深冷分離裝置進(jìn)口甲烷含量高的后果及處理措施

趙旭升

（潞安化工集團(tuán)壽陽(yáng)化工有限責(zé)任公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

潞安化工集團(tuán)壽陽(yáng)化工有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱壽陽(yáng)化工，下同）以煤為原料制粗煤氣，經(jīng)過(guò)低溫甲醇洗、深冷分離、變壓吸附凈化提純后的H2和CO 作為合成乙二醇的原料。

乙二醇合成工藝要求氫氣和一氧化碳體積比為1∶2，因此部分煤氣經(jīng)過(guò)變換裝置提高原料氣中的氫氣含量，部分煤氣直接送至下游裝置。通過(guò)調(diào)整變換氣氣量實(shí)現(xiàn)氫氣和一氧化碳比例調(diào)節(jié)。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)分離一氧化碳的工藝主要有4 種，包括深冷分離、溶液分離、變壓吸附和膜分離[1]。由于未變換氣氣量大且一氧化碳含量相對(duì)較低，壽陽(yáng)化工采用杭州杭氧股份有限公司自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首套無(wú)膨脹機(jī)深冷分離技術(shù)。深冷分離又稱低溫精餾，在冷箱內(nèi)將原料氣逐步換熱降溫至-181℃～185 ℃液化后，利用原料氣中氫氣、氮?dú)?、一氧化碳、甲烷等組分揮發(fā)度不同的特性實(shí)現(xiàn)精餾分離，脫除工藝氣中的氫氣、氮?dú)馀c甲烷最終得到含量99%以上高純度的一氧化碳產(chǎn)品氣。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

自低溫甲醇洗的未變換凈化氣經(jīng)分子篩吸附凈化脫除凈化氣中的微量硫化氫、甲醇和二氧化碳等雜質(zhì)，吸附后的凈化氣送至冷箱內(nèi)，此為原料氣1。工藝氣換熱降溫至-181℃進(jìn)入閃蒸罐，閃蒸分離出富含氫氣的工藝氣送至變壓吸附裝置；液相進(jìn)入脫氮塔，富含氮?dú)獾臍庀嗨椭粱鹁婀芫W(wǎng)；液相送至脫甲烷塔，塔底液相富含甲烷送至燃料氣管網(wǎng)，塔頂采出高純度一氧化碳?xì)馑屯鶋嚎s機(jī)，增壓后送至合成工序；自低溫甲醇洗的變換凈化氣送至變壓吸附與富氫氣混合后吸附提氫，產(chǎn)生的解析氣送至壓縮機(jī)，增壓后送至冷箱進(jìn)口，此為原料氣2。

2 原料氣組分

冷箱進(jìn)口原料氣1 為變換原料氣經(jīng)低溫甲醇洗凈化后工藝氣，原料氣2 為變壓吸附解析氣，設(shè)計(jì)組分見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)冷箱進(jìn)口原料氣組分

設(shè)計(jì)原料氣1 與原料氣2 混合后甲烷體積分?jǐn)?shù)小于800×10-6，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2 000×10-6～4 000×10-6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)要求。

3 甲烷富集后果分析

3.1 CO 產(chǎn)品氣中甲烷含量超標(biāo)

甲烷氣在乙二醇合成中為惰性氣體不參與反應(yīng)，一氧化碳產(chǎn)品氣中甲烷含量超標(biāo)會(huì)導(dǎo)致合成裝置馳放氣增大，馳放氣中含有較多的一氧化碳，造成合成裝置單耗升高，生產(chǎn)成本增加[2]。

冷箱進(jìn)口甲烷體積分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)800×10-6，實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)口工藝氣甲烷體積分?jǐn)?shù)2 000×10-6～4 000×10-6，由于工藝氣中甲烷含量過(guò)高，脫甲烷塔不能完全分離出甲烷，一氧化碳產(chǎn)品氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)低于100×10-6，實(shí)際運(yùn)行中達(dá)到1 000×10-6以上。嘗試增加塔頂回流降低塔頂重組分，但是由于脫甲烷塔再沸熱源是工藝氣，溫度和流量調(diào)節(jié)余量較小，增大回流后原料氣換熱器溫度波動(dòng)，脫甲烷塔內(nèi)液位迅速上漲。

3.2 粗甲烷管線堵塞

為降低產(chǎn)品氣中甲烷含量，脫甲烷塔底部粗甲烷調(diào)節(jié)閥長(zhǎng)期處于全開(kāi)狀態(tài)，塔底重組分含量降低，粗甲烷出塔溫度達(dá)到-186 ℃以下，且出口調(diào)節(jié)閥設(shè)置在冷箱內(nèi)部，粗甲烷經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后溫度進(jìn)一步降低。2016 年12 月3 日，冷箱正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)粗甲烷流量持續(xù)降低的現(xiàn)象，判斷為粗甲烷出口調(diào)節(jié)閥后堵塞。

3.3 制約生產(chǎn)負(fù)荷

冷箱進(jìn)口甲烷含量高意味著氣化氧煤比低，粗煤氣中有效氣組分較高，但是如果甲烷不能在深冷分離完全脫除，會(huì)導(dǎo)致一氧化碳產(chǎn)品氣中甲烷含量升高，合成工序馳放氣增大，增加了生產(chǎn)成本。若不能有效提高脫甲烷效率將嚴(yán)重制約裝置生產(chǎn)負(fù)荷和生產(chǎn)成本。

4 處理措施

4.1 提高脫甲烷塔負(fù)荷

將甲烷完全脫除的方法只有提高脫甲烷塔運(yùn)行負(fù)荷，脫甲烷塔進(jìn)口、出口、回流均有一定的操作余量，存在的主要問(wèn)題是再沸器熱量不足。冷箱內(nèi)共有3 臺(tái)精餾塔分別是汽提塔、脫氮塔和脫甲烷塔，再沸器熱量都是由工藝氣提供，通過(guò)分析目前各精餾塔運(yùn)行狀態(tài)，重新分配再沸熱量。汽提塔用于脫除氫氣，而脫氮塔也具備脫除氫氣的需求，將汽提塔部分再沸熱量送至脫甲烷塔，汽提塔負(fù)荷降低導(dǎo)致塔底液相殘留部分氫氣再通過(guò)脫氮塔進(jìn)一步脫除。

將冷箱內(nèi)第一換熱器出口部分-141℃工藝氣送至脫甲烷塔再沸器，通過(guò)調(diào)整去再沸器工藝氣溫度和流量調(diào)節(jié)脫甲烷塔加熱負(fù)荷。再沸熱量滿足后繼續(xù)增大脫甲烷塔回流量，將設(shè)計(jì)回流量5 000 m3/h 提高至5 600 m3/h。調(diào)整后塔頂CO 產(chǎn)品氣中甲烷含量降低至10×10-6以下。同時(shí)，CO 產(chǎn)品氣流量突破了設(shè)計(jì)值25 000 m3/h，最高可達(dá)到30 000 m3/h。

為提高粗甲烷中甲烷含量，降低一氧化碳排放量，又將脫甲烷塔操作壓力提高至0.2 MPa，粗甲烷中甲烷體積分?jǐn)?shù)由16%上升至40%，粗甲烷排放量大幅降低。

4.2 優(yōu)化粗甲烷排放操作方式

為防止粗甲烷管線堵塞，冷箱內(nèi)粗甲烷排放調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，通過(guò)冷箱外部新增調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，避免粗甲烷在冷箱內(nèi)節(jié)流降溫。同時(shí)，嚴(yán)格控制脫甲烷塔底操作溫度，再沸器改造完成后粗甲烷排放量大幅降低，嚴(yán)格控制脫甲烷塔低溫度-180.5 ℃以上，既能保障粗甲烷管線不會(huì)堵塞，同時(shí)也能夠降低一氧化碳排放量。

4.3 粗甲烷管線堵塞后處理

粗甲烷管線堵塞后，打開(kāi)塔底調(diào)節(jié)閥前后導(dǎo)淋發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)淋有低溫液體排出，后導(dǎo)淋堵塞。關(guān)閉粗甲烷管線冷箱出口手閥，將常溫氮?dú)鈴恼{(diào)節(jié)閥前導(dǎo)淋通入，送至脫甲烷塔內(nèi)；打開(kāi)冷箱外粗甲烷管線加溫吹除閥門，將常溫氮?dú)馑椭晾湎鋬?nèi)。冷箱內(nèi)粗甲烷管線溫度升高至-179 ℃時(shí)管線恢復(fù)正常。

需要注意的是，粗甲烷管線堵塞后冷箱需停車處理，管線堵塞后原料氣換熱器內(nèi)各物料仍然正常流動(dòng)，粗甲烷管線堵塞會(huì)造成換熱器內(nèi)溫差逐漸升高，受材質(zhì)限制換熱器內(nèi)溫差小于30 ℃。且堵塞管線處理期間需通入常溫氮?dú)?，通入氣體流量需根據(jù)冷箱內(nèi)溫度嚴(yán)格控制防止換熱器內(nèi)溫差過(guò)大損壞設(shè)備。

5 結(jié)語(yǔ)

作為國(guó)內(nèi)首套無(wú)膨脹機(jī)深冷分離裝置，在實(shí)際運(yùn)行中遇到了許多不可預(yù)見(jiàn)性問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化工藝指標(biāo)和操作方法，能夠有效提升裝置生產(chǎn)負(fù)荷?？偨Y(jié)壽陽(yáng)化工深冷分離運(yùn)行期間的問(wèn)題和處置措施，希望給國(guó)內(nèi)同類裝置提供借鑒。