，快關(guān)閥能夠可靠關(guān)閉，將二級(jí)冷卻塔、背壓管道和后續(xù)加壓系統(tǒng)中壓力比較高的氣體隔離，而不會(huì)通過壓縮機(jī)形成通路返回，從而避免了壓縮機(jī)的反轉(zhuǎn)。

(2)裝置長期的生產(chǎn)運(yùn)行表明：高級(jí)炔及其聚合物在不銹鋼材質(zhì)上的結(jié)晶沉積明顯低于在碳鋼材質(zhì)上的結(jié)晶沉積，包括其沉積速度和結(jié)晶物的致密度。通過將壓縮機(jī)出口背壓管道上的截止閥、止回閥和控制閥等更換為不銹鋼閥門，并選用啟閉迅速的Y型截止閥，很好地解決了因聚合物的結(jié)晶堵塞造成閥門不能關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán)的問題。同時(shí)，將壓縮機(jī)出口管道和背壓管道由原設(shè)計(jì)的碳鋼管道更換為不銹鋼管道，極大地減輕了聚合物的沉積、堵塞。

圖1 改進(jìn)的壓縮機(jī)流程圖

4 結(jié)語

通過對壓縮機(jī)的流程進(jìn)行改造，并選用更抗堵塞的閥門和不銹鋼管道；實(shí)際生產(chǎn)中精心操作，嚴(yán)格控制各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，確保了壓縮機(jī)的安全運(yùn)行，從而保證了整個(gè)乙炔裝置的穩(wěn)定和長周期運(yùn)行。