氮氣密封應用

孫川川（安陽化學工業集團有限責任公司，河南安陽 455133）

氮氣密封應用

孫川川（安陽化學工業集團有限責任公司，河南安陽 455133）

我公司將1臺11663m3甲醇儲槽（碳鋼材質），通過增加氮氣密封系統，改造為儲存DMF。

DMF；氮氣密封；自調閥；呼吸閥

1 概況

我公司現有2套DMF生產裝置，年產15萬噸，而罐區儲存量為4300噸，且公司新建一套DMAC裝置，因用地緊張，需占用DMF罐區1臺1000m3、1臺200m3用來存貯DMAC產品，造成DMF罐區緩沖能力偏小，無法滿足正常生產需要，故需新增1臺大型儲罐來滿足DMF生產需要。

根據產銷平衡測算，新增一臺儲罐儲存容量需要滿足DMF10天的生產負荷，經計算，需增1臺5000 m3以上的儲罐。

我公司現有1套甲醇生產裝置，年產量6萬噸，并配套建設有2臺10000m3甲醇儲槽，材質為碳鋼，且甲醇儲槽僅有1臺在使用。該儲槽主要材質為16MnR，直徑30米，總高19.8米，設計壓力2.5Kpa，設計溫度50℃，為浮頂式儲罐，頂部設有通氣孔。

2 新增儲罐方案

2.1 方案一：新建一臺5000 m3DMF儲罐

根據圓柱體體積公式進行計算，新建儲罐尺寸為φ20000× 16000。

按照《石油化工企業設計防火規范》規定，DMF火災危險性屬于乙B類，必須為其儲罐配套建設罐區相關設備設施，即新增防火堤、環形消防通道、消防設施等等，按照《石油化工企業設計防火規范》中6.2規定進行計算，該儲罐需占地約50米×50米，共計2500m2。

該儲罐設計壓力為常壓，設計溫度為常溫，需按照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》進行設計，經初步設計核算約需鋼材160t。為保證DMF儲存品質，一般常壓DMF儲罐設計材質均為304不銹鋼，初步核算儲罐建造成本為400萬元左右（僅為儲罐制造成本，未含土建、消防等配套設施）。

因該方案需要新增用地面積，且投資成本高，并考慮公司用地緊張，予以否決，未采納。

2.2 方案二：將現有1臺10000m3甲醇儲槽改造為DMF儲槽

DMF學名：二甲基甲酰胺，常溫下為無色、有微弱的特殊臭味液體，分子式C3-H7-N-O。分子量73.10。相對密度0.9445（25℃）。熔點-61℃。沸點152.8℃。閃點57.78℃。蒸氣密度2.51。蒸氣壓0.49KPa（3.7mmHg25℃）。自燃點445℃。折射率1.42817，溶解度參數δ=12.1。

DMF對碳鋼的腐蝕機理：其本身對金屬不產生腐蝕，但碳鋼材質易氧化生成氧化鐵，并溶于DMF中，造成總鐵、電導、色澤等質量指標不合格，影響產品質量，故DMF儲槽、管道材質一般采用304不銹鋼。

2.3 改造方案

方案一：噴砂除銹，并進行酸洗鈍化，采用氮氣密封保護。

工作原理：利用DMF對金屬不產生腐蝕，只是溶解金屬氧化物的特性，將儲罐內壁除銹還原為金屬本色，并采用惰性氣體氮氣進行保護，保證碳鋼不氧化生成氧化物，從而保證DMF產品品質合格。

工作方案：選用鹽酸為主清洗劑，氫氟酸為輔助清洗劑，wnd-301中性清洗劑作為漂洗、螯合劑，同時選用高效緩蝕劑Lan-826，表面活性劑作為濕潤劑。化學清洗程序：系統水力沖洗──除油脫脂──水洗──酸洗──水洗──漂洗──鈍化──清理──檢查驗收──氮氣密封保壓0.02-0.05KPa。

氮氣密封工藝流程如下所示：

氮氣進口——控制閥——自力式微壓調節閥——儲罐；儲罐——呼吸閥——氮氣放空

氮氣密封的工作原理：當儲罐內壓力低于設定值時，自力式微壓調節閥打開，充入氮氣；當儲罐內壓力達到設定值時，自力式壓力調節閥關閉；當儲罐內壓力超過設定值時，呼吸閥打開，泄壓；泄壓完成后，呼吸閥自動關閉。

氮氣密封在DMF碳鋼儲槽中的應用實例，目前全國僅有3家，分別為：

內蒙古遠興江山化工有限公司2臺5000M3碳鋼DMF儲槽

浙江江山化工有限公司（常州罐區）2000M3碳鋼DMF儲槽

浙江江山化工有限公司5臺1000-2000M3碳鋼DMF儲槽

工程造價及施工周期：該方案預估總造價為150萬元，施工周期30天。

方案二：噴砂除銹，并噴涂無機硅酸鋅漆。

工作原理：除銹，并涂覆無機硅酸鋅漆，將DMF與碳鋼隔絕，從而保證DMF產品品質合格。

該方案在DMF碳鋼儲槽中的應用實例暫無，且公司對SIG?MAGUARD750（無機硅酸鋅漆）產品進行了測試，在DMF分離器180℃下浸泡4天，未發現溶解現象。但其膨脹系數與碳鋼不同，在熱脹冷縮情況下易造成涂層開裂。

工程造價及施工周期：該方案預估總造價為130萬元，施工周期30天。

方案三：噴砂除銹，并噴涂金屬鋅（鋁）

工作原理：除銹，并涂覆金屬鋅（鋁），將DMF與碳鋼隔絕，從而保證DMF產品品質合格。

該方案在DMF碳鋼儲槽中的應用實例暫無，且公司對金屬鋅（鋁）產品進行了測試，在DMF分離器180℃下浸泡4天，發現輕微溶解現象。

工程造價及施工周期：該方案預估總造價為300萬元，施工周期40天。

方案四：噴砂除銹，并噴涂不銹鋼漆

工作原理：除銹，并涂覆不銹鋼漆，將DMF與碳鋼隔絕，從而保證DMF產品品質合格。

工程造價及施工周期：該方案預估總造價為250萬元，施工周期40天。

2.4 方案比較及選擇

方案一優點：

投資成本低，施工周期短

有成熟的實用例子，并且經過了公司派員實地進行考察，確認使用效果良好，完全滿足產品要求

公司有富裕氮氣可供利用

方案一缺點：

儲罐使用中消耗氮氣，產生使用成本

方案二優點：

投資成本低，施工周期短，無使用成本

方案二缺點：

涂覆材料膨脹系數與碳鋼不同，在熱脹冷縮情況下易造成涂層開裂，影響產品品質

無實際實用實例可供參考

方案三優點

無使用成本

方案三缺點

投資成本高，施工周期長

儲罐內介質DMF對涂覆材料有輕微溶解現象，影響產品品質

無實際實用實例可供參考

方案四優點

無使用成本

方案四缺點

投資成本高，施工周期長

涂覆材料膨脹系數與碳鋼不同，在熱脹冷縮情況下易造成涂層開裂，影響產品品質

無實際實用實例可供參考

經過公司內部多次開會討論，并派員實地進行考察，確定采用方案一，即噴砂除銹，并進行酸洗鈍化，采用氮氣密封保護。理由主要為必須在保證產品品質穩定，不受影響的前提下，再考慮施工成本和施工周期。因為儲罐產品現在售價在5000-8000元/噸，而滿負荷時儲罐儲DMF量為10000噸左右，總價值約5000-8000萬元，如果所選方案出現問題，導致產品品質出現問題，將會為公司帶來巨大的直接損失和間接損失，這是公司無法承受的，且所有方案的施工周期和施工成本與此比較，均不值一提。而所有方案中只有方案一有成功例子可供參考，故為了慎重期間，公司參會人員一致同意采用方案一。

3 運行效果及評價

3.1 運行效果

該改造項目自2012年11月開工，2013年2月投入使用，運行至今效果良好，完全滿足生產要求，徹底解決了產銷存矛盾，并略有富裕，儲罐儲存容積基本維持在30%-70%。產品品質經多次檢測，入罐前與入罐后無差別，完全滿足銷售需求。

氮氣密封系統中自力式微壓調節閥使用效果偏差，經常處于關閉狀態，需要將旁路手動閥打開（開到最小）。主要原因為設計管徑偏大，設計管徑為DN100，根據實際情況，管徑僅需與DMF進出口管徑保持一致就可以滿足要求，即DN50；且自力式微壓調節閥調節壓力過低，為0.5—1.5Kpa，處于其工作范圍極限附近，導致其運行效果差。

3.2 評價

通過對現有設備設進行改造，使其獲得新生的同時，并產生更大的利用價值，解決了產銷存矛盾。為公司創造巨大價值的同時，節約了大量的施工時間和施工成本。

雖然公司自產氮氣富裕，且氮氣消耗量少，但使用中消耗部分氮氣還是產生了浪費。目前公司正在考慮將該部分氮氣進行回收。

［1］王榮貴、劉道芬《常壓、低壓儲罐呼吸量的確定及呼吸閥的選用》，化肥設計，2007，45（2）.

［2］《石油庫節能設計導則》SH/T3002-2000.

［3］《常壓及低壓儲罐通風的推薦作法》SY/T6673-2006.

［4］《石油化工企業設計防火規范》GB50160-2008.

［5］《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》GB50341-2003.

3.4 在軟水定期排放工藝管線加裝控制閥，實現手動與自調同時控制排放；（見改造后的工藝圖）

3.5 將換熱管泄漏的對稱用不銹鋼堵頭楔入焊接；

3.6 將裂紋打磨磨光后，氬弧打底探傷合格后手工堆焊；

3.7 定期連續監控取樣化驗分析水質指標，優化調節確保軟水質量，Cl-控制在10ppm以下。

4 技改后的效果

4.1 技改后，工藝操作具有彈性，工藝運行穩定，自產外送蒸汽達到設計指標；

4.2 脫鹽水進水量穩定在4.5m3/h，液位建立在45%-52%；定期排放的手動、自調雙向控制在0.1m3/h左右，pH值嚴格控制在7.5左右，廢鍋工藝氣出口的自調閥打開，溫度平穩的控制在380℃左右，并且廢鍋自產蒸汽壓力大于2.96MPa；

4.3 在設備運行兩年后，檢查管板、換熱管情況較好，沒有產生裂紋、泄漏、腐蝕的情況。

5 結語和優化的方向

5.1 將廢鍋設備的換熱管管芯進行備件化、可及時更換；

5.2 將定期排放的軟水進行回收接至工藝管網，降低能耗；

5.3 設備制造時選材使用Cr、Mo合金元素的材料，制造時嚴格按國標進行，已消除焊接制造應力

結束語：上述技改后，轉化廢鍋工藝運行狀況良好，達到設計產能，滿足轉化生產裝置的滿負荷生產運行。

參考文獻：

［1］林玉娟，楊達，馮永利.應用SolidWorks進行U型管式換熱器管板的應力分析.科學技術與工程，2010（3）.

［2］劉敏珊，李亞楠，董其伍，王素珍，劉彤.新型廢熱鍋爐高低溫管板應力數值分析.期刊論文-壓力容器，2007（11）.

作者簡介：申國威（1968-），男，新疆中泰化學股份有限公司技術中心、副主任工程師，研究方向：科技研發。

孫川川，男，籍貫：河南省武陟縣，1982年10月，單位：安陽化學工業集團有限責任公司，職稱：助理工程師，研究方向，化工設計。