合成氣制氫裝置分液罐防堵技術(shù)探析

張海峰，方傳鎖

（榮盛集團(tuán)中金石化有限公司，浙江 寧波315000）

寧波某石化公司100×103m3/h合成氣制氫裝置，采用焦氣化裝置（自產(chǎn)石油焦與外購(gòu)煤制成的混合漿同氧氣，在四噴嘴氣化爐內(nèi)反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣）產(chǎn)出的原料合成氣（主要為一氧化碳、二氧化碳、氫氣和水），首先通過(guò)3段變換爐在催化劑的作用下發(fā)生變換反應(yīng)，使合成氣中的一氧化碳與水反應(yīng)，生成二氧化碳和氫氣；然后通過(guò)N-甲基二乙醇胺（MDEA）脫硫單元，脫除大部分硫化氫和部分二氧化碳；接著再經(jīng)過(guò)變壓吸附脫碳（VPSA）單元脫除大部分二氧化碳；最后經(jīng)過(guò)壓縮單元提壓至1.8 MPa后，再經(jīng)變壓吸附（PSA）氫提純單元脫除雜質(zhì)后，產(chǎn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.9%的氫氣并全廠氫氣管網(wǎng)使用。

因氣化裝置產(chǎn)生的合成氣出氣化爐后帶灰?guī)^多，而合成氣的除灰降溫單元——旋風(fēng)分離器和水洗塔對(duì)合成氣中挾帶的灰和水的分離效果也不太理想，一部分灰和水會(huì)跟隨合成氣進(jìn)入后續(xù)制氫裝置[1]。因此在制氫裝置原料氣進(jìn)口處設(shè)置了合成氣氣液分離罐，并在氣液分離罐后設(shè)置脫灰槽，以此進(jìn)一步對(duì)合成氣除灰除水，以防止合成氣中的灰和水對(duì)后續(xù)處理單元造成不利影響。

然而，實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行了一段時(shí)間以后，合成氣分液分離罐錐底液相排出管線發(fā)生了堵塞現(xiàn)象。

1 存在問(wèn)題

1.1 技改前工藝流程

圖1為技術(shù)改造之前進(jìn)料分液罐底部排水工藝流程。

圖 1技改前工藝流程Fig 1 Process flow before technical transformation

由圖1可知，鍋爐水沖洗點(diǎn)設(shè)置在止回閥V5之后，當(dāng)初工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮進(jìn)料分液罐錐底發(fā)生堵塞的情況，只考慮了止回閥V5之后進(jìn)凝液汽提塔這一段管線可能出現(xiàn)堵塞的情況，屬于設(shè)計(jì)漏洞。此外，實(shí)際施工配管流程中采用彎頭較多（6個(gè)彎頭）增大了液體在管道內(nèi)的動(dòng)能損失，且在彎頭處易形成灰垢堆積造成堵塞，因此在技術(shù)改造中應(yīng)當(dāng)盡量減少?gòu)濐^的使用[2]。

1.2 現(xiàn)象及危害

由于合成氣中的灰在氣液分離罐底部的堆積效應(yīng)，導(dǎo)致合成氣分液分離罐錐底液相排出管線堵塞，液相水無(wú)法正常排出，分液罐液位持續(xù)上漲超出控制指標(biāo)，從而使合成氣帶水穿過(guò)脫灰槽進(jìn)入變換爐內(nèi)，變換爐爐溫急劇下降。除了會(huì)使合成氣變換反應(yīng)無(wú)法正常進(jìn)行之外，還會(huì)導(dǎo)致昂貴的鈷鉬系耐硫變換催化劑粘連結(jié)塊、偏流、反硫化甚至組分流失以及冷凝液中挾帶的雜質(zhì)還可能導(dǎo)致催化劑中毒失活等嚴(yán)重后果，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[3]。

圖2是變換爐進(jìn)水爐溫變化曲線。

圖 2變換爐進(jìn)水爐溫變化曲線Fig 2 Temperature curve of conversion furnace when feeding with water

由圖2可知，一旦合成氣分液罐中的液相水進(jìn)入變換爐，就會(huì)導(dǎo)致變換爐床層溫度短時(shí)迅速下降，一次變換爐進(jìn)水就會(huì)導(dǎo)致?tīng)t溫快速下降近100℃，從而使變換反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行，并對(duì)催化劑造成損壞。

因此，當(dāng)生產(chǎn)期間出現(xiàn)進(jìn)料分液罐堵塞時(shí)，出于對(duì)催化劑的保護(hù)，往往都是被迫緊急停工進(jìn)行疏堵?lián)屝?。一次緊急停工檢修所造成的電、蒸汽、合成氣、燃料氣、氧氣、氮?dú)狻錃?、脫鹽水、鍋爐水等等各種能源損失高達(dá)300多萬(wàn)元。除此之外，還會(huì)導(dǎo)致上下游關(guān)聯(lián)裝置降負(fù)荷運(yùn)行，并且對(duì)全廠公用介質(zhì)如酸性氣、燃料氣、氫氣、氮?dú)狻⒄羝裙芫W(wǎng)壓力造成較大的波動(dòng)。由此可見(jiàn)，必須對(duì)合成氣分液罐進(jìn)行技術(shù)改造，解決易堵的生產(chǎn)難題。

2 技改方案及實(shí)施

圖3為技術(shù)改造后的工藝流程。

圖 3技改后工藝流程Fig 3 Process flow after technical transformation

根據(jù)原工藝流程存在的缺陷，主要作出3點(diǎn)技術(shù)改造：

1)更改鍋爐水沖洗點(diǎn)位置。在止回閥V5閥前增加1個(gè)手動(dòng)閥V6（選擇閘閥或是球閥均可，不可選擇截止閥），將鍋爐水沖洗點(diǎn)改至V5與V6之間。當(dāng)進(jìn)料分液罐錐底堵塞時(shí)，可關(guān)閉V1、V3打開(kāi)V6、V7往分液罐反向沖洗疏通；當(dāng)止回閥V5閥后至凝液汽提塔管線堵塞時(shí)，可關(guān)閉V6打開(kāi)V7往凝液汽提塔正向沖洗疏通。

2)增設(shè)錐底排水旁通管線。在進(jìn)料分液罐下部距錐底350 mm的位置開(kāi)孔增加1條DN80的排液旁通管線（與底部排液管線管徑一致），并設(shè)旁通管線控制閥V4，旁通管線末端設(shè)定在底部排水閥門(mén)組LV1之后，可避免因閥門(mén)組LV1堵塞時(shí)，旁通無(wú)效的情形出現(xiàn)[4]。旁通管線開(kāi)孔點(diǎn)位置的選擇，主要是考慮了分液罐正常運(yùn)行時(shí)液位控制在400～500 mm，此旁通管線正常運(yùn)行時(shí)不用，只在錐底堵塞液位超過(guò)控制指標(biāo)時(shí)啟用。同時(shí)考慮旁通管線控制閥V4在長(zhǎng)時(shí)間使用后可能出現(xiàn)內(nèi)漏的情況，因此將開(kāi)孔點(diǎn)設(shè)定在液面以下，形成液封的作用，從而可以防止因V4內(nèi)漏導(dǎo)致分液罐內(nèi)的合成氣竄入凝液汽提塔對(duì)汽提工況造成影響。

3)重新布局管線減少?gòu)濐^數(shù)量。根據(jù)管道走向及管廊空間，重新布局凝液排放管線位置，由原先6個(gè)彎頭改為2個(gè)彎頭，以此減小液體在彎頭處的動(dòng)能損失以及灰垢在彎頭處的堆積效應(yīng)。此外，管線閥門(mén)的安裝應(yīng)當(dāng)與彎頭保持一定距離（2 m以上），不可離的太近，以此減輕灰垢堆積效應(yīng)。

3 技改效果評(píng)價(jià)

3.1 運(yùn)行效果

合成氣分液罐的技術(shù)改造施工實(shí)施完成之后，通過(guò)對(duì)裝置實(shí)際運(yùn)行期間連續(xù)3個(gè)多月的運(yùn)行觀察，得出以下結(jié)論：

1)進(jìn)料分液罐在正常運(yùn)行期間，改造之后LV1閥門(mén)開(kāi)度比未改造之前偏小，說(shuō)明液體在管道內(nèi)阻力損失減小，流速比之前加快，因此可以判斷通過(guò)重新布局管線減少?gòu)濐^個(gè)數(shù)，降低了液體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力損失，增大了液體流動(dòng)的速度，對(duì)防堵有效。

2)3個(gè)多月合成氣分液罐總共出現(xiàn)過(guò)4次程度不同的堵塞現(xiàn)象。其中止回閥V5閥后至凝液汽提塔管線堵塞過(guò)1次，此時(shí)通過(guò)關(guān)閉V6打開(kāi)V7利用鍋爐水正向沖洗，一般沖洗0.5 h即可疏通，從而也說(shuō)明了止回閥V5閥后一段管線一般形成的都是輕微堵塞，相對(duì)比較容易沖洗疏通。

3)另外3次堵塞情況均發(fā)生在合成氣分液罐錐底部位，也說(shuō)明了合成氣分液罐錐底一段直管段較容易形成灰垢堵塞（針對(duì)此種情況日常工藝操作時(shí)要求運(yùn)行班組每班定時(shí)對(duì)錐底反沖洗0.5 h，以減輕灰垢堆積效應(yīng)）。當(dāng)堵塞輕微時(shí)，關(guān)閉V1和V3打開(kāi)V6和V7通過(guò)鍋爐水反向沖洗，比較容易沖洗疏通；而當(dāng)堵塞較為嚴(yán)重時(shí)則沖洗時(shí)間相對(duì)較久，但此時(shí)打開(kāi)V4，配合旁通管線，形成反向沖洗通路，疏通效果更佳。因此，從實(shí)際沖洗疏堵效果來(lái)看，鍋爐水沖洗點(diǎn)的更改以及錐底旁通管線的增設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)在線正反向疏堵的目的。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

此次技改，新增閥門(mén)、管線及人工施工成本合計(jì)不足5萬(wàn)元，但可以實(shí)現(xiàn)制氫裝置在不停工的運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行在線疏堵的目標(biāo)，成功避免了裝置一次停工所造成的300多萬(wàn)元的物料、能源、人工和檢修等經(jīng)濟(jì)損失，潛在經(jīng)濟(jì)效益可觀。同時(shí)也可避免停工時(shí)各類(lèi)有毒有害易燃易爆氣體的緊急排放，大大降低了發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。

4 總 結(jié)

1)止回閥V5閥后管線及LV1閥門(mén)組出現(xiàn)堵塞時(shí)，通過(guò)正向沖洗，較易疏通；止回閥V5閥前至錐底部位出現(xiàn)堵塞時(shí)，通過(guò)反向沖洗，根據(jù)堵塞嚴(yán)重程度，相應(yīng)沖洗時(shí)間需要延長(zhǎng)。

2)當(dāng)錐底出現(xiàn)較為嚴(yán)重堵塞時(shí)，鍋爐水反向沖洗配合旁通閥V4打開(kāi)，形成沖洗通路，沖洗疏通效果更好，且日常定期對(duì)錐底進(jìn)行反沖洗操作可減輕灰垢的堆積效應(yīng)，防止出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞情況。

3)裝置實(shí)際運(yùn)行效果表明，此次合成氣分液罐防堵技術(shù)改造有效，能夠?qū)崿F(xiàn)裝置不停工進(jìn)行在線疏堵的目標(biāo)。