張明良

(海洋石油富島有限公司, 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司化肥一期(簡(jiǎn)稱化肥一期)合成氨裝置于1996年投產(chǎn),采用英國(guó)ICI-AMV工藝,以南海天然氣為原料,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1 000 t/d無(wú)水液氨[1]。弛放氣氫回收裝置采用德國(guó)LINDE AE工藝,設(shè)有分子篩A/B儲(chǔ)罐、再生氣加熱器和冷箱等設(shè)備,主要用于回收氨合成塔弛放氣中的氫氣,可增加合成氨主裝置液氨產(chǎn)量約130 t/d?；室黄诤铣砂毖b置建設(shè)投產(chǎn)以來(lái),弛放氣氫回收裝置冷箱內(nèi)部的螺旋式換熱器列管多次出現(xiàn)結(jié)冰堵塞,氨合成回路系統(tǒng)及氨合成塔工況變差,氫回收裝置被迫停車退出生產(chǎn)系統(tǒng),冷箱停車解凍后開車運(yùn)行需要耗時(shí)36 h以上,給合成氨裝置的節(jié)能降耗和安全生產(chǎn)帶來(lái)一定影響。

1 氫回收裝置工作原理

氫回收裝置工藝流程見圖1。經(jīng)過(guò)氨回收裝置水洗除去大量氨氣的弛放氣,由2個(gè)交替吸附/再生的分子篩A/B儲(chǔ)罐除水和除微量氨氣(水和氨的體積分?jǐn)?shù)均小于0.1×10-6),一個(gè)分子篩儲(chǔ)罐吸附時(shí),另一個(gè)分子篩儲(chǔ)罐再生。從分子篩出來(lái)的純凈弛放氣以壓力為10.13 MPa的條件進(jìn)入冷箱,在螺旋式換熱器與氣液分離器底部的液相冷產(chǎn)品進(jìn)行換熱后被冷卻,依據(jù)氣體液化溫度(T氮?dú)?-193 ℃、T氬氣=-186 ℃、T氫氣=-253 ℃、T甲烷=-161 ℃、T氦氣=-269 ℃)的不同進(jìn)行深冷分離處理(設(shè)計(jì)溫度為-192 ℃),大部分的氮?dú)?、甲烷、氬氣和少許氫氣被冷凝為液相,并在氣液分離器中儲(chǔ)存下來(lái),產(chǎn)品氫氣(設(shè)計(jì)體積分?jǐn)?shù)為91.29%)由氣液分離器上部經(jīng)過(guò)返氫調(diào)節(jié)閥返回至氨合成回路壓縮機(jī)入口,到氨合成塔進(jìn)行反應(yīng)回收。被冷凝的液相產(chǎn)品作為冷箱的冷量來(lái)源[2],通過(guò)液位調(diào)節(jié)閥將液相節(jié)流減壓膨脹至0.354 MPa的尾氣,在螺旋式換熱器中將冷量傳遞給弛放氣,冷箱出口排放的尾氣(φ氫氣=21.16%、φ甲烷=17.47%、φ氮?dú)?57.82%、φ氬氣=3.55%)一部分作為分子篩的再生氣,再生后的氣體和水洗后的氨氣混合后送往一段爐作為燃料氣燃燒[3]。

圖1 氫回收裝置工藝流程

2 結(jié)冰現(xiàn)象及判斷

引起冷箱螺旋式換熱器列管內(nèi)部結(jié)冰的物質(zhì)冷凝點(diǎn)較低,主要集中在液相制冷一端;列管內(nèi)壁結(jié)冰后,內(nèi)部流通面積降低,冷箱下部排放的尾氣流量減少,尾氣的制冷量不足導(dǎo)致冷箱溫度出現(xiàn)上漲。螺旋式換熱器列管為氨合成塔弛放氣的通道,結(jié)冰堵塞會(huì)造成氨合成塔弛放氣流量下降,氨合成回路主要表現(xiàn)為壓力上漲、氨合成塔出口溫度下降和氨產(chǎn)量下降。為了維持氨合成塔正常反應(yīng)工況,開大返氫調(diào)節(jié)閥增加弛放氣流量,降低氨合成回路壓力。由于冷箱流通量和制冷量不足,冷箱返回氨合成塔入口氫氣的流量和純度出現(xiàn)持續(xù)下降,氫氮比失調(diào)會(huì)降低氨合成塔的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。

螺旋式換熱器列管內(nèi)部結(jié)冰初期,通過(guò)打開氫回收裝置旁路調(diào)節(jié)閥,退出冷箱部分弛放氣,降低冷箱生產(chǎn)負(fù)荷,可緩解冷箱溫度上漲的速率。但是因列管內(nèi)部的結(jié)冰問(wèn)題一直存在,冷箱內(nèi)部的溫度上漲至-185 ℃時(shí),氣液分離器上部返回氨合成塔入口的氫氣純度不再滿足生產(chǎn)工藝指標(biāo),冷箱應(yīng)做停車查明結(jié)冰堵塞原因,進(jìn)行解凍檢修處理。

3 原因分析

3.1 氨進(jìn)入冷箱列管

3.1.1 氨回收裝置負(fù)荷高

弛放氣經(jīng)過(guò)氨回收裝置水洗除氨氣(氨體積分?jǐn)?shù)小于100×10-6),獲得的液氨產(chǎn)品送往氨儲(chǔ)罐。在尿素裝置開停車期間,合成氨裝置冷凍回路系統(tǒng)生成的熱氨流量增加,閃蒸出的氨氣較多,系統(tǒng)無(wú)法冷卻多余的氨氣;送往氨回收裝置的閃蒸氨氣量增加,貧液再生效果下降。氨吸收塔負(fù)荷偏高時(shí),水洗后的弛放氣中氨體積分?jǐn)?shù)超出100×10-6,超出指標(biāo)的這部分氨氣無(wú)法被氫回收裝置的分子篩吸附,在冷箱內(nèi)部列管持續(xù)累積出現(xiàn)結(jié)冰凍堵。

3.1.2 氨回收裝置設(shè)備故障

氨回收裝置再生塔底部的貧富液換熱器列管腐蝕穿孔,貧液中摻混進(jìn)入了部分富液,貧液水洗除去弛放氣中氨氣的能力下降,進(jìn)入冷箱的氨氣含量增加;氨回收裝置貧液泵為往復(fù)泵,輸送貧液的壓力較高,泵損壞未及時(shí)檢修處理時(shí),一旦運(yùn)行泵出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致貧液流量下降,貧液水洗吸收氨氣效果降低,氨吸收塔出口氨含量超標(biāo)。

3.1.3 氫回收裝置液位調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏

氫回收裝置液位調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)氣液分離器的液位和冷箱的制冷量,將分離器底部液相的壓力由10.13 MPa減壓至0.35 MPa,為螺旋式換熱器提供冷量來(lái)源,閥門前后的壓差高達(dá)9.78 MPa。高壓差給液位調(diào)節(jié)閥帶來(lái)的沖擊和振動(dòng)較大[4],閥體自身產(chǎn)生的振動(dòng)引起閥芯與閥桿的連接螺紋松動(dòng),閥芯在高壓氣流的沖擊下與閥座發(fā)生持續(xù)撞擊,閥芯末端出現(xiàn)了較深的磨損凹槽,液位調(diào)節(jié)閥在關(guān)閉狀態(tài)時(shí),閥芯與閥座無(wú)法完全密封閉合(見圖2)。

圖2 閥芯與閥座磨損出現(xiàn)凹槽

由于氨回收裝置水洗后的氨氣排放管道與氫回收裝置出口的尾氣管道共用,氨回收裝置開車投運(yùn)期間,水洗后的氨氣由此排放,當(dāng)冷箱液位調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)內(nèi)漏時(shí),帶有一定壓力的氨氣由冷箱尾氣出口管道倒流進(jìn)入冷箱列管內(nèi)部,待到冷箱開車制冷降溫時(shí),氨氣在列管內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)冰堵塞。

3.2 水進(jìn)入冷箱列管

3.2.1 分子篩程序運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不當(dāng)

氫回收裝置分子篩的工作壓力為0.20～10.13 MPa,分子篩A/B儲(chǔ)罐充壓、泄壓切換過(guò)程中的時(shí)間和速率由程序運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)控制。若充壓和泄壓速度的程序參數(shù)設(shè)置不當(dāng),如壓力變化的速率過(guò)快,會(huì)使得分子篩內(nèi)部發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞,分子篩出現(xiàn)粉化破碎,縮短使用工作壽命,使活性下降。另外,分子篩粉化生成的粉塵容易堵塞分子篩出口的水分微量檢測(cè)儀,造成檢測(cè)分析數(shù)據(jù)指示失真,分子篩出口弛放氣水分含量超標(biāo)后難以被發(fā)現(xiàn)。

3.2.2 冷箱入口切斷閥內(nèi)漏

分子篩備用罐開車投運(yùn)前,應(yīng)先除去材料內(nèi)部含有的結(jié)晶水,一般需要加熱再生運(yùn)行24 h以上。運(yùn)行罐分子篩內(nèi)部的壓力為10.13 MPa,其出口的弛放氣水分含量不合格,如有水分含量不合格的弛放氣由冷箱入口切斷閥泄漏進(jìn)入冷箱列管內(nèi)部,會(huì)引起冷箱的壓力出現(xiàn)上漲,而較高的壓力不利于冷箱下一步開車制冷,需要打開放空管線閥門將對(duì)冷箱的壓力泄壓排放至放空總管,泄壓過(guò)程中會(huì)帶入更多水分含量不合格的弛放氣進(jìn)入冷箱列管內(nèi)部,待到冷箱制冷開車時(shí)便會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰堵塞。

4 處理措施

4.1 降低氨回收裝置負(fù)荷

在尿素裝置開停車期間,將部分來(lái)自冷凍回路的氨氣退出氨回收裝置,降低氨回收裝置負(fù)荷,提高再生塔底部溫度,增加吸收塔貧液的再生度。通過(guò)調(diào)節(jié)貧富液換熱器旁路閥的流通量,適當(dāng)降低貧液的溫度,提高貧液水洗吸收氨氣的能力。

4.2 優(yōu)化生產(chǎn)管理方式

加強(qiáng)氨回收裝置的溶液管理,將氨回收工藝指標(biāo)納入生產(chǎn)管理系統(tǒng),增加貧富液換熱器進(jìn)出口濃度分析數(shù)據(jù),定期對(duì)再生塔貧液、吸收塔出口弛放氣氨含量進(jìn)行手動(dòng)取樣分析檢驗(yàn),及時(shí)優(yōu)化調(diào)整工況,檢修損壞的泵設(shè)備。

4.3 加固閥芯與閥桿連接

利用冷箱停車檢修機(jī)會(huì),更換氫回收裝置液位調(diào)節(jié)閥閥芯和閥座,對(duì)閥芯和閥桿的連接方式進(jìn)行加固,在原設(shè)計(jì)的螺紋連接基礎(chǔ)上增加4處環(huán)形點(diǎn)焊,防止閥芯在高壓差液相尾氣的沖擊下出現(xiàn)松動(dòng)脫開,降低閥芯與閥座撞擊磨損的概率(見圖3)。

4.4 變更程序運(yùn)行參數(shù)

優(yōu)化變更分子篩程序充壓和泄壓控制參數(shù),測(cè)試分子篩程序在不同參數(shù)下的充壓和泄壓速率,將壓力變化速率控制在0.2 MPa/min以內(nèi),分子篩充壓時(shí)間由900 s延長(zhǎng)至2 680 s,泄壓時(shí)間由1 100 s延長(zhǎng)至1 750 s,保證在程序運(yùn)行規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成分子篩在各個(gè)階段的運(yùn)行步驟,延長(zhǎng)分子篩的使用壽命。

4.5 優(yōu)化不合格弛放氣排放操作

氫回收裝置開車期間如發(fā)現(xiàn)冷箱壓力持續(xù)上漲,應(yīng)及時(shí)排查是否有不合格弛放氣從冷箱入口切斷閥內(nèi)漏進(jìn)入冷箱,從冷箱入口切斷閥導(dǎo)淋閥處排放不合格弛放氣,從源頭避免水分超標(biāo)的弛放氣進(jìn)入冷箱螺旋式換熱器列管內(nèi)部。

5 結(jié)語(yǔ)

ICI-AMV工藝弛放氣氫回收裝置具有氫氣回收率高、公用工程消耗低等特點(diǎn),氫回收裝置冷箱正常運(yùn)行時(shí),制得的氫氣產(chǎn)品可直接補(bǔ)充到氨合成塔入口,氫氮比的合理調(diào)配有效提高了氨合成塔的氨凈值,生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益顯著。本文通過(guò)總結(jié)歸納化肥一期氫回收裝置投產(chǎn)以來(lái)冷箱列管內(nèi)部結(jié)冰堵塞的原因,采取有效措施降低裝置停車次數(shù),保證了裝置長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行,為同類生產(chǎn)裝置提供參考。