合成氨聯(lián)產(chǎn)750km3／d天然氣液化裝置運(yùn)行總結(jié)

余 輝

（河南晉煤天慶煤化工有限責(zé)任公司，河南沁陽 454592）

1 概 況

河南晉煤天慶煤化工有限責(zé)任公司（簡稱晉煤天慶）為晉煤集團(tuán)全資子公司，主要生產(chǎn)液氨、尿素、煤制燃?xì)獾然驶ぎa(chǎn)品，是國內(nèi)首家實(shí)施合成氨聯(lián)產(chǎn)天然氣改造的企業(yè)。現(xiàn)有生產(chǎn)裝置是在“30·52·5”項(xiàng)目（即300kt／a合成氨、520kt／a尿素及5×108m3／a工業(yè)燃?xì)猓┗A(chǔ)上改造而成的，現(xiàn)實(shí)際產(chǎn)能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素、3×108m3／a煤制天然氣。一期項(xiàng)目總投資38.6億元，占地1000畝，是采用晉煤集團(tuán)豐富的優(yōu)質(zhì)無煙煤為原料建設(shè)的1套現(xiàn)代煤化工裝置，實(shí)際產(chǎn)能達(dá)570kt／a總氨。二期項(xiàng)目總投資4.4億元，于2016年8月1日正式竣工投產(chǎn)，該套煤制天然氣及液化裝置是晉煤天慶與英國戴維公司、杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司技術(shù)合作的嶄新成果，是我國東部地區(qū)第一套煤制天然氣裝置。二期項(xiàng)目天然氣產(chǎn)品分為兩部分，一部分經(jīng)輸氣站通過管網(wǎng)直接輸送至下游用戶，另一部分通過深冷裝置液化為液化天然氣（LNG）后裝車銷售。

2 天然氣液化裝置工藝流程描述

晉煤天慶合成氨聯(lián)產(chǎn)750km3／d天然氣液化裝置采用混合制冷劑液化流程（見圖1，圖中虛線圈內(nèi)為技改部分，有關(guān)內(nèi)容詳見下文），以由氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷按照一定的比例組成的混合制冷劑為工質(zhì)，逐級進(jìn)行冷凝、蒸發(fā)、節(jié)流膨脹，在不同溫度段獲取制冷量，以逐步冷卻和液化天然氣。

圖1 天然氣液化裝置工藝流程框圖

2.1 原料氣壓縮系統(tǒng)

合成車間甲烷合成裝置送來的甲烷合成氣，常溫、壓力為2.29MPa，先經(jīng)原料氣壓縮機(jī)緩沖罐進(jìn)行穩(wěn)壓緩沖，再通過原料氣壓縮機(jī)提壓至5.5MPa后，經(jīng)冷卻器冷卻和分離器（共用）分離后送入脫碳系統(tǒng)。

原料氣壓縮系統(tǒng)有3臺(tái)同型號的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，兩開一備，均由三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)壓縮機(jī)曲軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；原料氣壓縮機(jī)為對稱平衡式兩列一級壓縮，氣缸為無油潤滑雙作用水冷式，氣閥采用網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)，并采用水冷。

2.2 脫碳系統(tǒng)

原料氣壓縮機(jī)送來的原料氣［壓力5.0～6.5MPa，溫度約40℃，CO2含量≤3% （體積分?jǐn)?shù)）］從吸收塔下部進(jìn)入，自下而上通過吸收塔；再生后的活化MDEA溶液［稱作貧液，溫度一般高于原料氣（進(jìn)氣）溫度4～7℃］經(jīng)貧液泵升壓至7.3MPa后從吸收塔上部淋入，與原料氣在吸收塔內(nèi)逆向接觸，原料氣中的CO2被吸收而進(jìn)入液相，未被吸收的組分從吸收塔頂部引出，經(jīng)吸收塔頂冷卻器降溫至40℃后，進(jìn)入吸收塔頂氣液分離器除去水分，并在吸收塔頂過濾器內(nèi)分離出夾帶的霧沫和機(jī)械雜質(zhì)，出分離器的凈化氣送入脫水系統(tǒng)。

吸收CO2后的MDEA富液溫度約59℃，經(jīng)閃蒸罐減壓至0.4MPa，將溶解在MDEA溶液中的氣體閃蒸出去，閃蒸后得到的半貧液通過貧富液換熱器與再生塔底部流出的溶液（貧液）進(jìn)行熱交換后，升溫至95～99℃去再生塔上部，在再生塔內(nèi)汽提再生直至達(dá)標(biāo)（再生塔再沸器的熱源來自0.5MPa的低壓飽和蒸汽系統(tǒng)，再生塔下部操作溫度為115～125℃）。出再生塔的貧液，經(jīng)降溫、增壓后返回吸收塔；再生塔頂部出口溫度約102℃、壓力為0.02～0.05MPa的富含CO2的氣體，先經(jīng)CO2冷卻器降溫至40℃以下，再進(jìn)入CO2氣液分離器分離液體，氣相經(jīng)調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓后高點(diǎn)放空。

2.3 脫水系統(tǒng)

脫水系統(tǒng)由3臺(tái)脫水塔（1臺(tái)脫水塔處于吸附狀態(tài)，另2臺(tái)分別處于再生狀態(tài)之加溫和冷吹階段）、1臺(tái)蒸汽加熱器、1臺(tái)再生氣冷卻器、1臺(tái)再生氣氣液分離器、2臺(tái)過濾器組成。

出脫碳系統(tǒng)的凈化氣分成兩路：一路直接進(jìn)入處于吸附狀態(tài)的脫水塔，脫除氣體中的水分后去凈化氣過濾器凈化，之后分別進(jìn)入預(yù)冷器、輸氣站；另一路氣體作為再生氣對脫水塔進(jìn)行冷吹，從冷吹狀態(tài)的脫水塔底部進(jìn)入、頂部排出，冷吹后的氣體進(jìn)入蒸汽加熱器，加熱至約220℃后進(jìn)入加溫狀態(tài)的脫水塔頂部，從底部排出后進(jìn)入再生氣冷卻器冷卻至40℃左右，最后進(jìn)入再生氣氣液分離器分離出水分后與原料氣混合進(jìn)入下一輪的吸附、再生。

脫水系統(tǒng)還起著分配天然氣氣量的任務(wù)：當(dāng)管道天然氣用戶用氣量大時(shí)，可打開去輸氣站管道閥門進(jìn)行補(bǔ)充；管道天然氣用氣量小時(shí)，可關(guān)小或全關(guān)去輸氣站閥門，天然氣大部分或全部進(jìn)入液化裝置。

2.4 管道反輸氣及脫烴系統(tǒng)

來自外管網(wǎng)的反輸氣（5.0MPa左右）直接進(jìn)入脫碳系統(tǒng)除去CO2等酸性物質(zhì)，通過脫水系統(tǒng)干燥后進(jìn)入脫烴系統(tǒng)的洗滌塔底部，自下而上通過洗滌塔，與冷箱來的LNG逆流接觸后除去氣體中的重組分，之后進(jìn)入冷箱液化，洗滌下來的重組分送往重?zé)N儲(chǔ)罐。脫烴系統(tǒng)只是在管道反輸氣中重組分含量高的時(shí)候啟用。

2.5 預(yù)冷系統(tǒng)

來自凈化車間的富甲烷氣（干燥、潔凈氣體，壓力5.5MPa）、脫水系統(tǒng)的凈化氣、冷劑壓縮系統(tǒng)的混合冷劑，在進(jìn)入冷箱前經(jīng)預(yù)冷系統(tǒng)預(yù)冷。預(yù)冷系統(tǒng)主要由1臺(tái)板翅式換熱器、1臺(tái)溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組、2臺(tái)冷水泵組成，冷媒為潔凈的脫鹽水，經(jīng)冷水泵加壓至0.35MPa并被溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組冷卻至10～12℃后，進(jìn)入板翅式換熱器冷卻上述3種介質(zhì)。

2.6 冷箱系統(tǒng)

冷箱系統(tǒng)由板翅式換熱器、汽提塔、閃蒸罐等組成。5.5MPa的富甲烷氣在冷箱內(nèi)冷卻液化后，經(jīng)節(jié)流減壓閥減壓后進(jìn)入汽提塔，在汽提塔內(nèi)將CO與甲烷進(jìn)行分離，塔頂出口氣相為富CO氣體，塔底液相為LNG產(chǎn)品，富CO氣體經(jīng)板翅式換熱器復(fù)溫后出冷箱，進(jìn)入界區(qū)氣柜；LNG產(chǎn)品經(jīng)板翅式換熱器過冷（-161℃）、減壓（0.012MPa）后，與另一股直接在冷箱內(nèi)液化的合成氣混合，然后送入LNG儲(chǔ)罐。

2.7 混合冷劑壓縮系統(tǒng)

汽輪機(jī)帶動(dòng)制冷劑壓縮機(jī)將壓力0.13～0.24MPa的混合冷劑壓縮至3.0MPa后送入冷箱進(jìn)行節(jié)流，為天然氣液化提供冷量，節(jié)流后的混合冷劑返回制冷劑緩沖罐，之后再進(jìn)行壓縮，循環(huán)利用。

2.8 儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)

儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)由LNG儲(chǔ)罐和充裝泵、撬裝裝車臂組成：核心設(shè)備為2臺(tái)不銹鋼常壓儲(chǔ)罐，液化天然氣的儲(chǔ)存溫度為-160℃，不銹鋼球罐與外罐之間采用珠光砂堆積絕熱方式；充裝泵由3臺(tái)低溫屏蔽泵組成，兩開一備；儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG經(jīng)充裝泵加壓至0.25MPa送至裝車臂，裝車臂由4套撬裝設(shè)備組成，可同時(shí)給3輛LNG罐車充裝，每套撬裝設(shè)備均設(shè)置有入口緊急切斷閥、LNG液相及氣相拉斷閥、靜電保護(hù)裝置等安全設(shè)施，確保充裝過程安全。

3 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及優(yōu)化改進(jìn)

3.1 制冷劑壓縮制冷單元換熱器泄漏

混合制冷劑壓縮制冷系統(tǒng)工藝流程簡圖見圖2。來自冷箱換熱器的低壓制冷劑進(jìn)入制冷劑進(jìn)氣緩沖罐，分離可能夾帶的液滴和固體顆粒，然后進(jìn)入制冷劑壓縮機(jī)經(jīng)兩級壓縮增壓至3.0 MPa。制冷劑被壓縮冷卻后分為氣、液兩股分別進(jìn)入冷箱：氣相經(jīng)板翅式換熱器降溫后，再經(jīng)節(jié)流閥返回冷箱換熱器為原料天然氣的液化提供冷量；液相在換熱器內(nèi)過冷后，經(jīng)過節(jié)流閥后與另一股返回的冷劑混合，然后經(jīng)復(fù)溫后再返回制冷劑壓縮機(jī)入口，閉式循環(huán)。

圖2 混合制冷劑壓縮制冷系統(tǒng)工藝流程簡圖

制冷劑壓縮機(jī)為二級壓縮，制冷劑經(jīng)一級壓縮后進(jìn)入一段冷卻器冷卻，在一段分離罐進(jìn)行氣液分離后氣體進(jìn)入二級壓縮，二級壓縮完后經(jīng)二段冷卻器進(jìn)入二段分離罐，分離后氣體和液體分別進(jìn)入冷箱內(nèi)的板翅式換熱器通道。一段冷卻器、二段冷卻器均采用的是列管式換熱器，循環(huán)冷卻水走殼程，混合冷劑走管程。

3.1.1 出現(xiàn)的問題

2018年5月，正常生產(chǎn)中操作人員發(fā)現(xiàn)制冷劑壓縮機(jī)入口壓力一直在降低，由0.19MPa降至0.12MPa，且需不停地向系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充冷劑，冷劑消耗量明顯增大，現(xiàn)場人員在一、二段冷卻器循環(huán)水回水管道頂部排氣口能排出氣體，使用測爆儀檢測可燃?xì)夂窟_(dá)5000×10-6，超儀表量程。判斷一、二段冷卻器出現(xiàn)了泄漏，高壓冷劑（壓力3.0MPa）漏入了循環(huán)水（壓力0.43 MPa）中，系統(tǒng)停車處理。系統(tǒng)停車后，經(jīng)氮?dú)庵脫Q合格，將一、二段冷卻器交由檢修人員進(jìn)行堵漏處理——采用錐形塞焊接堵管。

3.1.2 級間冷卻器列管泄漏原因分析

（1）沖刷腐蝕。冷劑工作壓力較高，長時(shí)間對U形彎管處沖刷，管壁變薄而穿孔。

（2）列管振動(dòng)。投用冷卻器循環(huán)水時(shí)速度過快、不能及時(shí)排出水側(cè)的氣體，或系統(tǒng)波動(dòng)大、加減冷劑負(fù)荷較快，都會(huì)產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力，造成管束振動(dòng)，損壞列管。

（3）列管腐蝕。列管泄漏后，混合冷劑進(jìn)入循環(huán)水中，造成循環(huán)水水質(zhì)變差、濁度升高，加劇列管的腐蝕。

（4）管道材質(zhì)問題。原列管材質(zhì)為20＃鋼，若循環(huán)水水質(zhì)差，較易造成管材腐蝕。

3.1.3 后續(xù)問題處理

天然氣液化裝置制冷劑壓縮制冷單元在運(yùn)行中，多次出現(xiàn)級間冷卻器泄漏問題，不僅會(huì)加大混合冷劑的消耗，而且由此導(dǎo)致的停車檢修會(huì)給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)與冷卻器生產(chǎn)廠家溝通后，重新制作級間冷卻器，列管材質(zhì)變更為316L，并利用2019年4月份全廠停車大修的機(jī)會(huì)對2臺(tái)冷卻器進(jìn)行了更換，其后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，再未出現(xiàn)過級間冷卻器泄漏問題。

3.2 增設(shè)脫碳系統(tǒng)及脫烴系統(tǒng)

增設(shè)脫碳系統(tǒng)及脫烴系統(tǒng)是整套天然氣液化裝置中最大的技改項(xiàng)目。LNG項(xiàng)目初期系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，提供的合成氣組分中CO2含量小于50×10-6，因此未設(shè)計(jì)脫碳、脫烴單元，而實(shí)際生產(chǎn)中合成氣中的CO2含量較難控制，經(jīng)常超過50×10-6，造成冷箱多次發(fā)生CO2凍堵，不得不停車對冷箱進(jìn)行復(fù)熱，每次冷箱復(fù)熱開停車至少需2d的時(shí)間，同時(shí)開停車過程中冷劑需部分放空（以防系統(tǒng)超壓），造成較大的損失。

經(jīng)與杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司溝通，決定增設(shè)脫碳、脫烴單元。脫烴系統(tǒng)與脫碳系統(tǒng)同時(shí)建設(shè)完成。在系統(tǒng)停車沒有合成氣和富甲烷氣時(shí)，可通過從外管網(wǎng)購入反輸氣維持液化天然氣的生產(chǎn)，此舉拓展了原料氣的來源，可為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

脫碳單元采用濕法工藝，以MDEA（N-甲基二乙醇胺）為化學(xué)脫除劑，一段吸收、一段再生，MDEA溶液循環(huán)使用，進(jìn)口合成氣中CO2含量可提高至3.0%，經(jīng)脫碳后凈化氣中的CO2含量可降至20×10-6以下，大大增加了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。脫碳系統(tǒng)操作要點(diǎn)如下。

3.2.1 操作溫度

原料氣入吸收塔的溫度應(yīng)在40℃左右，不能過低，否則有重質(zhì)烴冷凝析出的可能，MDEA溶液發(fā)泡的幾率增加；一般原料氣與入塔貧液溫差宜在4～7℃之間，在脫碳系統(tǒng)中，綜合考慮MDEA溶液對CO2的吸收效率及再生能耗等因素，操作中將貧液冷卻器出口的貧液溫度控制在45℃左右。對于再生過程而言，再生溫度高有利于酸性氣的解吸，但溫度過高會(huì)加速M(fèi)DEA的降解，加劇對設(shè)備的腐蝕，再生塔塔底溫度宜控制在115～125℃。

3.2.2 溶液濃度

在脫碳系統(tǒng)中，MDEA溶液的濃度控制在48%～52%，濃度過高時(shí)補(bǔ)充脫鹽水，濃度過低時(shí)則向系統(tǒng)加入MDEA和活化劑。

3.2.3 發(fā)泡現(xiàn)象的處理及預(yù)防

生產(chǎn)中，吸收單元易出現(xiàn)MDEA溶液發(fā)泡現(xiàn)象，據(jù)經(jīng)驗(yàn)，MDEA溶液發(fā)泡原因主要有二：一是溶液中混入了某些有機(jī)雜質(zhì)；二是溶液中的某些物質(zhì)增強(qiáng)了氣泡的穩(wěn)定性。而雜質(zhì)來源主要是：①原料氣帶入的重質(zhì)烴、油類物、鐵銹，以及化學(xué)藥品和脫鹽水帶入的雜質(zhì)；②設(shè)備的腐蝕產(chǎn)物；③溶液中某些組分的降解產(chǎn)物；④泵、溶液槽等引進(jìn)的雜物。

一旦發(fā)現(xiàn)MDEA溶液發(fā)泡，除立即加入消泡劑外，還應(yīng)采取如下減輕溶液發(fā)泡的措施：①按操作要求，控制MDEA 濃度不低于45%，MDEA溶液溫度不能過低，以減少起泡高度及消泡時(shí)間；②控制吸收塔內(nèi)氣速平穩(wěn)，吸收塔內(nèi)壓力不能猛升猛降；③ 保證再生效果，使MDEA溶液盡量再生完全；④增設(shè)原料過濾器；⑤控制貧液入吸收塔的溫度高于原料氣溫度4～7℃，以防重質(zhì)烴冷凝；⑥保證脫鹽水水質(zhì)，避免化學(xué)藥品帶入雜質(zhì)；⑦采取良好的防腐措施，防止腐蝕產(chǎn)物引起的發(fā)泡。

3.3 原料氣壓縮系統(tǒng)入口管道振動(dòng)嚴(yán)重

來自界區(qū)外的合成氣經(jīng)原料氣進(jìn)氣緩沖罐除去雜質(zhì)、水分后進(jìn)入原料氣壓縮機(jī)，壓縮后的氣體去后系統(tǒng)。為保證原料氣壓縮機(jī)入口壓力在2.0～2.35MPa，3臺(tái)原料氣壓縮機(jī)出口總管上引1根回流管接至壓縮機(jī)入口管道，通過此回流管上的1臺(tái)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)入口壓力；因回流氣體直接進(jìn)入原料氣壓縮機(jī)入口管道，而3臺(tái)原料氣壓縮機(jī)距離回流管線的遠(yuǎn)近不同，造成原料氣壓縮機(jī)入口氣流不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致入口管道振動(dòng)嚴(yán)重，而管道內(nèi)氣體為CH4，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)給系統(tǒng)的運(yùn)行帶來重大影響（安全隱患）。

經(jīng)分析與研究，采取如下方法減輕原料氣壓縮機(jī)入口管道振動(dòng)：①將回流調(diào)節(jié)閥后管線由原來的DN150增至DN250；②在回流調(diào)節(jié)閥后增設(shè)1根回流管線，直接與原料氣進(jìn)氣緩沖罐入口管道相連，原回流管線手閥留少量開度，打開新增回流管線手閥，使回流氣體經(jīng)進(jìn)氣緩沖罐緩沖后再進(jìn)入原料氣壓縮機(jī)入口。上述技改實(shí)施后，原料氣壓縮機(jī)入口管線振動(dòng)減輕，保證了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 富甲烷氣中含油量超標(biāo)致?lián)Q熱器堵塞

凈化車間富甲烷氣壓縮機(jī)送來的富甲烷氣應(yīng)為干凈、無油的潔凈氣體，實(shí)際生產(chǎn)中，因富甲烷氣壓縮機(jī)為含油潤滑活塞式壓縮機(jī)，壓縮后的氣體含油量較高（18mg／m3左右），含油富甲烷氣進(jìn)入冷箱降溫后易使板翅式換熱器通道堵塞，導(dǎo)致天然氣液化裝置不得不停車對其加熱吹除。后經(jīng)咨詢，在進(jìn)液化界區(qū)前增設(shè)了1套除油設(shè)施后，富甲烷氣中的含油量降至5mg／m3以下。

3.5 原料氣壓縮機(jī)存在“大馬拉小車”的問題

原料氣壓縮系統(tǒng)有3臺(tái)同型號的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，兩開一備，單機(jī)打氣量為21046m3／h，而天然氣液化裝置最大液化量約32000m3／h，存在“大馬拉小車”問題，導(dǎo)致原料氣壓縮機(jī)運(yùn)行效率較低，單機(jī)日耗電20500kW·h。后經(jīng)寶雞市博磊化工機(jī)械有限公司對其中的2臺(tái)原料氣壓縮機(jī)進(jìn)行改造——更換全套的氣缸組件、活塞組件、填料組件、吸排氣閥組件，單臺(tái)壓縮機(jī)打氣量減至約18000m3／h，單機(jī)日耗電降至17500kW·h，單機(jī)日耗電減少3000kW·h，節(jié)能效果明顯。

4 結(jié)束語

合成氨聯(lián)產(chǎn)750km3／d天然氣液化裝置是晉煤天慶5×108m3／a工業(yè)燃?xì)饧几捻?xiàng)目中重要的組成部分，自開車以來經(jīng)歷不斷的技改后，目前整套裝置運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，日產(chǎn)LNG最高達(dá)520t。同時(shí)，聯(lián)產(chǎn)裝置的產(chǎn)能在一定范圍內(nèi)可調(diào)：當(dāng)合成氨-尿素裝置產(chǎn)能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素時(shí)，天然氣產(chǎn)能為2.6×108m3／a；當(dāng)合成氨-尿素裝置產(chǎn)能為240kt／a合成氨、400kt／a尿素時(shí)，天然氣產(chǎn)能為3×108m3／a。工業(yè)燃?xì)饧几捻?xiàng)目（改產(chǎn)LNG）優(yōu)化了晉煤天慶的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升了企業(yè)的經(jīng)營效益，并促進(jìn)了華中地區(qū)天然氣供應(yīng)的合理、有序發(fā)展。