CO深冷分離系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行中冷箱工況波動(dòng)原因分析及優(yōu)化調(diào)整

武紅旗

（河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

0 引 言

河南龍宇煤化工有限公司（簡(jiǎn)稱龍宇煤化）二期項(xiàng)目包括400kt/a醋酸裝置、200kt/a乙二醇裝置及其配套工程，項(xiàng)目以煤為原料，配套2臺(tái)五環(huán)爐生產(chǎn)粗煤氣，粗煤氣經(jīng)變換系統(tǒng)調(diào)整氫碳比，之后進(jìn)入低溫甲醇洗系統(tǒng)脫除變換氣中的H2S和CO2，得到的凈化氣進(jìn)入CO深冷分離系統(tǒng)冷箱進(jìn)行氣體分離，產(chǎn)出合格的CO和H2供下游醋酸裝置和乙二醇裝置使用。其中，CO深冷分離系統(tǒng)采用法液空公司的技術(shù)，利用不同液化氣體沸點(diǎn)的差異，通過物理降溫精餾的方式使各組分得以分離；CO深冷分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)CO產(chǎn)能54440m3/h，系統(tǒng)操作彈性50% ～110%。2016年深冷分離系統(tǒng)正常開車，系統(tǒng)負(fù)荷一直維持在80%左右，由于運(yùn)行前期裝置負(fù)荷較低，深冷分離系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，2020年隨著新建乙二醇裝置的投運(yùn)，深冷分離系統(tǒng)需要高負(fù)荷運(yùn)行以滿足后系統(tǒng)的用氣需求，系統(tǒng)負(fù)荷達(dá)到110%，運(yùn)行中出現(xiàn)了一系列問題，通過采取相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整措施，CO深冷分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 CO深冷分離系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)述

低溫甲醇洗系統(tǒng)來的凈化氣，首先進(jìn)入CO深冷分離系統(tǒng)前端凈化單元分子篩，脫除凈化氣中微量的甲醇和CO2等雜質(zhì)（以免這些雜質(zhì)在深冷設(shè)備中結(jié)冰形成凍堵）后進(jìn)入換熱器，復(fù)熱后的凈化氣進(jìn)入冷箱，經(jīng)原料氣冷卻器（E031）和原料氣冷凝器（E032）換熱后進(jìn)入高壓合成氣分離器（V031），氣液在V031中進(jìn)行分離：分離出的氣相經(jīng)換熱后出冷箱，作為富氫氣去變壓吸附系統(tǒng)提純H2；分離出的液相經(jīng)節(jié)流閥膨脹后進(jìn)入中壓解吸氣緩沖罐（V033），在V033中，大部分的H2和部分CO減壓閃蒸分離出來，閃蒸氣換熱后回收利用，出V033的液相則分為兩股，一股直接進(jìn)入精餾塔（C031）中部作為進(jìn)料進(jìn)行氣體分離，另一股進(jìn)入精餾塔塔底再沸器（E038）作為熱源，之后通過CO流量控制閥（FV315）調(diào)節(jié)并換熱后去往C031中部。

精餾塔（C031）底部的純CO輸送至塔頂CO儲(chǔ)罐（V309），從V309出來的CO經(jīng)原料氣冷凝器（E032）和原料氣冷卻器（E031）換熱后作為CO產(chǎn)品氣進(jìn)入CO壓縮機(jī)。V309中的液體CO通過精餾塔頂冷凝器（E039）對(duì)塔頂氣進(jìn)行冷凝，塔頂氣冷凝后，一部分作為回流液返回C031，一部分作為尾氣經(jīng)換熱后出冷箱外排。

進(jìn)入CO壓縮機(jī)的CO產(chǎn)品氣溫度為30℃、壓力為0.05MPa，壓縮后的氣體溫度為30℃、壓力為0.85MPa，出CO壓縮機(jī)的CO氣作為循環(huán)氣返回冷箱，循環(huán)氣經(jīng)原料氣冷卻器（E031）換熱后分成三股：一股通過中壓CO冷凝器（E034）冷凝后進(jìn)入精餾塔塔頂 CO 儲(chǔ)罐（V309），為精餾塔塔頂氣冷凝提供冷量；一股通過原料氣冷凝器（E032）換熱后進(jìn)入精餾塔（C031）底部，為C031塔底再沸器提供熱量；一股通過原料氣冷凝器（E032）換熱后進(jìn)入CO儲(chǔ)罐（V309），以平衡系統(tǒng)冷量。

CO深冷分離系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 CO深冷分離系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

2 深冷分離系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問題

隨著龍宇煤化2020年新建乙二醇裝置的投運(yùn)，深冷分離系統(tǒng)運(yùn)行中多次出現(xiàn)冷箱工況大幅波動(dòng)，系統(tǒng)波動(dòng)時(shí)精餾塔壓力從正常時(shí)的0.34 MPa最高上漲至0.60MPa，精餾塔出口排放的尾氣量激增，放空閥全開也無法維持正常壓力，造成精餾塔塔壓快速上漲，然后又快速下降，短時(shí)間、高頻次地來回震蕩造成精餾塔的壓力大幅波動(dòng)，塔壓的波動(dòng)又造成塔頂CO儲(chǔ)罐（V309）液位不穩(wěn)定，影響外送CO氣的壓力，進(jìn)而影響進(jìn)入冷箱循環(huán)氣的壓力，進(jìn)一步造成冷箱系統(tǒng)工況紊亂，當(dāng)冷箱工況出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，后系統(tǒng)不得不降負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至造成后系統(tǒng)停車，給整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行帶來很大的影響，并造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

3 原因分析及優(yōu)化調(diào)整措施

3.1 凈化氣中N2含量的影響

3.1.1 原因分析

進(jìn)冷箱凈化氣N2含量設(shè)計(jì)值為1.96%，實(shí)際運(yùn)行中會(huì)根據(jù)工況的變化進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。龍宇煤化二期項(xiàng)目氣化系統(tǒng)配套2臺(tái)五環(huán)爐，為400kt/a醋酸裝置和200kt/a乙二醇裝置提供氣源；龍宇煤化一期項(xiàng)目氣化系統(tǒng)配套1臺(tái)殼牌氣化爐，為500kt/a甲醇裝置提供氣源。為增加整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，龍宇煤化一、二期項(xiàng)目氣化系統(tǒng)互聯(lián)互通（即粗煤氣可以相互聯(lián)通）。二期項(xiàng)目五環(huán)爐產(chǎn)出的粗煤氣經(jīng)處理后得到的凈化氣中N2含量約1.3%，一期項(xiàng)目產(chǎn)出的粗煤氣經(jīng)處理后得到的凈化氣中N2含量約2.5%；正常運(yùn)行過程中，二期400 kt/a醋酸裝置和200kt/a乙二醇裝置采用五環(huán)爐供氣，當(dāng)五環(huán)爐單爐運(yùn)行或供氣量不足時(shí)，一期殼牌氣化爐往二期裝置倒氣，凈化氣中的N2含量會(huì)隨著倒氣量的增加而增大。

另外，在二期項(xiàng)目氣化爐（五環(huán)爐）燒嘴跳車時(shí)，會(huì)對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)入氮?dú)猓矔?huì)造成系統(tǒng)的N2含量瞬時(shí)增加：當(dāng)CO深冷分離系統(tǒng)冷箱低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于增加的氮?dú)饪偭科?，系統(tǒng)操作彈性大，CO深冷分離系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定；但當(dāng)冷箱高負(fù)荷（110%）運(yùn)行而前系統(tǒng)氣體組分中N2含量超出設(shè)計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)操作調(diào)節(jié)彈性小，產(chǎn)生的解吸氣總量超出系統(tǒng)的排放能力，就會(huì)造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)，最終造成CO深冷分離系統(tǒng)工況紊亂。

3.1.2 優(yōu)化調(diào)整措施

（1）控制前系統(tǒng)氣體組分中的N2含量，盡量保證凈化氣中的N2含量在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，當(dāng)前系統(tǒng)氣體組分中的N2含量超出設(shè)計(jì)值時(shí)，CO深冷分離系統(tǒng)最好采取降負(fù)荷的措施，以保持系統(tǒng)工況的穩(wěn)定。

（2）控制精餾塔（C031）底部熱源的穩(wěn)定，控制閥（FV319和FV315）不能進(jìn)行大幅度地開關(guān)調(diào)節(jié)，開度調(diào)節(jié)要平穩(wěn)；當(dāng)凈化氣中的N2含量高時(shí)，控制適宜的放空閥開度，既要保證精餾塔尾氣的外排量，又要防止尾氣外排量激增，以免造成C031工況波動(dòng)。

3.2 精餾塔工況的影響

3.2.1 原因分析

精餾塔頂部CO儲(chǔ)罐（V309）內(nèi)的液體CO通過精餾塔頂冷凝器（E039）對(duì)塔頂氣進(jìn)行冷凝，通過控制V309的液位來控制精餾塔的回流量。前期CO深冷分離系統(tǒng)冷箱負(fù)荷低，V309的液位控制較低，精餾塔的回流量小，有利于提高CO的純度；后期CO深冷分離系統(tǒng)冷箱負(fù)荷提升后，若V309的液位未及時(shí)調(diào)整，就會(huì)造成精餾塔負(fù)荷、精餾塔塔底加熱量、精餾塔塔頂回流量三者之間不匹配，精餾塔回流量過小、解吸氣放空量大增，當(dāng)放空量超過設(shè)計(jì)排放量時(shí)，精餾塔壓力就無法控制，造成CO深冷分離系統(tǒng)冷箱工況的波動(dòng)，加之CO深冷分離系統(tǒng)精餾塔未設(shè)計(jì)溫度和壓力測(cè)點(diǎn)，這就給精餾塔的操作帶來了很大困難（經(jīng)交流，法液空后來設(shè)計(jì)的精餾塔都帶有溫度和壓差測(cè)點(diǎn)）——當(dāng)精餾塔工況發(fā)生變化時(shí)（如精餾塔塔底加熱量偏大或精餾塔塔頂回流量偏?。荒茏龅郊皶r(shí)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，都會(huì)造成精餾塔工況波動(dòng)，進(jìn)一步造成冷箱系統(tǒng)工況紊亂。

3.2.2 優(yōu)化調(diào)整措施

（1）生產(chǎn)中，當(dāng)冷箱在80%及以下負(fù)荷時(shí)，精餾塔頂部CO儲(chǔ)罐（V309）的液位基本控制在約35%；當(dāng)冷箱負(fù)荷提高至110%時(shí)，在增加精餾塔塔底熱量的同時(shí)提高V309的液位——控制V309液位在45%左右，加大精餾塔的回流量，使精餾塔負(fù)荷、精餾塔塔底加熱量、精餾塔塔頂回流量三者匹配。V309液位調(diào)整前后解吸氣組分（亦即放空尾氣組分）的對(duì)比見表1。可以看出，提高V309液位后，放空尾氣中的CO含量降低、N2含量增加，放空尾氣組分接近設(shè)計(jì)值，增大了精餾塔的操作彈性，有利于CO深冷分離系統(tǒng)工況的穩(wěn)定。因此，生產(chǎn)中解吸氣組分（亦即放空尾氣組分）可以作為精餾塔工況調(diào)整的重要參考。

表1 V309液位調(diào)整前后放空尾氣組分對(duì)比%

（2）利用精餾塔設(shè)計(jì)預(yù)留口，增加精餾塔遠(yuǎn)傳壓力表，通過DCS組態(tài)增加精餾塔壓差值作為精餾塔工況調(diào)整的參考，以便對(duì)精餾塔工況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保精餾塔工況與冷箱負(fù)荷匹配。

3.3 尾氣中氫含量的影響

3.3.1 原因分析

由表1可以看出，V309液位調(diào)整后放空尾氣組分有了明顯改善，但尾氣中的H2含量仍較設(shè)計(jì)值偏高，分析認(rèn)為主要原因是低溫甲醇洗系統(tǒng)來的凈化氣氫碳比較設(shè)計(jì)值偏高——由于凈化氣的氫碳比偏高，進(jìn)入中壓解吸氣緩沖罐（V033）液相中的H2含量偏高，經(jīng)閃蒸后V033液相中的H2進(jìn)入精餾塔，最終進(jìn)入精餾塔的放空尾氣中，放空尾氣量的增加減小了精餾塔的操作彈性，高負(fù)荷時(shí)易造成精餾塔壓力波動(dòng)。

3.3.2 優(yōu)化調(diào)整措施

據(jù)CO深冷分離系統(tǒng)的工況，2020年10月對(duì)中壓解吸氣緩沖罐（V033）的設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行了調(diào)整——從0.675MPa調(diào)整到0.670MPa。調(diào)整后，精餾塔放空尾氣中的H2含量有所降低，有利于冷箱高負(fù)荷下精餾塔的穩(wěn)定運(yùn)行。下一步還將對(duì)低溫甲醇洗系統(tǒng)來凈化氣的氫碳比進(jìn)行調(diào)整——降低凈化氣中的H2含量，盡量保證凈化氣的氫碳比與設(shè)計(jì)值一致，以降低精餾塔放空尾氣中的H2含量。

3.4 精餾塔底部流量控制閥（FV315）的影響

3.4.1 原因分析

生產(chǎn)中，進(jìn)入精餾塔塔底再沸器（E038）的CO流量控制閥（FV315）為蝶閥，操作中有卡澀現(xiàn)象，推斷是FV315的保冷效果差；另外，精餾塔操作中，多次出現(xiàn)FV315開關(guān)操作而工況無變化的情況，以及當(dāng)FV315開關(guān)到某個(gè)閥位時(shí)閥門開始大幅動(dòng)作的情況（由于前期開關(guān)FV315工況無變化，因而進(jìn)行過多次開關(guān)FV315的操作），由于FV315控制精餾塔底部熱源，閥門的大幅動(dòng)作直接影響精餾塔的工況，造成工況出現(xiàn)大幅波動(dòng)的情況；而由于生產(chǎn)負(fù)荷高，冷箱系統(tǒng)操作彈性較小，F(xiàn)V315的小幅度變化都可能引起精餾塔工況的大幅波動(dòng)。

3.4.2 優(yōu)化調(diào)整措施

（1）在調(diào)節(jié)精餾塔塔底再沸器CO流量控制閥（FV315）時(shí)，幅度不能太大，開關(guān)閥門后要觀察工況的變化，尤其是在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，提前預(yù)判可能出現(xiàn)的工況變化，小幅度進(jìn)行調(diào)整。

（2）打開冷箱外CO流量控制閥（FV315）的保冷箱，對(duì)閥門周邊進(jìn)行保冷，減少由于跑冷造成的閥門卡澀。

3.5 循環(huán)氣壓力的影響

3.5.1 原因分析

來自CO壓縮機(jī)的循環(huán)氣壓力為0.85MPa，經(jīng)控制閥（FV319）進(jìn)入精餾塔（C031）底部作為加熱氣。2020年初，CO壓縮機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)出現(xiàn)故障——調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)卡澀，造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，CO壓縮機(jī)出口循環(huán)氣壓力波動(dòng)大（正常波動(dòng)范圍在20kPa左右），導(dǎo)致進(jìn)入冷箱的循環(huán)氣流量波動(dòng)，影響C031底部的熱負(fù)荷，高負(fù)荷下更是造成冷箱工況波動(dòng)。

3.5.2 優(yōu)化調(diào)整措施

（1）調(diào)整CO壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，盡量保證其出口循環(huán)氣壓力穩(wěn)定，進(jìn)而保證進(jìn)入冷箱的循環(huán)氣壓力穩(wěn)定，確保精餾塔底部熱量供應(yīng)穩(wěn)定。

（2）利用檢修機(jī)會(huì)對(duì)CO壓縮機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行檢修，以徹底解決CO壓縮機(jī)組運(yùn)行狀況不良導(dǎo)致的循環(huán)氣壓力波動(dòng)，避免對(duì)CO深冷分離系統(tǒng)精餾塔工況的影響。

3.6 冷箱系統(tǒng)換熱效果的影響

3.6.1 原因分析

冷箱內(nèi)原料氣冷卻器（E031）和原料氣冷凝器（E032）的設(shè)計(jì)壓差為50kPa。2019年9月更換了前端凈化單元分子篩吸附劑，2019年10月裝置開車運(yùn)行，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，E031與E032的壓差逐漸增大，2020年10月系統(tǒng)負(fù)荷在80%左右時(shí)，E031與E032的壓差在85kPa左右；2020年11月份開始系統(tǒng)負(fù)荷提升至110%，E031與E032的壓差漲至105kPa左右，而此時(shí)分子篩出口指標(biāo)在正常范圍內(nèi)，即分子篩出口無（甲醇和CO2等雜質(zhì)）穿透現(xiàn)象。分析認(rèn)為，雖然前端凈化單元分子篩無穿透現(xiàn)象，但隨著系統(tǒng)的長(zhǎng)周期、高負(fù)荷運(yùn)行，微量的CO2和甲醇仍然會(huì)逐漸累積在換熱器表面［液態(tài)CO熱虹吸罐（V032）底部的微量CO2在線分析儀有數(shù)值顯示，可以佐證CO2在系統(tǒng)中有累積這一判斷］，使換熱器的壓差逐漸增大，當(dāng)E031與E032的壓差增大至一定程度時(shí)，冷箱內(nèi)換熱器的換熱效果受到明顯影響，進(jìn)而導(dǎo)致CO深冷分離系統(tǒng)冷箱工況紊亂。

3.6.2 優(yōu)化調(diào)整措施

（1）盡量保持前系統(tǒng)工況的穩(wěn)定，避免工況的大幅波動(dòng)造成分子篩瞬時(shí)穿透。

（2）盡量控制進(jìn)入冷箱凈化氣組分在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，并穩(wěn)定系統(tǒng)負(fù)荷，減小系統(tǒng)波動(dòng)。

（3）據(jù)冷箱工況的變化，及時(shí)調(diào)整冷箱系統(tǒng)設(shè)備的液位，盡量保持穩(wěn)定，通過液態(tài)CO熱虹吸罐 （V032）外排一部分液態(tài)產(chǎn)品，防止CO2在系統(tǒng)內(nèi)的累積。

（4）利用停車檢修機(jī)會(huì)對(duì)冷箱進(jìn)行復(fù)溫，徹底解決冷箱內(nèi)換熱器換熱效果差的問題。

4 結(jié)束語

龍宇煤化針對(duì)2020年以來二期項(xiàng)目CO深冷分離系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行中出現(xiàn)的問題——冷箱系統(tǒng)工況紊亂，從多方面進(jìn)行原因分析，找到了造成冷箱工況波動(dòng)的原因，并采取了相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整措施。經(jīng)過一系列的優(yōu)化調(diào)整，自2021年以來，CO深冷分離系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行中再未出現(xiàn)冷箱工況波動(dòng)的情況，問題基本得到解決，為下一步CO深冷分離系統(tǒng)高負(fù)荷下的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行積累了操作經(jīng)驗(yàn)并奠定了基礎(chǔ)。