水浴式液體CO2汽化器應(yīng)用技改小結(jié)

毛運(yùn)秋

(安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455133)

0 引 言

河南能源化工集團(tuán)安陽(yáng)園區(qū)是河南能源化工集團(tuán)根據(jù)轉(zhuǎn)型發(fā)展改革需要、以安陽(yáng)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱安化集團(tuán))為管理主體成立的化工園區(qū)，安陽(yáng)九天精細(xì)化工有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱九天公司)是園區(qū)的一個(gè)重要法人單位，成立于2004年12月，現(xiàn)為我國(guó)中部地區(qū)重要的甲胺/二甲基甲酰胺(DMF)生產(chǎn)基地，主要產(chǎn)品有混甲胺、DMF，混甲胺又分為一甲胺、二甲胺、三甲胺。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的持續(xù)發(fā)展，目前安陽(yáng)園區(qū)已形成涵蓋液氨/尿素、復(fù)合肥、甲醇、甲胺、DMF、二甲基乙酰胺(DMAC)、乙二醇、聚酯等多產(chǎn)品的化肥、精細(xì)化工和新材料產(chǎn)業(yè)鏈，安陽(yáng)園區(qū)在生產(chǎn)技術(shù)、成本、品牌、區(qū)位等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

九天公司DMF裝置采用二甲胺與CO在甲酸鈉催化劑作用下的一步法合成DMF，一步法具有原料來(lái)源廣、工藝先進(jìn)、節(jié)約能源、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)。其中，原料CO是用CO2作為氣化劑通過(guò)富氧氣化爐造氣而得，其氣化劑CO2根據(jù)安陽(yáng)園區(qū)資源綜合整體利用方案有三方面來(lái)源：一是富氧氣化爐制備原料CO過(guò)程中副產(chǎn)，但副產(chǎn)CO2量不能滿足2套DMF裝置的生產(chǎn)所需；二是園區(qū)合成氨裝置副產(chǎn)；三是園區(qū)乙二醇裝置副產(chǎn)。各套工藝裝置物料的配置設(shè)計(jì)可在園區(qū)減排CO2的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用，從而實(shí)現(xiàn)園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)保、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。

但隨著國(guó)家能源政策的變化，2018年12月河南省政府辦公廳出臺(tái)了《河南省傳統(tǒng)煤化工行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展行動(dòng)方案(2018—2020年)》、2020年2月河南省污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)小組辦公室印發(fā)了《河南省2020年大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》，指出“到2020年，淘汰固定床間歇式氣化爐，有序退出單套裝置300 kt/a以下的合成氨產(chǎn)能”。

根據(jù)地方政府文件精神，安陽(yáng)園區(qū)的固定床間歇式氣化爐(為合成氨裝置和乙二醇裝置提供煤氣)和合成氨裝置屬于政策要求淘汰范圍，而一旦副產(chǎn)CO2的合成氨裝置或乙二醇裝置長(zhǎng)期停運(yùn)，將導(dǎo)致九天公司DMF裝置因無(wú)(足量)原料而無(wú)法生產(chǎn)運(yùn)行。為此，安陽(yáng)園區(qū)未雨綢繆，通過(guò)綜合評(píng)估與論證，決定新增1套液體CO2汽化裝置，以有效應(yīng)對(duì)淘汰落后產(chǎn)能政策落地帶來(lái)的DMF裝置停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)。以下對(duì)有關(guān)情況作一簡(jiǎn)介。

1 液體CO2汽化器的選型

液體CO2汽化器的作用是把液態(tài)CO2轉(zhuǎn)化成氣態(tài)CO2。液體CO2汽化工藝主要有空冷式、間接換熱循環(huán)利用式和水浴式3種。結(jié)合安陽(yáng)園區(qū)的資源和各生產(chǎn)裝置的工藝特點(diǎn)，對(duì)3種液體CO2汽化工藝進(jìn)行對(duì)比分析，具體如下。

1.1 液體CO2空冷式汽化工藝

液體CO2空冷式汽化工藝，其加熱介質(zhì)為空氣，利用空氣自然對(duì)流加熱換熱管內(nèi)的低溫液體CO2而將其轉(zhuǎn)化成氣態(tài)CO2。優(yōu)點(diǎn)：換熱設(shè)備簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，汽化介質(zhì)無(wú)需成本投入。缺點(diǎn)：氣溫低時(shí)存在汽化不完全的問(wèn)題，導(dǎo)致汽化量不能滿足生產(chǎn)所需；冬季運(yùn)行狀況差，所需設(shè)備換熱面積大，常需備用設(shè)備，投資大；適宜間斷供氣工況。按照2套DMF裝置CO2需求量，若采用空冷式汽化工藝，液體CO2汽化裝置占地面積約100 m2，投資約70萬(wàn)元。

1.2 液體CO2間接換熱循環(huán)利用式汽化工藝

液體CO2間接換熱循環(huán)利用式汽化工藝，其加熱介質(zhì)為常溫水、乙二醇鹽水溶液、工藝熱源，通過(guò)乙二醇鹽水溶液、常溫水等來(lái)加熱汽化液體CO2，工藝系統(tǒng)主要包括蒸發(fā)器、氣液分離器、第一換熱器、水儲(chǔ)罐、第二換熱器、乙二醇鹽水溶液儲(chǔ)罐等。優(yōu)點(diǎn)：加熱介質(zhì)主要利用水系統(tǒng)的余熱，以乙二醇鹽水溶液作為加熱介質(zhì)，低溫下不易結(jié)冰堵塞。缺點(diǎn)：工藝相對(duì)復(fù)雜，流程長(zhǎng)、設(shè)備多，占地面積大，投資較大；各介質(zhì)工藝關(guān)聯(lián)性強(qiáng)；需獲取外部熱源換熱，控制復(fù)雜。按照2套DMF裝置CO2需求量，若采用間接換熱循環(huán)利用式汽化工藝，液體CO2汽化裝置占地面積約110 m2，投資約65萬(wàn)元。

1.3 液體CO2水浴式汽化工藝

液體CO2水浴式汽化工藝，其加熱介質(zhì)為電、蒸汽或熱水，通過(guò)蒸汽或電提供熱源來(lái)加熱水，或直接由熱水來(lái)間接換熱汽化CO2。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備少、占地面積小，投資?。黄考拜斔头€(wěn)定；可有效利用工藝裝置余熱降低運(yùn)行成本。缺點(diǎn)：需要有穩(wěn)定的熱源連續(xù)供應(yīng)。按照2套DMF裝置CO2需求量，若采用水浴式汽化工藝，液體CO2汽化裝置占地面積約30 m2，投資約47萬(wàn)元。

1.4 液體CO2汽化工藝的確定

通過(guò)對(duì)3種汽化工藝的綜合對(duì)比，認(rèn)為液體CO2汽化裝置采用水浴式汽化工藝較為經(jīng)濟(jì)合理，且同類型裝置考察結(jié)果也表明，水浴式液體CO2汽化裝置具有操作方便、氣體輸送穩(wěn)定、技術(shù)成熟、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。那么，水浴式汽化工藝換熱介質(zhì)選用電、蒸汽或熱水哪種更為經(jīng)濟(jì)呢？結(jié)合液體CO2汽化的實(shí)際需求和安陽(yáng)園區(qū)資源綜合利用整體情況，確定使用九天公司富余的蒸汽冷凝液作為液體CO2汽化器的加熱介質(zhì)。

最終，本技改項(xiàng)目選用了型號(hào)為DSQ-3000的水浴式液體CO2汽化器。該汽化器主要由換熱列管與外殼兩部分組成，設(shè)計(jì)工作壓力1.7～2.0 MPa；換熱列管材質(zhì)采用06Cr19Ni10不銹鋼，列管規(guī)格為φ25 mm×2 mm，內(nèi)部列管分為8程，為四進(jìn)四出結(jié)構(gòu)；管程介質(zhì)為CO2，殼程介質(zhì)為蒸汽冷凝液，管程內(nèi)液體CO2被加熱汽化為氣體CO2，經(jīng)2次減壓后送至DMF裝置氣化系統(tǒng)作為氣化劑，殼程內(nèi)凝液回收利用。

2 工藝方案及技術(shù)特點(diǎn)

九天公司DMF裝置氣化系統(tǒng)有4臺(tái)富氧連續(xù)氣化爐，其DMF裝置正常生產(chǎn)負(fù)荷下CO2耗量在5 600～6 000 m3/h，除4臺(tái)富氧連續(xù)氣化爐運(yùn)行過(guò)程中自循環(huán)的CO2量外，氣化系統(tǒng)需從外部接收的CO2氣量為2 600～3 000 m3/h——壓力為3～8 kPa的常溫CO2氣體進(jìn)鼓風(fēng)機(jī)入口，加壓后進(jìn)氣化爐作為氣化劑，以制取DMF生產(chǎn)所需的CO原料氣。

2.1 工藝流程

CO2槽車運(yùn)來(lái)的液體CO2先存放在2臺(tái)容積均為100 m3的液體CO2儲(chǔ)罐內(nèi)，生產(chǎn)時(shí)，壓力為2.2 MPa、溫度為-20 ℃的液體CO2從儲(chǔ)罐送出，經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入九天公司新增的水浴式液體CO2汽化器換熱列管內(nèi)，在管內(nèi)被汽化器殼體中來(lái)自主生產(chǎn)裝置冷凝液總管的蒸汽冷凝液(壓力1.0 MPa、溫度90 ℃)加熱后，汽化為壓力2.2 MPa、溫度50 ℃的CO2氣體，之后CO2氣依次經(jīng)一級(jí)減壓閥減壓至0.6 MPa、二級(jí)減壓閥減壓至3～8 kPa；經(jīng)過(guò)2次減壓后壓力為3～8 kPa、溫度為30～40 ℃的CO2氣通過(guò)管道輸送至氣化系統(tǒng)CO2緩沖罐，經(jīng)緩沖后作為氣化劑連續(xù)穩(wěn)定地供應(yīng)給氣化爐；汽化器中與液體CO2換熱后的蒸汽冷凝液溫度降至約40 ℃，送至凝液回收管線，作為安化集團(tuán)450循環(huán)水水池補(bǔ)水。液體CO2汽化器操作過(guò)程中，汽化器內(nèi)部凝液將整個(gè)列管淹沒(méi)，為淹沒(méi)式滿液位操作。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)汽化器換熱列管采用多重盤管排列技術(shù)，設(shè)備體積小、占地面積小，減小了安裝空間，可為用戶創(chuàng)造隱形價(jià)值。

(2)汽化器換熱列管采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼，可有效避免盤管腐蝕泄漏，從而延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

(3)本技改只需對(duì)原有裝卸車系統(tǒng)增設(shè)旁路管道和截止閥等，技改投資小、工期短。

(4)汽化后的氣體CO2輸送管線上有2套減壓閥組(一開(kāi)一備)，汽化器采用遠(yuǎn)傳水溫及出口溫度檢測(cè)，可據(jù)汽化器水溫自動(dòng)控制冷凝液閥組的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，并設(shè)置有聯(lián)鎖保護(hù)，從而可提升水浴式液體CO2汽化裝置運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

(5)液體CO2汽化裝置的應(yīng)用，不僅可化解淘汰落后產(chǎn)能政策落地帶來(lái)的DMF裝置停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，而且可有效地回收利用主生產(chǎn)裝置蒸汽冷凝液的余熱，實(shí)現(xiàn)園區(qū)資源的綜合利用，從而可降低主生產(chǎn)裝置的運(yùn)行成本。

3 生產(chǎn)中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)防/處理措施

新增液體CO2汽化裝置的技改于2020年5—9月實(shí)施，2020年10月液體CO2汽化裝置順利投運(yùn)，投運(yùn)1 a多以來(lái)，水浴式液體CO2汽化器運(yùn)行非常穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)任何異常，實(shí)現(xiàn)了DMF裝置氣化系統(tǒng)CO2氣化劑的穩(wěn)定供應(yīng)和平穩(wěn)過(guò)渡，確保了九天公司甲胺/DMF裝置及其氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這主要得益于項(xiàng)目建設(shè)前期準(zhǔn)備工作較好、日常操作維護(hù)的科學(xué)合理、運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，以及對(duì)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)判與相應(yīng)的預(yù)防措施。

3.1 汽化器換熱列管焊縫泄漏的預(yù)防措施

(1)液體CO2汽化器制作過(guò)程中，技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)盯守，汲取業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，加強(qiáng)設(shè)備選材、列管煨彎及焊接處理等方面的把關(guān)，注重內(nèi)部列管制作細(xì)節(jié)，確保制作質(zhì)量。

(2)正常生產(chǎn)中液體CO2汽化器管程溫度約-20 ℃，殼程溫度約90 ℃，溫差達(dá)110 ℃，開(kāi)停車過(guò)程中及生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，管/殼程溫差會(huì)更大，易出現(xiàn)冷熱相擊、氣液相擊等現(xiàn)象，可能造成設(shè)備焊口開(kāi)裂泄漏事故的發(fā)生，因此，液體CO2汽化器投運(yùn)或停運(yùn)時(shí)一定要控制適宜的升/降溫速率，且CO2調(diào)節(jié)閥和蒸汽冷凝液閥門調(diào)節(jié)時(shí)切忌幅度過(guò)大，盡量微調(diào)。

3.2 液體CO2儲(chǔ)罐卸車誤操作的預(yù)防措施

液體CO2儲(chǔ)罐原本只用于接收生產(chǎn)裝置來(lái)的產(chǎn)品以及產(chǎn)品裝車，新增水浴式液體CO2汽化裝置后，液體CO2儲(chǔ)罐增加液體CO2槽車卸車功能，液體CO2槽車增設(shè)副線由原裝車改變用途為卸車，為防范誤操作，編制相應(yīng)的操作規(guī)程，組織員工和運(yùn)輸司機(jī)學(xué)習(xí)掌握并做好配合，液體CO2卸車時(shí)關(guān)閉裝車泵進(jìn)出口閥，用槽車上的卸車泵卸車，以防裝車泵反轉(zhuǎn)而致?lián)p壞。

3.3 減壓閥故障的預(yù)防/處理措施

(1)水浴式液體CO2汽化裝置氣體CO2輸送管線上設(shè)計(jì)采用2套減壓閥組，一開(kāi)一備，當(dāng)在運(yùn)減壓閥組故障時(shí)可及時(shí)切換，以防減壓閥故障造成的CO2氣量波動(dòng)。

(2)減壓閥后設(shè)置有安全閥，當(dāng)減壓閥故障造成CO2輸送管線超壓時(shí)，安全閥啟跳放空。

(3)當(dāng)CO2氣輸送管線上減壓閥出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)關(guān)閉液體CO2儲(chǔ)罐出口緊急切斷閥，停止往液體CO2汽化器送液，并及時(shí)通知后工序做好相應(yīng)的處理。

3.4 干冰堵塞閥門的預(yù)防/處理措施

當(dāng)水浴式液體CO2汽化器殼程蒸汽冷凝液流量不足或冷凝液調(diào)節(jié)閥故障造成液體CO2汽化效果差時(shí)，易出現(xiàn)干冰堵塞閥門現(xiàn)象。因此，生產(chǎn)運(yùn)行中需注意穩(wěn)定系統(tǒng)負(fù)荷，及時(shí)調(diào)整送液體CO2汽化器的蒸汽冷凝液流量及溫度；一旦出現(xiàn)干冰堵塞閥門，及時(shí)關(guān)閉液體CO2儲(chǔ)罐出口緊急切斷閥，停止往液體CO2汽化器送液，并用熱源對(duì)閥門或管道進(jìn)行澆淋升溫，使干冰汽化，以使閥門或管道得到疏通；若是因冷凝液調(diào)節(jié)閥故障造成液體CO2汽化效果差繼而導(dǎo)致的干冰堵塞閥門，應(yīng)立即組織人員對(duì)蒸汽冷凝液閥門進(jìn)行檢修。

4 結(jié)束語(yǔ)

安化集團(tuán)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，按照河南省、安陽(yáng)市政府部門關(guān)于大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案的要求，于2020年9月30日政策性停運(yùn)了固定床間歇式氣化爐，并有序退出了單套產(chǎn)能不足300 kt/a的合成氨裝置，為地方的節(jié)能減碳做出了貢獻(xiàn)。在有序淘汰落后產(chǎn)能的同時(shí)，鑒于安陽(yáng)園區(qū)的精細(xì)化工產(chǎn)品線——甲胺/DMF裝置仍在繼續(xù)運(yùn)行，DMF裝置所需原料CO制備需要?dú)饣瘎〤O2，通過(guò)對(duì)整個(gè)安陽(yáng)園區(qū)產(chǎn)品、原料的統(tǒng)籌謀劃，在淘汰裝置停運(yùn)前九天公司實(shí)施了液體CO2汽化器應(yīng)用技改。液體CO2汽化裝置于2020年10月投運(yùn)，1 a多的運(yùn)行實(shí)踐表明，水浴式液體CO2汽化器操作方便、氣體輸送穩(wěn)定、技術(shù)成熟，幾乎沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)影響系統(tǒng)生產(chǎn)的故障或問(wèn)題，其作為DMF裝置氣化系統(tǒng)CO2氣化劑的補(bǔ)充供應(yīng)裝置，完全可滿足九天公司DMF裝置的生產(chǎn)所需，此舉不僅化解了合成氨或乙二醇裝置長(zhǎng)期停運(yùn)導(dǎo)致DMF裝置缺少原料而無(wú)法生產(chǎn)的難題，而且實(shí)現(xiàn)了安陽(yáng)園區(qū)物料的供需平衡與平穩(wěn)過(guò)渡，為九天公司DMF裝置的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。