劉保濤

(中海石油華鶴煤化有限公司, 黑龍江鶴崗 154100)

液氮洗工藝廣泛應(yīng)用于以煤、天然氣、渣油為原料生產(chǎn)純氫氣的大型工業(yè)化裝置。該工藝與低溫甲醇洗聯(lián)合使用格外合理，低溫甲醇洗洗滌既干燥了氣體，又降低氣體溫度(-30～-70 ℃)；液氮洗利用了氫氣不易溶解于液氮的性質(zhì)，將凈化氣體中CH4、Ar和CO全部脫出，通過(guò)精配氮?dú)馀渲煤铣蓺鈁1]，為合成氨工序創(chuàng)造條件。

在液氮洗裝置實(shí)際運(yùn)行中，存在冷量平衡、微量合格、易凍堵問(wèn)題，結(jié)合液氮洗裝置(圖1)在開車過(guò)程及運(yùn)行過(guò)程中遇到的問(wèn)題,分析其原因，并提供改進(jìn)建議。

E04301—高壓氮?dú)饫鋮s器；E04302—1#原料氣冷卻器；E04303—2#原料氣冷卻器；S04303—?dú)庖悍蛛x罐；M04301—?dú)怏w混合器；C04301—氮洗塔；S04302—?dú)錃夥蛛x罐；TDV04316—合成氣去合成氣壓縮機(jī)閥；KV04316—合成氣去低溫甲醇洗閥；FV04309—粗配氮?dú)忾y；FV04310—精配氮?dú)忾y；L 04301—氮洗塔液位閥；TV04339—凈化氣進(jìn)氮洗塔溫度控制閥；HV04101—補(bǔ)冷液氮閥。

1 液氮洗導(dǎo)氣過(guò)程及問(wèn)題處理

1.1 液氮洗冷箱高液位導(dǎo)氣法注意事項(xiàng)

液氮洗裝置中液氮管線較長(zhǎng)，再加上管線部分保冷效果不好，液氮管線投用困難，補(bǔ)冷液氮在開車過(guò)程中起不到補(bǔ)冷效果。液氮洗系統(tǒng)主要是通過(guò)節(jié)流產(chǎn)生的J-T效應(yīng)來(lái)提供冷量[2]，對(duì)液氮洗冷箱進(jìn)行裸冷積液，待冷箱洗滌塔和氫氣分離罐儲(chǔ)存高液位時(shí)，對(duì)冷箱導(dǎo)氣。

高液位導(dǎo)氣法的注意事項(xiàng)：

(1) 冷卻積液后,確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)開車放空管線關(guān)閉，各個(gè)換熱器端面溫差控制在60 K以內(nèi)，分子篩和冷箱之間均壓完成(防止壓差過(guò)高損壞設(shè)備及管道)，及時(shí)現(xiàn)場(chǎng)放空閥，調(diào)整氫氣分離罐壓力，防止超壓(超壓后安全閥起跳)。

(2) 注意冷箱冷量平衡，防止形成負(fù)壓?？諝膺M(jìn)入冷箱，導(dǎo)致珠光砂傳質(zhì)增大，引起跑冷或者損壞設(shè)備。

(3) 原料氣體積流量為40 000～50 000 m3/h，導(dǎo)氣量過(guò)多則冷箱分離罐及塔內(nèi)積存的冷量有限、冷量不足，導(dǎo)致導(dǎo)氣失敗；導(dǎo)氣量過(guò)少,則冷箱冷量不均，損壞設(shè)備。

(4) 導(dǎo)氣時(shí)，根據(jù)冷箱合成氣去合成氣壓縮機(jī)的溫度，及時(shí)平衡液氮洗去低溫甲醇洗冷量。如液氮洗去低溫甲醇洗冷量管道溫度低于0 ℃，為防止冷箱跑冷引起聯(lián)鎖，關(guān)閉合成氣去合成氣壓縮機(jī)閥，避免系統(tǒng)大波動(dòng)。

(5) 導(dǎo)氣完成后，通過(guò)小幅度減小洗滌氮?dú)忾y門來(lái)平衡冷箱冷量，降低冷箱高壓氮?dú)膺M(jìn)氮洗塔前溫度。高壓氮?dú)膺M(jìn)氮洗塔前的溫度越低，則通過(guò)洗滌氮?dú)忾y門節(jié)流后產(chǎn)生的液氮量越多，氮洗塔的洗滌效果越好。

1.2 合成氣出口CO含量超標(biāo)的原因

導(dǎo)氣完成后，氮洗塔出現(xiàn)積液現(xiàn)象，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：合成氣出口CO含量超標(biāo)；冷箱內(nèi)進(jìn)氮洗塔的高壓氮?dú)鉁囟群秃铣蓺鉁囟榷几哂谠O(shè)定值，遲遲降不下來(lái)。原料氣進(jìn)氮洗塔的設(shè)計(jì)指標(biāo)中，溫度為-188 ℃，壓力為5.4 MPa，原料氣中氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)為0.37%。來(lái)液氮洗原料氣中，氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)約為19.00%。實(shí)際壓力與設(shè)計(jì)壓力相差不大，但氮?dú)庠谠蠚庵械姆謮簽?.0 MPa左右，此時(shí)氮?dú)獾睦淠c(diǎn)為-175 ℃。分子篩出口原料氣經(jīng)過(guò)1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器兩個(gè)換熱器，吸收大量的冷量，使原料氣中部分氮?dú)庾兂梢旱?，?dǎo)致液氮洗系統(tǒng)中的冷量分配不均，液氮洗冷箱中進(jìn)氮洗塔的原料氣溫度降到-178 ℃左右。受冷箱板式換熱器結(jié)構(gòu)影響，高壓氮?dú)饨?jīng)過(guò)1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器換熱后進(jìn)入氮洗塔前，其溫度只能達(dá)到-170 ℃，經(jīng)過(guò)洗滌氮?dú)忾y門節(jié)流產(chǎn)生的液氮量少。同時(shí)，洗滌溫度高的原料氣時(shí)，液氮?dú)饣瘜?dǎo)致洗滌效果差，引起氮洗塔出口合成氣中CO含量超標(biāo)。繼續(xù)調(diào)整凈化氣進(jìn)氮洗塔溫度控制閥，由于板式換熱器的換熱能力是一定的，進(jìn)冷箱的原料氣、高壓氮?dú)?、凈化合成氣及燃料氣不能充分換熱，1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器之間的溫度驟降，低于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，會(huì)損壞冷箱換熱器之間的管道。只能通過(guò)緩慢減少原料氣中的氮?dú)夂?，使高壓氮?dú)饨?jīng)過(guò)1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器換熱后進(jìn)入氮洗塔前的溫度降到-185 ℃以下。洗滌氮?dú)忾y門節(jié)流后，產(chǎn)生更多液氮進(jìn)入氮洗塔，以提高洗滌效果，最終達(dá)到出冷箱合成氣指標(biāo)合格的目的。通過(guò)調(diào)整對(duì)比，分析原料氣中氮?dú)夂繉?duì)高壓氮?dú)膺M(jìn)氮洗塔的溫度及液氮洗出口合成氣中CO含量的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 原料氣中氮?dú)夂康挠绊?/p>

1.3 液氮洗原料氣中高含量氮?dú)獾脑?/h3>

液氮洗原料氣中氮?dú)夂扛呤且驗(yàn)閬?lái)變換的粗煤氣溫度低，導(dǎo)致水汽比較低、變換爐負(fù)荷小、空速小，使變換爐溫度升高，尤其在變換導(dǎo)氣剛完成時(shí)變換爐的溫度超設(shè)計(jì)指標(biāo)。為防止變換爐超溫，在粗煤氣中加入氮?dú)?，降低有效氣濃度，使變換爐最高熱點(diǎn)溫度控制在低于爐溫設(shè)計(jì)值(485 ℃)20 ℃以下，同時(shí)保護(hù)了變換爐催化劑的良好活性，保證原料氣進(jìn)入冷箱的氮?dú)夂扛摺?/p>

1.4 合成氣出口CO含量超標(biāo)處理辦法

原料氣中氮?dú)夂扛撸菍?dǎo)致合成氣中CO含量超標(biāo)的主要原因。通過(guò)調(diào)整原料氣中氮?dú)夂縼?lái)調(diào)整液氮洗洗滌氮?dú)鉁囟龋岣呦礈斓獨(dú)獾南礈煨Ч?，保證合成氣中CO含量合格。降低原料氣中氮?dú)夂?，?yīng)確保變換爐最高熱點(diǎn)溫度在低于爐溫設(shè)計(jì)值(485 ℃)20 ℃以下運(yùn)行。聯(lián)系氣化，提高原料氣的溫度來(lái)提高水汽比，同時(shí)增大氣化爐負(fù)荷至最大，待變換爐溫度稍降，緩慢關(guān)小進(jìn)變換系統(tǒng)的氮?dú)忾y，根據(jù)變換爐溫度調(diào)整氮?dú)饬?，直到全部關(guān)閉。通過(guò)調(diào)整冷箱粗配氮?dú)忾y門、洗滌氮?dú)忾y門、凈化氣入氮洗塔溫度控制閥、氮洗塔液位閥，調(diào)整冷箱冷量平衡，最終控制合成氣出口CO含量在范圍內(nèi)。在保證合成氣出口CO含量不超標(biāo)的情況下，調(diào)整精配氮?dú)忾y，使氫氮體積比為3∶1。冷箱多余的冷量通過(guò)氫氣分離罐底部冷液體排放閥直排排放。

2 液氮洗冷箱中層溫度驟降的原因及解決辦法

分析液氮洗冷箱中層溫度，即1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器之間溫度驟降的原因：

(1) 冷箱內(nèi)換熱器都是板式換熱器，開車階段原料氣或高壓氮?dú)庵杏胁缓细駳膺M(jìn)入換熱板，在低溫環(huán)境下富集于換熱器換熱板上，形成結(jié)垢，導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效果差，冷量后移至1#原料氣冷卻器，引起中層溫度驟降。

(2) 燃料氣量過(guò)大，提供系統(tǒng)的冷量多，而2#原料氣冷卻器換熱能力有限，導(dǎo)致中層溫度驟降。

(3) 燃料氣成分中高沸點(diǎn)物質(zhì)(如甲烷)濃度高，燃料氣節(jié)流后產(chǎn)生冷量多，再加上燃料氣壓力高，導(dǎo)致燃料氣管線中高沸點(diǎn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體，并進(jìn)入氣液分離罐。同時(shí)，氣液分離罐底部導(dǎo)淋排放量受限，隨著液位的升高，部分高沸點(diǎn)冷液體進(jìn)入換熱器換熱，導(dǎo)致大量冷量后移，中層溫度驟降[3]。

根據(jù)液氮洗負(fù)荷，及時(shí)匹配燃料氣量，防止因燃料氣量過(guò)大導(dǎo)致冷量富足,引起液氮洗中層溫度驟降。

通過(guò)調(diào)整原料氣中高沸點(diǎn)物質(zhì)的量，避免高沸點(diǎn)物質(zhì)在氣液分離罐中分離；開大氣液分離罐底部導(dǎo)淋閥排液，增加氮洗塔洗滌氮?dú)饬縼?lái)改變?nèi)剂蠚獬煞?；稀釋燃料氣中低沸點(diǎn)物質(zhì)濃度，降低燃料氣高沸點(diǎn)物質(zhì)的分壓，使其不易被液化，從而減少氣液分離罐內(nèi)積液。同時(shí)，把過(guò)多的燃料氣通過(guò)氫氣分離罐現(xiàn)場(chǎng)冷排導(dǎo)淋排放。當(dāng)溫度驟降后，應(yīng)通過(guò)減少粗配氮?dú)?、燃料氣量和增加洗滌氮?dú)饬縼?lái)調(diào)整。當(dāng)溫度上升后，緩慢增加粗配氮?dú)饬亢腿剂蠚饬?，同時(shí)減少洗滌氮?dú)饬俊?/p>

液氮洗開車階段，至少原料氣及高壓氮?dú)獬煞謱?duì)兩次分析進(jìn)行防止不合格成分進(jìn)入冷箱換熱板上富集結(jié)垢。同時(shí)，液氮洗長(zhǎng)時(shí)間停車后，需要復(fù)熱除去換熱器高沸點(diǎn)物質(zhì)的垢層，防止換熱器換熱效果不佳導(dǎo)致中層溫度驟降。防止中層溫度驟降的日常維護(hù)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 液氮洗調(diào)整前后結(jié)果對(duì)比

通過(guò)以上調(diào)整，減少冷箱內(nèi)粗配氮?dú)饬?，降低混合制冷產(chǎn)生的冷量，維持1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器之間的溫度高于設(shè)計(jì)值20 ℃以上，升高氮?dú)獬龈邏旱獨(dú)饫鋮s器溫度，讓更多的冷量去低溫甲醇洗回收利用，保持冷箱整體溫度稍微偏高。加大氮洗塔洗滌氮?dú)饬?，增大氮?dú)馀c系統(tǒng)壓差(降低系統(tǒng)壓力)，讓氮洗塔洗滌氮?dú)夤?jié)流產(chǎn)生更多的冷量，以形成液氮，提高洗滌效果，保證合成氣出口CO含量指標(biāo)合格。增加氮洗塔洗滌氮?dú)饬?，改變?nèi)剂蠚獬煞郑龃笕剂蠚獬鲆旱戳髁?。系統(tǒng)冷量平衡后，系統(tǒng)冷量仍有外排。

3 液氮洗冷箱凍堵現(xiàn)象及原因

液氮洗在一次開車過(guò)程中，出現(xiàn)液氮洗氮?dú)夤芫€凍堵現(xiàn)象。其原因是全廠晃電停車，高壓氮?dú)夤倬W(wǎng)壓力降到微正壓，一些充氮閥門沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)致不合格氣串入。由于液氮洗高壓氮?dú)忾y門未關(guān)閉，部分不合格氮?dú)獬淙胍旱蠢湎渲料礈斓獨(dú)忾y門處[4]。冷箱導(dǎo)氣時(shí)，氮?dú)夤倬W(wǎng)只在導(dǎo)淋處少量排放，液氮洗高壓氮?dú)馕醋龇治鲋苯舆M(jìn)行冷箱導(dǎo)氣，導(dǎo)氣過(guò)程中洗滌氮?dú)忾y門開大而流量低于正常值，導(dǎo)氣完成后洗滌氮?dú)饬考硬坏秸Ｖ?，反?fù)開關(guān)仍沒(méi)有效果。儀表確認(rèn)閥門和流量計(jì)都沒(méi)有問(wèn)題。由于氮?dú)夤芫€經(jīng)過(guò)2#原料氣冷卻器板式換熱器，換熱效果差，使高壓氮?dú)馊氲此皽囟壬摺榻档透邏旱獨(dú)馊氲此皽囟?，開大氮洗塔溫度控制閥，燃料氣管線因量大而引起燃料氣入2#原料氣冷卻器溫度低于正常值近10.0 ℃，高壓氮?dú)馊氲此皽囟认陆挡幻黠@。分析其原因，高沸點(diǎn)物質(zhì)進(jìn)入氮?dú)夤芫W(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)多處取高壓氮?dú)鈽悠?，發(fā)現(xiàn)高壓氮?dú)馕戳鲃?dòng)處樣品中有氨，氨經(jīng)過(guò)氮?dú)夤芫W(wǎng)進(jìn)入冷箱導(dǎo)致冷箱凍堵。最終，冷箱復(fù)熱后導(dǎo)氣成功。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)查閱資料，理解合成氣中高壓氮?dú)夂繉?duì)液氮洗出口CO含量的影響及原因，同時(shí)分析液氮洗高液位導(dǎo)氣法的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)化導(dǎo)氣方案。查明中層溫度驟降的原因，尋找到解決方法。加強(qiáng)液氮洗停車后冷箱維護(hù)，注重開車時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)的分析。雖然液氮洗裝置導(dǎo)氣成功，但液氮洗氫氣分離罐冷液體排放閥開度問(wèn)題仍影響日常維護(hù)效果。