回收液氮洗火炬氣的優(yōu)化改造

張偉華

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司(以下簡(jiǎn)稱華鶴公司)位于黑龍江省鶴崗市，是中海石油化學(xué)股份有限公司全資子公司，是東北地區(qū)最大的大顆粒尿素生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)企業(yè)，是黑龍江省“煤頭化尾”產(chǎn)業(yè)示范企業(yè)，有中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司建設(shè)的第一套煤化工裝置。華鶴公司成立于2010年9月，主要依托黑龍江省鶴崗地區(qū)豐富的煤炭和水資源，發(fā)展上下游一體化的煤化工產(chǎn)業(yè)，努力建設(shè)成為國(guó)內(nèi)煤炭生產(chǎn)尿素和區(qū)域性的科學(xué)施肥農(nóng)化服務(wù)的示范基地，打造黑龍江省煤化工產(chǎn)業(yè)基地。

1 改造背景

華鶴公司高度重視工藝技術(shù)改造和降本增效工作，現(xiàn)有的先進(jìn)工藝以及對(duì)現(xiàn)有工藝的改造為公司降本增效作出了較大貢獻(xiàn)。華鶴公司現(xiàn)有一套年產(chǎn)30萬(wàn)t合成氨、52萬(wàn)t大顆粒尿素裝置(以下簡(jiǎn)稱“3052”項(xiàng)目)，并配套建設(shè)年產(chǎn)60萬(wàn)t新華煤礦(為“3052” 項(xiàng)目提供原料煤)。“3052” 項(xiàng)目均采用當(dāng)今國(guó)際、國(guó)內(nèi)一流的工藝技術(shù)，其中，煤氣化采用美國(guó)GE水煤漿氣化技術(shù)，變換采用寬溫耐硫變換工藝，脫硫、脫碳采用大連理工大學(xué)低溫甲醇洗工藝，合成氣精制采用杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱杭氧公司)的液氮洗工藝，氨合成采用丹麥Topsφe技術(shù)，尿素裝置采用荷蘭2000+TM技術(shù)，其他裝置均采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)成熟技術(shù)?！?052” 項(xiàng)目自2015年5月9日成功投產(chǎn)運(yùn)行至今，液氮洗裝置仍有節(jié)能降耗的空間，對(duì)其進(jìn)行改造可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2 工藝概述

液氮洗工藝是利用分子篩首先將合成氣中微量的 CO2、CH3OH 在進(jìn)冷箱之前吸附除去，然后利用液氮在 -189℃低溫條件下，除去合成氣中殘余的 CO、CH4、Ar 等微量雜質(zhì)，并配置氫氮比為 3∶1 的合成氣，供氨合成用。雖然其工藝流程復(fù)雜，投資相對(duì)較大，但由于氣體凈化度高，H2+N2可以達(dá)到 99.99%，可有效降低氨合成過程中的弛放氣量，從而被大型合成氨裝置廣泛使用，尤其在其上游配置低溫甲醇洗工藝時(shí)，更有利于冷量的利用。

3 工藝流程

從低溫甲醇洗工序來的凈化氣，進(jìn)入分子篩吸附器，吸收凈化氣中的微量CO2和CH3OH。凈化氣進(jìn)入冷箱，先后經(jīng)過1號(hào)原料氣冷卻器、2號(hào)原料氣冷卻器使其溫度降至-188℃，進(jìn)入氮洗塔(C04301)的下部進(jìn)行氮?dú)庀礈?。氮洗塔中上升的原料氣與塔頂下來的液氮逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱。CO、 CH4及 Ar 等雜質(zhì)從氣相冷凝溶解于液氮中，從塔頂排出的氮洗氣中的氫與部分蒸發(fā)液氮混合，被洗滌后的氮洗氣(φ(H2)=90.75%、φ(N2)=9.25%)先后經(jīng)過1號(hào)原料氣冷卻器、2號(hào)原料氣冷卻器換熱后分為兩股：一股出冷箱去甲醇洗反饋冷量，另一股經(jīng)高壓氮?dú)饫鋮s器被高壓氮?dú)鈴?fù)熱到30℃出冷箱，與來自甲醇洗裝置回收冷量后的合成氣匯合，再經(jīng)精配氮串級(jí)控制調(diào)節(jié)，最后把H2/N2精確配比成3∶1的合成氣送入氨合成工序。

4 液氮洗火炬氣運(yùn)行現(xiàn)狀

液氮洗裝置冷量來源主要分為混合制冷和節(jié)流制冷，正常原料氣利用板翅式換熱器回收液氮洗滌塔尾液節(jié)流產(chǎn)生的冷量，同時(shí)節(jié)流產(chǎn)生的冷量將高壓氮?dú)饫鋮s為液氮，在氮洗塔內(nèi)洗滌凈化氣中的 CO、 CH4及 Ar 等雜質(zhì)。洗滌后的液氮經(jīng)過兩個(gè)節(jié)流閥逐級(jí)降壓、閃蒸出可燃?xì)?，同時(shí)經(jīng)過節(jié)流閥產(chǎn)生冷量。設(shè)計(jì)上，節(jié)流閥開度越大，產(chǎn)生的冷量越多，在冷箱裸冷和冷卻積液過程中，都將兩個(gè)節(jié)流閥全開以產(chǎn)生最大的冷量。在滿負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行過程中，節(jié)流閥開度分別為42%和41%，即可滿足整個(gè)冷箱的冷量需求，通過節(jié)流閥閥位可以證明冷箱內(nèi)冷量是富余的。節(jié)流后的冷液體分為兩股：一股作為燃料氣為冷箱內(nèi)提供冷源，最后燃料氣復(fù)熱至20℃送至鍋爐燃燒；第二股為了控制冷液體分離罐液位穩(wěn)定，需將部分冷液體通過現(xiàn)場(chǎng)冷排放閥排放至冷液體排放罐，在排放罐內(nèi)氣化成氣體，作為火炬氣。通過火炬氣加熱器，用低壓蒸汽加熱至20℃后排放至火炬。華鶴公司技術(shù)人員通過對(duì)現(xiàn)狀分析后發(fā)現(xiàn)，這部分冷液體排放至火炬燃燒會(huì)造成能量的浪費(fèi)，提出將這部分火炬氣重新回收利用的構(gòu)思。

5 回收火炬氣的準(zhǔn)備和實(shí)施

目前，冷液體通過氫氣分離罐液相排放至冷液體排放罐，排放參數(shù)見表1。取樣分析數(shù)據(jù)見表2。

表1 冷液體排放參數(shù)

表2 取樣數(shù)據(jù)

華鶴公司技術(shù)人員通過對(duì)比其參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)火炬氣組分和壓力可并入燃料氣系統(tǒng)，能避免資源的浪費(fèi)?；鹁婀芫€與燃料氣管線距離10m，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改造、安裝必要的現(xiàn)場(chǎng)截止閥和調(diào)節(jié)閥。改造前后工藝流程見圖1、圖2。

圖1 改造前工藝流程示意

圖2 改造后工藝流程示意

2020年7月17日，利用裝置檢修機(jī)會(huì)，按照方案對(duì)火炬氣進(jìn)行改造實(shí)施，裝置停車檢修后，確保液氮洗燃料氣管線和火炬氣管線無(wú)可燃?xì)猓邆涫┕l件。為了不影響檢修進(jìn)度，對(duì)兩條管線進(jìn)行甩頭。具體施工圖示意見圖3。8月18日改造施工完畢，將火炬氣并入燃料氣管線。

圖3 改造施工

改造所需材料及成本見表3。

表3 改造所需材料及成本

6 改造效果

6.1 工藝效果

(1)火炬氣并入后，液氮洗工況運(yùn)行穩(wěn)定，正常工況下可將全部火炬氣引入至燃料氣管網(wǎng)?；鹁鏆庥行С煞枝?H2+CO)在43%～48%之間，流量為900～1 100Nm3/h。

F(CO)=F(變)×CO含量1=F(總)流量×CO含量2

①

F(火)=F(總)-F(燃)

②

①和②可導(dǎo)出

F(火)=[F(變)×CO含量1]/CO含量2- F(燃)

③

F(變)=變換氣流量=160 000 Nm3/h

CO含量1=變換出口CO含量=1%

CO含量2=冷液體中CO含量=40%

F(燃)=燃料氣流量=2 900 Nm3/h

以上數(shù)據(jù)帶入③計(jì)算F(火)=1 000 Nm3/h。

(2)火炬氣并入后，鍋爐1#爐投煤量每小時(shí)降低1.5t。

6.2 經(jīng)濟(jì)效果

經(jīng)計(jì)算，鍋爐使用煤為300元/t，節(jié)省約1.5t/h×24h×300元=10 800元/d，全年按330d運(yùn)行計(jì)算，可回收成本356萬(wàn)元/a。

7 操作注意事項(xiàng)

7.1 燃料氣壓力的控制

由于是從火炬加熱器出口引至燃料氣管線，而火炬加熱器出口壓力會(huì)隨分子篩程序控制步驟的不同而不同。在泄壓步驟時(shí)，火炬氣壓力和氣量會(huì)增大，故而影響燃料氣壓力，此時(shí)主控需手動(dòng)干預(yù)燃料氣壓力調(diào)節(jié)閥，以保證燃料氣壓力。

7.2 停車后的切除

當(dāng)液氮洗系統(tǒng)或者鍋爐系統(tǒng)停車時(shí)，主控應(yīng)第一時(shí)間將火炬氣切出，避免對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。

8 下一步規(guī)劃

(1)改造后，雖然將可燃?xì)庵匦吕茫侨匀辉斐闪四芰康睦速M(fèi)，如加以分析，將此部分H2和CO利用于合成氨的原料將更加有意義。

(2)冷液體從冷箱排出，冷量沒有得到利用，而且消耗了蒸汽對(duì)其加熱，如果將此部分冷量重新利用，為熱源提供冷量，降低蒸汽消耗，會(huì)使成本得到進(jìn)一步降低。

下一步，華鶴公司技術(shù)人員會(huì)針對(duì)以上兩項(xiàng)問題對(duì)裝置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與改造。

9 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過改造后，排放火炬氣全部回收至鍋爐燃燒，產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益，提高能量利用率，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好?；噬a(chǎn)企業(yè)屬于高危險(xiǎn)、高消耗的企業(yè)，只有不斷通過對(duì)現(xiàn)有裝置進(jìn)行摸索、不斷創(chuàng)新，實(shí)行技術(shù)改造，才能不斷降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。