液氮洗冷量過剩的原因分析與改進措施

趙 巖,徐程程

(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采用荷蘭Stamicarbon尿素2000+技術(shù)及荷蘭荷豐霧化流化床造粒技術(shù),配備30萬t/a合成氨、52萬t/a大顆粒尿素裝置。尿素裝置于2015年5月9日投產(chǎn)，投產(chǎn)第一年生產(chǎn)尿素 53.3萬t，順利達產(chǎn)。

1 液氮洗工藝原理

液氮洗采用杭氧液氮洗冷箱技術(shù)，利用分子篩吸附器脫除來自低溫甲醇洗系統(tǒng)內(nèi)凈化氣中的CO2、CH3OH高沸點物質(zhì)，吸附后的工藝氣體進入液氮洗冷箱。冷箱工藝是利用液氮在-189 ℃低溫條件下吸收合成氣中殘余微量雜質(zhì)(CO、CH4、Ar等[1])，塔頂產(chǎn)品氣經(jīng)配N2、加熱后，按H2與N2的體積比為3∶1的合成氣送合成氣壓縮機，塔底洗滌尾液經(jīng)換熱后向燃料氣系統(tǒng)輸送燃料氣。

液氮洗洗滌去除過程接近于精餾，屬于物理過程。該工藝將CO、CH4溶解到液氮中，利用CO、CH4的沸點比N2高達到脫除雜質(zhì)氣體的目的(見表1)。該工藝只有當氣體液化溫度低于該氣體的臨界溫度才能實現(xiàn)，由于N2和CO的汽化潛熱非常接近，因此，基本認為液氮洗是等溫過程。

表1 氣體參數(shù)表

由表1可知：各氣體組分的臨界溫度較低，N2的臨界溫度為-147.10 ℃，決定了液氮洗必須在低溫下進行；低溫液氮洗過程中，CH4、Ar、CO易溶解于液氮，而原料氣體中的H2因其沸點遠低于其他組分而不易溶解于液氮，從而達到脫除原料氣體中CH4、Ar、CO的目的。

2 液氮洗工藝運行冷量現(xiàn)狀

2.1 工藝流程

液氮洗工藝洗滌凈化氣體所需冷量，一部分來自板式換熱器回收液氮洗滌塔尾液節(jié)流產(chǎn)生的冷量;另一部分來自高壓N2節(jié)流液化成低溫液氮產(chǎn)生的冷量。在1#原料氣冷卻器(E04302)內(nèi)，凈化氣被返流的合成氣、燃料氣及循環(huán)H2冷卻到-120 ℃后進入2#原料氣冷卻器(E04303)，與返流的合成氣、燃料氣及循環(huán)H2進行換熱，使出E04303的溫度(TI04339)降至-188 ℃后，進入液氮洗塔(C04301)的下部，降低原料氣的溫度。根據(jù)冷凝溫度不同，將原料氣中的CO、CH4等雜質(zhì)洗滌出去，塔頂送出合格的合成氣[2];塔底含有雜質(zhì)的液體經(jīng)過減壓、復(fù)熱送往燃料氣管網(wǎng)，進入熱電車間1#鍋爐燃燒。液氮洗工藝流程見圖1。

C04301—液氮洗滌塔；S04302—H2分離罐；S04303—尾氣氣液分離罐；M04301—高壓N2混合器；E04301—高壓N2冷卻器；E04302—1#原料氣冷卻器；E04303—2#原料氣冷卻器；FIC04310—高壓氮氣流量；FV04309—粗配高壓氮氣閥門；LV04301—氮洗塔液位調(diào)節(jié)閥門；TV04339—燃料氣溫度控制閥門；HV04301—燃料氣補液氮閥門；KV04316—控制合成氣量至甲醇洗閥門。圖1 液氮洗工藝流程

2.2 冷量過剩排放

按照目前運行工況，開大尾液調(diào)節(jié)閥門(TV04339)可增大系統(tǒng)換熱冷量。實際運行過程中，調(diào)節(jié)TV04339開度為40%，可滿足系統(tǒng)滿負荷運行，繼續(xù)開大閥門將會造成冷箱內(nèi)尾氣氣液分離罐(S04303)內(nèi)積液，引起燃料氣管線內(nèi)冷量過剩，導(dǎo)致E04303出口溫度從-90 ℃驟降至-150 ℃，造成冷箱內(nèi)驟冷，系統(tǒng)溫度出現(xiàn)波動。當冷箱局部溫度驟冷時， 說明內(nèi)部冷量已經(jīng)不均衡， 現(xiàn)場迅速打開冷箱氣液分離器排冷閥， 將燃料氣管線多余的冷量排出系統(tǒng)[3]。在這種工況下，為維持系統(tǒng)液位平衡，手動打開H2分離罐(S04302)底部排放，富裕冷量排入冷凝液體收集罐(T04301)內(nèi)，通過低壓N2送入尾氣加熱器(E04306)內(nèi)加熱至40 ℃送入火炬系統(tǒng)燃燒。

冷箱持續(xù)排放液體，造成冷量浪費、能耗增加。冷量過剩，可在保證 CO 含量不超標的前提下，適當減少洗滌氮量和冷劑壓縮機負荷平衡冷量[4]。其間，通過調(diào)整進入冷箱高壓N2氣量控制洗滌塔液位，在S04302排液閥門未完全關(guān)閉情況下，合成氣出口在線CO含量上漲，及時恢復(fù)高壓N2量后，合成氣出口CO含量下降。此種調(diào)節(jié)方法效果不佳，為避免尾液加熱排放造成浪費，決定對其回收利用。

3 尾氣排放

3.1 可行性分析

液氮洗分子篩設(shè)計泄壓時間為30 min，實際為10 min。為避免尾氣加熱壓力升高過快，利用分子篩泄壓管線截止閥門將泄壓時間控制在25 min。經(jīng)過連續(xù)3次現(xiàn)場觀察，分子篩泄壓過程中尾氣最高壓力為15 kPa，說明尾氣放空管線設(shè)置調(diào)節(jié)閥門方案可行。

3.2 改造措施

工藝立項后，對接設(shè)計院進行工藝設(shè)計變更，在尾氣加熱器入口與出口管線處增加盲板，導(dǎo)淋接入低壓N2置換；關(guān)閉燃料氣管線入口截止閥門，通過出口導(dǎo)淋接入低壓N2置換；提前預(yù)制改造管線閥門，安全分析合格后安裝焊接。增加尾氣排放閥門(PV04312A)控制尾氣放空壓力，通過旁路增設(shè)閘閥管線進行尾氣回收，后至燃料氣管線送1#鍋爐燃燒。改造圖見圖2，其中虛線為改造部分。

E04306—尾氣加熱器；PV04312—燃料氣控制閥門；PV04312A—尾氣放空控制閥門；PIC04312—燃料氣壓力；FI04304—燃料氣流量；PT04312A—尾氣放空壓力。圖2 尾氣回收改造圖

3.3 注意事項

制定尾氣投用方案并進行安全分析，提前與調(diào)度、鍋爐溝通，確保至鍋爐燃料氣管線壓力穩(wěn)定、鍋爐燃料氣投用正常、進入1#鍋爐前放空閥門聯(lián)鎖投用正常。

將E04306至PV04312后新加管線閥門緩慢打開，同時現(xiàn)場緩慢關(guān)小E04306至火炬截止閥門，觀察E04306出口就地壓力表，PV04312A壓力稍高于70 kPa的設(shè)定壓力。

鍋爐投用燃料氣并入尾氣后溫度升高，觀察至鍋爐界區(qū)燃料氣壓力與流量變化，確保尾氣并入系統(tǒng)。尾氣投入運行后，E04306工作壓力高于平時，中控調(diào)節(jié)注意液氮洗系統(tǒng)排冷量，穩(wěn)定液氮洗系統(tǒng)冷熱平衡。

4 效益分析

對燃料氣與冷排放復(fù)熱氣體進行取樣并分析，結(jié)果見表2。

表2 燃料氣與冷排放復(fù)熱尾氣分析數(shù)據(jù)對比 %

由表2可知：冷排放復(fù)熱氣體與燃料氣成分基本相同，實際運行中燃料氣投用至鍋爐中燃燒效果較好。實際運行中，按照PV04312控制壓力為53 kPa、體積流量為3 000 m3/h、溫度為32 ℃計算，鍋爐可節(jié)約1.5 t/h動力煤。

富裕冷量經(jīng)過尾氣加熱器后并入燃料氣管線進入鍋爐，提高了燃料氣工作壓力，增加了燃料氣流量，冷排放尾氣投用前后燃料氣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 冷排放系統(tǒng)改造后投用數(shù)據(jù)對比

由表3可知：冷排放復(fù)熱尾氣體積流量增加約1 000 m3/h，可增加有效H2體積流量為37.3 m3/h、有效CO體積流量為437.7 m3/h；按H2標準熱值為1.43×108J/kg、CO標準熱值為1.18×108J/kg計算，可替代動力煤為0.51 t/h。鶴崗當?shù)貏恿γ簝r格為300元/t，一年(330 d)可創(chuàng)造效益121萬余元，有效減少了裝置能耗，達到降本增效的目的。

5 結(jié)語

通過設(shè)計改造液氮洗E04306出口放空路線，將富裕的冷量加熱后回收利用，不僅解決了尾氣排放至火炬造成的浪費，還取得了較好的經(jīng)濟效益。為節(jié)省檢修施工時間，可考慮預(yù)制設(shè)備管線，尤其是設(shè)備管線的基礎(chǔ)以及平臺的制作。