化肥裝置運(yùn)行過(guò)程中部分故障分析及處理措施

周紀(jì)寶

（中國(guó)石油寧夏石化公司，寧夏銀川 750026）

寧夏石化公司年產(chǎn)45×104t 合成氨及80×104t 尿素國(guó)產(chǎn)化成套技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目由中國(guó)石油寰球工程公司和寧夏石化公司共同承擔(dān)，經(jīng)過(guò)不懈努力，在技術(shù)和設(shè)備上突破重大關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，先后開(kāi)發(fā)完成合成氨工藝包和尿素工藝包，形成了中國(guó)石油擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的化肥生產(chǎn)工藝，并采用此工藝包在寧夏石化建成了一套工業(yè)化裝置。2018 年4 月26 日國(guó)產(chǎn)化大化肥裝置合成氨裝置投料成功,5 月9 日尿素裝置投料成功，打通全流程并生產(chǎn)出小顆粒尿素。此次試車(chē)，實(shí)現(xiàn)了零傷亡、零事故，一次投料試車(chē)成功的目標(biāo)[1]。

1 工藝介紹

合成氨裝置是寰球工程公司在消化、吸收引進(jìn)裝置技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合寧夏石化公司的生產(chǎn)運(yùn)行和操作經(jīng)驗(yàn)，自主開(kāi)發(fā)的工藝技術(shù)。合成氨裝置以天然氣為原料，轉(zhuǎn)化部分采用一、二段蒸汽轉(zhuǎn)化，變換部分采用高溫變換和低溫變換，脫碳部分采用MDEA 脫碳技術(shù)，氨合成部分采用三床軸徑向復(fù)合床間接換熱式合成塔，氨合成壓力為15.5 MPa，冷凍系統(tǒng)為兩級(jí)氨冷，并設(shè)有氨和氫回收裝置。尿素裝置采用的是自主的CO2汽提工藝，由高壓圈、低壓分解回收與真空預(yù)濃縮、蒸發(fā)、造粒、工藝?yán)淠禾幚淼裙ば蚪M成。造粒塔頂部設(shè)置粉塵回收裝置，使粉塵排放達(dá)到環(huán)保要求。

2 運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的部分問(wèn)題以及解決措施

此合成氨、尿素裝置歷經(jīng)2018 年、2019 年、2020年三年運(yùn)行，裝置總體平穩(wěn)受控，并于2019 年10 月通過(guò)第三方廣州杰西卡石化技術(shù)有限公司的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)驗(yàn)收標(biāo)定。三年來(lái)，公司根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的隱患和瓶頸進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和優(yōu)化調(diào)整，確保裝置能夠“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿(mǎn)、優(yōu)”運(yùn)行。以下就問(wèn)題和處理措施一一闡述。

2.1 合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐燃燒狀況差，火焰舔舐轉(zhuǎn)化管

一段爐負(fù)荷在80%以下運(yùn)行時(shí)燒嘴燃燒狀況較差，特別是第二、第六排燒嘴火焰向爐膛中間傾斜，舔舐?tīng)t管，造成部分轉(zhuǎn)化管顏色偏亮，同時(shí)整個(gè)爐膛熱量下移。

原因分析：（1）燒嘴設(shè)計(jì)較大；（2）燃料氣組分發(fā)生變化；（3）燃燒天然氣時(shí)背壓較低。

解決措施：（1）將每個(gè)燒嘴前的截止閥和考克閥全開(kāi)，使得燒嘴背壓與每排燃料氣管線(xiàn)壓力一致；（2）改變操作方式，縮短開(kāi)車(chē)時(shí)間，根據(jù)開(kāi)車(chē)進(jìn)度將甲烷化出口工藝氣盡快投入燃料氣系統(tǒng)，改善燒嘴燃燒狀況；（3）當(dāng)氫回收裝置開(kāi)車(chē)正常后，氫回收尾氣替換甲烷化出口工藝氣，加入一段爐燃料氣系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)以上操作調(diào)整后轉(zhuǎn)化管顏色由亮轉(zhuǎn)為暗，爐膛熱量分布均勻。

2.2 蒸汽緊缺，蒸汽管網(wǎng)平衡困難

原因分析：（1）高壓轉(zhuǎn)中壓蒸汽減壓閥經(jīng)常喘或卡澀，閥門(mén)15%以下不動(dòng)作，為防止閥門(mén)突然關(guān)閉造成蒸汽管網(wǎng)缺汽，中壓蒸汽放空閥保持一定開(kāi)度；（2）水碳比控制較高；（3）壓縮機(jī)防喘振閥門(mén)開(kāi)度較大。

解決措施：（1）將高壓蒸汽減壓閥列入檢修，依托煉油廠(chǎng)將煉油富余的低壓蒸汽引入化肥裝置低壓管網(wǎng)；（2）將煉油3.5 MPa 蒸汽引入尿素次中壓蒸汽管網(wǎng)，降低尿素裝置使用合成管網(wǎng)的蒸汽量，保證系統(tǒng)有抗干擾能力。

2.3 噸氨天然氣消耗高于設(shè)計(jì)性能考核指標(biāo)

原因分析：（1）蒸汽管網(wǎng)有待優(yōu)化，蒸汽減壓閥內(nèi)漏、卡澀、有開(kāi)度；（2）為了增加裝置的安全性，將一段爐水碳比控制較高；（3）一段爐煙氣中過(guò)?？諝饬枯^高；（4）裝置正常運(yùn)行時(shí)高、中壓蒸汽管網(wǎng)存在放空；（5）氨碳平衡不好，輸送和回收氨造成能量消耗，氨損失；（6）氫回收膜系統(tǒng)吸收能力不足，造成部分未回收的氫氣送入一段爐燃料氣系統(tǒng)燃燒；（7）系統(tǒng)壓力低于設(shè)計(jì)值。

解決措施：（1）利用裝置檢修期更換蒸汽減壓閥，關(guān)閉減壓閥，啟動(dòng)背壓透平；（2）在裝置安全運(yùn)行的前提下，逐漸將水碳比降到設(shè)計(jì)值3.1；（3）排查一段爐各風(fēng)門(mén)開(kāi)度及漏空氣點(diǎn)，逐漸將一段爐煙氣中氧含量調(diào)整到2.5%～3.0%；（4）逐步將前系統(tǒng)壓力提到設(shè)計(jì)壓力，降低合成氣壓縮機(jī)耗氣量，增加合成塔反應(yīng)壓力。經(jīng)過(guò)以上措施的調(diào)整，目前合成氨噸氨綜合能耗控制在35 GJ/t 以下。

2.4 合成工藝?yán)淠合到y(tǒng)水質(zhì)不穩(wěn)定，無(wú)法回收排放

合成工藝?yán)淠合到y(tǒng)正常水量在70 t/h，經(jīng)過(guò)汽提后出口電導(dǎo)在15～20 μs/cm，pH 值在4.5 左右，冷凝液顯示為酸性，電導(dǎo)率較高除鹽水裝置無(wú)法回收，造成整個(gè)系統(tǒng)缺水。

原因分析：（1）系統(tǒng)內(nèi)雜質(zhì)多，清理不干凈；（2）汽提塔汽提蒸汽量過(guò)高或者過(guò)低造成工藝凝液汽提不徹底。

解決措施：徹底清洗工藝?yán)淠合到y(tǒng)后進(jìn)行打壓，然后再次上水沖洗，確保系統(tǒng)干凈。完善工藝?yán)淠合到y(tǒng)的操作，將其在蒸汽升溫階段就開(kāi)始進(jìn)行暖塔升溫、升壓后汽提蒸汽并入一段爐，將脫碳導(dǎo)氣產(chǎn)生的冷凝液送入系統(tǒng)直接進(jìn)行汽提，送往除鹽水裝置，同時(shí)根據(jù)工藝凝液量，及時(shí)調(diào)節(jié)控制汽提蒸汽量，避免工藝凝液電導(dǎo)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)。

2.5 氫回收系統(tǒng)高壓膜損壞，造成裝置氫氣回收率低，能耗升高

合成氨裝置氫回收系統(tǒng)自2018 年試車(chē)投用后，高壓膜損壞2 次。

原因分析：（1）氫回收分離器帶液，水進(jìn)入膜纖維束；（2）洗氨塔指標(biāo)不合格，氨中毒；（3）因膜系統(tǒng)緊急切斷閥門(mén)內(nèi)漏，造成馳放氣進(jìn)入氫回收膜系統(tǒng)，造成膜氨中毒；（4）膜系統(tǒng)形成背壓，纖維束壓碎。

解決措施：（1）膜進(jìn)水后容易把密封膠泡開(kāi)，如果把密封膠泡開(kāi)，膜不封閉，起不到分離作用，喪失了裝置功能。加強(qiáng)對(duì)水分離器的液位監(jiān)控，必要時(shí)打開(kāi)底排閥排放。（2）氫回收的開(kāi)車(chē)原則：首先確認(rèn)隔離膜分離系統(tǒng)；先開(kāi)液路，再開(kāi)氣路。確保洗氨塔處理指標(biāo)合格后進(jìn)入氫回收膜系統(tǒng)，開(kāi)停車(chē)過(guò)程對(duì)在線(xiàn)氨分析表切除，待系統(tǒng)開(kāi)車(chē)正常后再投用，避免分析表氨中毒造成判斷失真。在開(kāi)車(chē)及膜分離器運(yùn)行期間，必須避免對(duì)膜分離器快速升壓或流量驟增。膜分離器的原料氣中氨含量超標(biāo)，或在溫度高于100 ℃時(shí)工作，可對(duì)膜分離器造成損害，并導(dǎo)致性能下降。為了防止系統(tǒng)波動(dòng)造成的影響，應(yīng)控制氨含量＜0.005%。（3）為防止內(nèi)漏，停車(chē)階段必須關(guān)閉膜系統(tǒng)進(jìn)出口手動(dòng)閥門(mén)；合成氣馳放氣進(jìn)膜系統(tǒng)的手動(dòng)閥；高壓氫滲透?jìng)?cè)進(jìn)機(jī)組的手動(dòng)閥門(mén)；低壓氫氣滲透?jìng)?cè)進(jìn)機(jī)組的手動(dòng)閥門(mén)；為了防止人工操作關(guān)閉不到位，對(duì)以上手動(dòng)閥門(mén)增加電動(dòng)閥門(mén)頭，能在停車(chē)時(shí)快速關(guān)閉，避免不合格的合成氣進(jìn)入氫回收系統(tǒng)。

2.6 尿素高壓甲銨噴射器前后壓差大，裝置壓力偏高

原因分析：2019 年尿素裝置95%負(fù)荷標(biāo)定時(shí)，高壓噴射器前后壓差大（2.0 MPa 左右），造成高壓洗滌器冷凝器冷凝效果差，高壓壓力偏高，且波動(dòng)較大，尾氣氨含量超標(biāo)，嚴(yán)重影響解吸水解系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

解決措施：（1）重新設(shè)計(jì)高壓噴射器的噴針與噴嘴；（2）將噴射器前合成塔底部補(bǔ)液管限流孔板直徑由原來(lái)的152.4 mm 擴(kuò)大至254 mm。本項(xiàng)技改投運(yùn)后，高壓噴射器前后壓差基本能夠控制在1.0 MPa 左右，極大的改善了高壓洗滌器冷凝器冷凝效果。

2.7 尿素低調(diào)水系統(tǒng)流量波動(dòng)大，泵抽空，低壓系統(tǒng)超壓

原因分析：原設(shè)計(jì)低調(diào)水主管線(xiàn)管徑為609.6 mm，副線(xiàn)管徑為254 mm，相差太大，在正常操作過(guò)程中，很容易造成低調(diào)水泵（P3306）進(jìn)口吸入量不足而抽空，使得低調(diào)水量不足。

解決措施：（1）給低調(diào)水系統(tǒng)TV3315 增加了一條和原設(shè)計(jì)相同管徑的副線(xiàn)，增加副線(xiàn)調(diào)節(jié)閥HV3311。本項(xiàng)技改投運(yùn)后，在低調(diào)水流量和溫度的操作過(guò)程中，再?zèng)]有出現(xiàn)P3306 進(jìn)口吸入量不足使得低調(diào)水量不足的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生，效果良好。

2.8 尿素成品縮二脲高，無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求

原因分析：尿素裝置自試開(kāi)車(chē)初期，成品縮二脲居高不下（0.96%～1.20%），經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查，分析原因是由于蒸發(fā)一二段分離罐V3907 和V3908 安裝位置太低（分離罐頂部低于換熱器底部），因此用分離罐液位無(wú)法控制回水的溫度，造成尿液在加熱器內(nèi)一直處在過(guò)熱狀態(tài)，導(dǎo)致縮二脲居高不下。

解決措施：（1）對(duì)兩分離罐液位計(jì)測(cè)量范圍由原設(shè)計(jì)測(cè)量分離罐罐底至罐頂?shù)囊何?，改為測(cè)量分離罐底部至換熱器頂部的液位。（2）通過(guò)控制V3907 和V3908液位將蒸汽冷凝液回水溫度分別控制在95 ℃左右和125 ℃左右。此項(xiàng)技改實(shí)施后使得成品尿素縮二脲大幅度下降，控制在0.80%～0.90%，效果良好。

2.9 尿素裝置預(yù)濃縮系統(tǒng)壓力不達(dá)標(biāo)，解析水解負(fù)荷高，裝置水碳比偏離指標(biāo)

原因分析：尿素裝置自2019 年開(kāi)車(chē)以來(lái)預(yù)濃縮真空一直偏低，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，有時(shí)候甚至出現(xiàn)正壓現(xiàn)象（具體工藝流程見(jiàn)圖1），使得稀氨水中氨濃度一直偏高，偏離控制上限值，進(jìn)蒸發(fā)系統(tǒng)尿素溶液中尿素含量低于下限值，嚴(yán)重影響尿素低壓、蒸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和裝置加負(fù)荷。

圖1 蒸發(fā)預(yù)濃縮系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖

解決措施：在預(yù)濃縮冷凝器之后增加一臺(tái)噴射器和冷凝器，將預(yù)濃縮冷凝器無(wú)法冷凝的工藝氣，再進(jìn)行一次減壓冷凝（見(jiàn)圖2），從而達(dá)到提高預(yù)濃縮真空，穩(wěn)定尿素低壓、蒸發(fā)系統(tǒng)的目的。

圖2 預(yù)濃縮冷凝器后增加真空冷凝系統(tǒng)流程圖

通過(guò)本次技術(shù)改造處理，預(yù)濃縮真空度從原來(lái)的-5～-10 kPa，提高到了-30～-35 kPa，稀氨水中氨濃度降低，尿液中尿素濃度得到了提高，效果良好，具體數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

表1 技改實(shí)施前后預(yù)濃縮真空指標(biāo)對(duì)比

2.10 尿素裝置低壓甲銨冷凝器分離罐（V3303）液位控制難度大，甲銨泵容易損壞

原因分析：化肥三廠(chǎng)尿素裝置在試車(chē)開(kāi)車(chē)初期，V3303 液位（LIC3304）儀表誤指示，聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)加水來(lái)不及，甲銨泵經(jīng)常出現(xiàn)因液位低抽空汽化，導(dǎo)致甲銨泵軸振動(dòng)、軸位移高聯(lián)鎖跳車(chē)，甚至造成燒瓦事故的發(fā)生。

解決措施：在V3303 前加一條管徑為50.8 mm 的管線(xiàn)，并增加總控調(diào)節(jié)閥FV3304。本項(xiàng)技改投運(yùn)后，再?zèng)]有出現(xiàn)因甲銨泵進(jìn)口抽空導(dǎo)致軸振動(dòng)、軸位移高聯(lián)鎖跳車(chē)事件的發(fā)生，更沒(méi)有甲銨泵燒瓦事故的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定運(yùn)行，效果良好。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)近3 年的運(yùn)行，證明國(guó)產(chǎn)化合成氨、尿素工藝總體是成熟的，而且開(kāi)停車(chē)和工藝操作容易掌握，系統(tǒng)操作彈性較大，采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，從運(yùn)行看也是安全可靠的?？傮w工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了集成、優(yōu)化和創(chuàng)新，具有能耗低，操作簡(jiǎn)單安全等特點(diǎn)。

在國(guó)產(chǎn)化大化肥裝置實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)裝置在初始設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、實(shí)際操作方面也存在一些問(wèn)題，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，從工藝操作、技術(shù)改進(jìn)、設(shè)備改造等方面制定針對(duì)性措施，均取得良好效果。通過(guò)對(duì)處理過(guò)程的總結(jié)，助力國(guó)產(chǎn)化大化肥工藝包技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)也為同類(lèi)生產(chǎn)裝置處理類(lèi)似問(wèn)題提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。相信國(guó)產(chǎn)化大化肥裝置在技術(shù)改進(jìn)和工藝調(diào)整后，能夠更好的在生產(chǎn)中達(dá)到安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿(mǎn)、優(yōu)的良好運(yùn)行狀態(tài)。