合成氨裝置氨冰機(jī)出口壓力高原因分析及優(yōu)化改造

周 瑞

(安徽六國(guó)化工股份有限公司，安徽 銅陵 244023)

0 引 言

安徽六國(guó)化工股份有限公司(簡(jiǎn)稱六國(guó)化工)280 kt/a合成氨裝置氣化系統(tǒng)采用西北化工研究院的多元料漿加壓氣化工藝，配套3臺(tái)氣化爐(兩開(kāi)一備)，所產(chǎn)粗合成氣經(jīng)寬溫耐硫變換后由大連理工六塔流程低溫甲醇洗系統(tǒng)脫除其中的CO2、H2S，再經(jīng)液氮洗脫除工藝氣中的CO、CH4及少量Ar，配制成氫氮比為3∶1的合成氣送至合成氣壓縮機(jī)一段進(jìn)口與氨合成系統(tǒng)中壓氨分離器來(lái)的閃蒸氣混合并加壓至14 MPa，然后進(jìn)入瑞士卡薩利軸徑向三床兩換熱器氨合成塔反應(yīng)合成氨，氨合成塔出口氣經(jīng)冷卻、冷凝、分離得到產(chǎn)品液氨；其中，低溫甲醇洗系統(tǒng)洗滌塔段間氨冷器、無(wú)硫甲醇氨冷器、含硫甲醇氨冷器、H2S餾分氨冷器以及氨合成系統(tǒng)的一氨冷、二氨冷的蒸發(fā)氣氨分別送入氨冰機(jī)的一段、二段、三段進(jìn)行壓縮，之后在水冷器內(nèi)冷凝成液氨并收集于液氨受槽，不凝氣從液氨受槽頂部引至惰性氣冷卻器，經(jīng)換熱降溫后被冷凝的液氨回收至液氨受槽，氣相則以尾氣的方式送往火炬長(zhǎng)明燈作為燃料。六國(guó)化工合成氨裝置自2012年12月開(kāi)車以來(lái)，總體運(yùn)行平穩(wěn)，但也存在一些制約合成氨裝置長(zhǎng)周期滿負(fù)荷運(yùn)行的問(wèn)題，其中就包括氨冰機(jī)出口壓力高致合成氨裝置減負(fù)荷運(yùn)行的問(wèn)題，一度成為影響合成氨產(chǎn)量提升的瓶頸，后經(jīng)一系列的優(yōu)化改造，問(wèn)題得到解決，不僅液氨產(chǎn)量得以提高，而且達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。以下對(duì)有關(guān)情況作一介紹。

1 氨合成系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

來(lái)自液氮洗系統(tǒng)的新鮮工藝氣與來(lái)自氨合成回路中壓氨分離器(V3302)的閃蒸氣混合之后，進(jìn)入合成氣壓縮機(jī)(K3101)一段、二段進(jìn)行壓縮，出二段的混合氣與來(lái)自氨合成回路冷交換器(E3306)的循環(huán)氣在合成氣壓縮機(jī)氣缸內(nèi)混合之后經(jīng)循環(huán)段壓縮進(jìn)入熱交換器(E3304)被來(lái)自鍋爐給水預(yù)熱器(E3303)的工藝氣加熱，之后分四路進(jìn)入氨合成塔(R3301)，在合成塔內(nèi)進(jìn)行氨合成反應(yīng)。出氨合成塔的反應(yīng)氣依次進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器(E3301)、廢熱鍋爐(E3302)、鍋爐給水預(yù)熱器(E3303)、熱交換器(E3304)回收熱量，之后進(jìn)入水冷卻器(E3305)、冷交換器(E3306)的管程與高壓氨分離器(V3301)來(lái)的循環(huán)氣換熱，再依次進(jìn)入一氨冷(E3307)、二氨冷(E3308)進(jìn)一步冷卻降溫至-7 ℃后送入高壓氨分離器(V3301)進(jìn)行氣液分離，分離出的氣相經(jīng)冷交換器(E3306)回收冷量之后送往合成氣壓縮機(jī)循環(huán)段，分離出的液相減壓后送入中壓氨分離器(V3302)，溶解在液氨里的氫氮?dú)獗婚W蒸出來(lái)回收到合成氣壓縮機(jī)(K3101)一段入口，液相則送往低壓氨分離器(V3303)進(jìn)一步減壓閃蒸，閃蒸氣去往冷凍回路的液氨受槽(V3201)，不凝氣經(jīng)液氨受槽(V3201)頂部的惰性氣冷卻器(E3203)回收氣體中的氣氨之后尾氣作為燃料送至火炬長(zhǎng)明燈燃燒，出低壓氨分離器(V3303)的液氨分成兩路——一路去往尿素裝置，另一路去往液氨受槽(V3201)。液氨受槽(V3201)內(nèi)的液氨經(jīng)氨加熱器(E3204)冷卻后分為三路：一路依次進(jìn)入一氨冷(E3307)、二氨冷(E3308)、惰性氣冷卻器(E3203)；一路分別進(jìn)入低溫甲醇洗系統(tǒng)洗滌塔段間氨冷器(E2205)、無(wú)硫甲醇氨冷器(E2204)、含硫甲醇氨冷器(E2203)、H2S餾分氨冷器(E2213)；還有一路富余液氨送往氨罐區(qū)。

來(lái)自低溫甲醇洗系統(tǒng)的氣氨與來(lái)自惰性氣冷卻器(E3203)的氣氨混合并進(jìn)入一段進(jìn)口分離罐(V3204)氣液分離之后，進(jìn)入氨冰機(jī)(K3201)低壓缸一段入口；來(lái)自二氨冷(E3308)的氣氨經(jīng)第二氨分離器(V3203)氣液分離之后，與來(lái)自罐區(qū)的氣氨混合后進(jìn)入氨冰機(jī)(K3201)低壓缸二段入口。來(lái)自一氨冷(E3307)的氣氨經(jīng)第一氨分離器(V3202)氣液分離之后，與來(lái)自氨冰機(jī)低壓缸經(jīng)段間冷卻器(E3201)冷卻的氣氨混合進(jìn)入氨冰機(jī)高壓缸，在進(jìn)入高壓缸之前引1根管線至六國(guó)化工磷銨車間(用于生產(chǎn)磷酸一銨、磷酸二銨)；經(jīng)氨冰機(jī)(K3201)高壓缸壓縮之后的氣氨進(jìn)入氨冷凝器(E3202A/B)冷卻降溫，得到的液氨送往液氨受槽(V3201)。氨冰機(jī)高壓缸出口引一路管線分別至一段進(jìn)口分離罐(V3204)、第二氨分離器(V3203)、第一氨分離器(V3202)，作為氨冰機(jī)的防喘振管線。

2 氨冰機(jī)運(yùn)行問(wèn)題及其影響

六國(guó)化工280 kt/a合成氨裝置于2012年12月打通全系統(tǒng)流程，總體運(yùn)行平穩(wěn)，液氨產(chǎn)量達(dá)到1 000 t/d。2013年5月開(kāi)始隨著環(huán)境溫度的逐漸升高，系統(tǒng)循環(huán)水溫度緩慢上漲——由冬季的約25 ℃逐漸上漲至最高36 ℃，氨冰機(jī)負(fù)荷及其出口壓力不斷上漲——氨冰機(jī)三段入口流量由冬季的39 t/h漲至最高約47 t/h、三段出口壓力由冬季的1.20 MPa最高漲至1.80 MPa，為避免氨冰機(jī)超負(fù)荷，確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，合成氨裝置被迫降負(fù)荷運(yùn)行——負(fù)荷由100%緩慢降至94%，導(dǎo)致液氨產(chǎn)量由1 000 t/d降至940 t/d。

氨冰機(jī)一段入口設(shè)計(jì)流量為10.6 t/h、二段入口設(shè)計(jì)流量為17 t/h、三段入口設(shè)計(jì)流量為43 t/h。正常生產(chǎn)時(shí)來(lái)自低溫甲醇洗系統(tǒng)各氨冷器液氨蒸發(fā)量合計(jì)為7 t/h，低于氨冰機(jī)一段入口設(shè)計(jì)流量10.6 t/h，為使氨冰機(jī)一段入口流量在防喘振流量以上，須打開(kāi)氨冰機(jī)高壓缸出口至一段入口防喘振閥(FV3201)，將一段入口流量提至9.5～10.0 t/h，以確保氨冰機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。氨冰機(jī)系統(tǒng)的水冷器換熱管均采用碳鋼材質(zhì)，隨著裝置運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，碳鋼換熱管出現(xiàn)不同程度的腐蝕生銹現(xiàn)象，水冷器換熱效率下降，導(dǎo)致氨冰機(jī)各段壓力上漲；合成回路液氨蒸發(fā)溫度上漲，影響合成回路氣氨的冷凝效果，高壓氨分離器循環(huán)氣中氨含量增高，導(dǎo)致氨合成塔內(nèi)的反應(yīng)變差，合成回路壓力上漲。

3 氨冰機(jī)出口壓力高原因分析及優(yōu)化改造

3.1 氨冰機(jī)負(fù)荷高

3.1.1 問(wèn)題描述

氨合成塔出口工藝氣依次經(jīng)蒸汽過(guò)熱器(E3301)、廢熱鍋爐(E3302)、鍋爐給水預(yù)熱器(E3303)、熱交換器(E3304)回收熱量后，進(jìn)入水冷卻器(E3305)被循環(huán)水冷卻降溫，由于夏季環(huán)境溫度高，循環(huán)水溫度高，E3305冷卻效果下降，E3305出口工藝氣溫度由29 ℃漲至39 ℃，使一氨冷(E3307)、二氨冷(E3308)殼側(cè)液氨蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致氨冰機(jī)負(fù)荷增大，進(jìn)而導(dǎo)致氨冰機(jī)出口壓力高。氨冰機(jī)負(fù)荷與循環(huán)水溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 氨冰機(jī)負(fù)荷與循環(huán)水溫度數(shù)據(jù)

3.1.2 優(yōu)化改造

合成氨裝置負(fù)荷達(dá)到100%時(shí)，低溫甲醇洗系統(tǒng)各氨冷器液氨蒸發(fā)量合計(jì)為7 t/h，而氨冰機(jī)一段入口設(shè)計(jì)流量為10.6 t/h，為防止氨冰機(jī)喘振，正常生產(chǎn)時(shí)須打開(kāi)氨冰機(jī)高壓缸出口至一段入口防喘振閥(FV3201)，將氨冰機(jī)一段入口流量提至9.5～10.0 t/h。為降低氨冰機(jī)負(fù)荷，同時(shí)能保證氨冰機(jī)一段入口流量在防喘振流量9.5 t/h以上，經(jīng)分析與討論，決定在氨冰機(jī)一段入口增設(shè)一路由低壓缸段間冷卻器(E3201)出口至一段入口的防喘振管線，其流量控制在0～4 t/h，投用新增的這路防喘振管線，可使正常生產(chǎn)時(shí)氨冰機(jī)高壓缸出口至一段入口防喘振閥(FV3201)關(guān)閉，減少高壓缸入口流量3～4 t/h，降低氨冰機(jī)高壓缸負(fù)荷。

3.2 水冷器/冷凝器冷卻效果差

3.2.1 問(wèn)題描述

來(lái)自二氨冷(E3308)的氣氨與來(lái)自低溫甲醇洗的氣氨在氨冰機(jī)低壓缸內(nèi)混合并經(jīng)壓縮后，進(jìn)入低壓缸段間冷卻器(E3201)被循環(huán)水冷卻，之后與來(lái)自一氨冷(E3307)的氣氨混合后進(jìn)入氨冰機(jī)高壓缸，出氨冰機(jī)高壓缸的氣氨進(jìn)入氨冷凝器(E3202A/B)殼側(cè)，被循環(huán)水冷卻降溫液化進(jìn)入液氨受槽(V3201)。隨著環(huán)境溫度、循環(huán)水溫度的升高，E3201、E3202A/B冷卻效果下降，E3201冷卻效果下降導(dǎo)致氨冰機(jī)三段進(jìn)口工藝氣溫度(TI2307)、高壓缸出口工藝氣溫度(TI3209)上漲，E3202A/B冷卻效果下降使得氣氨冷凝不完全，進(jìn)而導(dǎo)致氨冰機(jī)出口壓力高。氨冰機(jī)出口壓力與氨冰機(jī)系統(tǒng)水冷器溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。可以看到，2013年夏季時(shí)E3202A/B進(jìn)水溫度最高達(dá)到了35.3 ℃，氨冰機(jī)高壓缸入口工藝氣溫度達(dá)30.50 ℃、出口工藝氣溫度達(dá)139.60 ℃、出口壓力達(dá)1.74 MPa；2014年夏季，氨冰機(jī)轉(zhuǎn)速在與2013年同期相差不大的情況下，高壓缸入口壓力漲至0.54 MPa、出口壓力高達(dá)1.89 MPa。

表2 氨冰機(jī)出口壓力與氨冰機(jī)系統(tǒng)水冷器溫度數(shù)據(jù)

此外，2013年系統(tǒng)大修期間，清洗氨冰機(jī)低壓缸段間冷卻器(E3201)、氨冷凝器(E3202A/B)換熱管時(shí)發(fā)現(xiàn)，E3202A/B換熱管及管板有泄漏現(xiàn)象；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)合成回路水冷卻器(E3305)換熱管腐蝕生銹較為嚴(yán)重，換熱管內(nèi)壁有較厚的鐵銹層，嚴(yán)重影響其換熱效果，E3305冷卻效果差對(duì)氨冰機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。

3.2.2 優(yōu)化改造

鑒于氨冰機(jī)系統(tǒng)水冷器/冷凝器碳鋼材質(zhì)換熱管易腐蝕的缺點(diǎn)，2015年合成氨裝置大修期間完成了水冷卻器(E3305)、低壓缸段間冷卻器(E3201)、氨冷凝器(E3202A/B)的整體更換，將其換熱管材質(zhì)由Q345D改為304L，并將E3202A/B換熱面積由2 950 m2增至3 200 m2。

3.3 惰性氣冷卻器換熱效果不佳

3.3.1 問(wèn)題描述

氨冰機(jī)弛放氣包含氮?dú)狻錃?、氨氣、氬氣等組分，在排放前被惰性氣冷卻器(E3203)殼側(cè)液氨蒸發(fā)吸熱降溫至-25 ℃以下，由于氣氨的冷凝溫度比氮?dú)?、氫氣、氬氣高，使得氨冰機(jī)弛放氣中的大部分氣氨被冷凝成液態(tài)而得以回收，達(dá)到回收氨的同時(shí)降低氨冰機(jī)出口壓力的目的，弛放氣中的其他組分則仍以氣相形態(tài)排放。但在合成氨裝置正常運(yùn)行期間，弛放氣冷卻效果不佳，弛放氣排放溫度很難達(dá)到設(shè)計(jì)值-25 ℃，部分氣氨未冷凝回收即排放至火炬系統(tǒng)燃燒，造成資源浪費(fèi)、生產(chǎn)成本增加。

來(lái)自液氨罐區(qū)球罐蒸發(fā)的氣氨與二氨冷內(nèi)閃蒸的氣氨進(jìn)入氨冰機(jī)低壓缸二段進(jìn)口，提壓后進(jìn)入氨冷凝器(E3202A/B)冷凝為液氨，其中的氫氣、氮?dú)狻鍤獾热砸詺鈶B(tài)形式存在，這部分氣體與液氨受槽中來(lái)自合成回路低壓氨分離器(V3303)的閃蒸氣一同進(jìn)入惰性氣冷卻器(E3203)換熱降溫。液氨受槽中的氣相不僅含有大量的飽和氣氨，還有氮?dú)?、氫氣、氬氣等惰性氣，E3203換熱效果不佳導(dǎo)致液氨受槽(V3201)氣相中的惰性氣不能及時(shí)充分排放出去，造成惰性氣在V3201氣相中不斷累積，由此導(dǎo)致氨冰機(jī)出口壓力上漲，為避免氨冰機(jī)出口壓力過(guò)高，不得不增大弛放氣的排放量，導(dǎo)致弛放氣排放溫度繼續(xù)升高，引發(fā)惡性循環(huán)——弛放氣排放溫度高且排放量大，而弛放氣中惰性氣排量偏少，惰性氣排放率低。

3.3.2 優(yōu)化改造

對(duì)于惰性氣冷卻器(E3203)換熱效果欠佳的問(wèn)題，六國(guó)化工從如下兩個(gè)方面進(jìn)行了分析與探討。

3.3.2.1確認(rèn)E3203的液氨流量是否足夠

為惰性氣冷卻器(E3203)提供冷源的液氨來(lái)自二氨冷(E3308)的1根DN25管線，通過(guò)加氨調(diào)節(jié)閥(FV3252)控制液氨的流量，加氨管線從E3308殼側(cè)底部DN25總管引出分為兩路：一路DN25管線經(jīng)FV3252至E3203殼側(cè)；另一路DN25管線至一段進(jìn)口分離罐(V3204)底部，用于E3308停車退氨。正常生產(chǎn)中，F(xiàn)V3252已開(kāi)至100%，F(xiàn)V3252現(xiàn)場(chǎng)DN25副線閥也已全開(kāi)，而E3203殼側(cè)中上部溫度(TE3221)僅能達(dá)到15 ℃，弛放氣排放溫度在-25 ℃以上，由此判定E3203的液氨流量不能滿足生產(chǎn)所需。為解決E3203冷源——液氨流量不足的問(wèn)題，據(jù)氨冰機(jī)冷凍回路的工藝流程，在E3203加氨調(diào)節(jié)閥(FV3252)后再增設(shè)1路DN25補(bǔ)充液氨管線，第二氨分離器(V3203)至E3308的 DN50重力流管線上增設(shè)1個(gè)DN50×DN25的異徑三通，引出的DN25補(bǔ)充液氨管線接至原E3308退氨管線上，然后再連接到FV3252后的DN50重力流管線上，并在此DN25管線上增設(shè)一道DN25手動(dòng)閥，用于控制E3203殼側(cè)的加氨量。在E3308需要退氨時(shí)，關(guān)閉新增的DN25管線上的手動(dòng)閥，將退氨管線靠近V3204之前增設(shè)的手動(dòng)閥打開(kāi)，進(jìn)行退氨操作。DN50重力流管線相較于之前的加氨管線相對(duì)高度高且管徑大，加氨量大，完全能滿足E3203的冷量需求。惰性氣冷卻器(E3203)加氨流程改造示意如圖1(云線內(nèi)為技改部分)。

圖1 惰性氣冷卻器加氨流程改造示意圖

3.3.2.2分析E3203換熱能力能否達(dá)到要求

惰性氣冷卻器(E3203)加氨管線改造完成后，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)E3203殼側(cè)中上部溫度(TE3221)達(dá)到-37 ℃，且氨冰機(jī)一段進(jìn)口分離罐(V3204)液位有上漲趨勢(shì)，判斷E3203殼側(cè)夾帶液氨至了V3204，而E3203管程出口弛放氣排放溫度在-15～5 ℃之間波動(dòng)——冬季環(huán)境溫度較低時(shí)弛放氣排放溫度可達(dá)-15 ℃，夏季環(huán)境溫度較高時(shí)弛放氣排放溫度在0～5 ℃之間，由此判定E3203的換熱能力不能滿足弛放氣的降溫需求。為此，六國(guó)化工采購(gòu)了新的換熱器對(duì)E3203進(jìn)行替換，新?lián)Q熱器的換熱面積為30 m2(原E3203的換熱面積為10 m2)。新E3203投運(yùn)后，無(wú)論是冬季還是夏季，弛放氣排放溫度均能穩(wěn)定在-25 ℃以下，不僅有效回收了弛放氣中的氣氨，而且氨冰機(jī)出口壓力也得以降低——夏季高溫時(shí)節(jié)氨冰機(jī)出口壓力由之前的1.89 MPa降至1.50 MPa且能保持穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

氨冰機(jī)出口壓力高曾一度是影響六國(guó)化工合成氨裝置產(chǎn)量提升的瓶頸問(wèn)題，通過(guò)原因分析，找到癥結(jié)所在并對(duì)氨冰機(jī)實(shí)施一系列的優(yōu)化改造后，氨冰機(jī)負(fù)荷及其出口壓力顯著降低——氨冰機(jī)負(fù)荷由之前的47 t/h降至43 t/h、三段出口壓力由之前的最高1.89 MPa降至1.50 MPa且能保持穩(wěn)定；氨冰機(jī)負(fù)荷及出口壓力的降低使得合成回路一氨冷(E3307)、二氨冷(E3308)的冷卻效果提高，夏季高溫時(shí)節(jié)合成氨產(chǎn)量得到有效提升，由之前的940 t/d提升至1 040 t/d；氨冰機(jī)出口壓力的降低還使汽輪機(jī)動(dòng)力蒸汽用量降低了0.6 t/h，按全年運(yùn)行8 000 h計(jì)，全年可節(jié)約3.8 MPa過(guò)熱蒸汽4 800 t，達(dá)到了節(jié)能降耗、增產(chǎn)增效的目的。