液氮洗原料氣通道壓差波動的原因分析及處理

張成勝，林迥，張明臣，徐慶磊

(山東潤銀生物化工股份有限公司，山東東平 271500)

山東潤銀生物化工股份有限公司(以下簡稱潤銀化工)600 kt/a合成氨原料路線，即改造II期合成氨項目于2017年4月竣工投產，該原料路線改造項目的凈化工序采用低溫液氮洗技術。液氮洗裝置的分離過程屬于物理過程，不發生化學反應。此過程是利用H2與CO、CH4、N2等的飽和溫度相差較大，CO、CH4的飽和溫度比N2、H2的飽和溫度高的特點，將CO、CH4從氣態液化溶解到液氮中，從而達到脫除CO、CH4等氣體雜質的目的[1-3]。該液氮洗裝置由杭州中泰深冷技術股份有限公司設計提供，開車后系統逐漸加滿負荷，但是氮洗塔壓差出現波動，其間被迫幾次停車復溫。

1 液氮洗工藝流程

原料氣來自低溫甲醇洗單元，首先進入吸附器(V-2401A/BⅡ)，將其中微量的甲醇和二氧化碳脫除，以免其在冷箱內凍結進而引起低溫設備和管道的堵塞。吸附器由2臺組成，內裝分子篩，一臺使用，另一臺再生，切換周期為24 h，由程序控制器實現自動切換。分子篩再生用的氣體為低壓氮氣，再生用后的低壓氮氣送往低溫甲醇洗工序的硫化氫濃縮塔作為汽提用氮。從甲醇洗單元來的粗原料氣，經分子篩吸附器將甲醇、二氧化碳等雜質除去后進入1#原料氣冷卻器(E-2405)，與氮洗塔(C-2401)頂部來的凈化氣換熱，冷卻到一定溫度后進入2#原料氣冷卻器(E-2406)繼續冷卻換熱。原料氣進入C-2401底部，在塔中原料氣用液氮洗滌，氣體中CO、CH4、Ar等被液氮吸收后得到精制氣，從C-2401頂部出來經E-2406換熱后，用比例調節方式對其進行配氮，使其氫氮比為3∶1，然后進入E-2405回收冷量。復熱到一定溫度后分為兩路：一路去甲醇洗單元，經回收冷量后返回液氮洗系統；另一路則經中壓氮氣冷卻器(E-2404)復熱后，與從甲醇洗單元回來的氣體匯合后送往合成氣壓縮機，壓縮后再去合成氨裝置[4]。

2 原料氣通道壓差波動的現象及原因分析

2.1 存在的問題

(1) 原料氣進E-2405和E-2406的壓差由最初的36 kPa最高升至130 kPa。

(2) 返流介質洗滌后的合成氣、燃料氣等，出E-2406進E-2405的溫度由-98 ℃最低降至-150 ℃。

(3) 粗合成氣出E-2406進氮洗塔的溫度由-194 ℃最高升至-186 ℃。

(4) 氮洗塔壓差隨著入口原料氣溫度的上升而上升，最終導致氮洗塔淹塔，出口合成氣中CO微量超標，被迫減量甚至切氣處理。

2.2 原因分析

(1) 由于氮洗塔自身的使用特性，當原料氣溫度高于-190 ℃時，氮洗塔洗滌工況不穩定，精餾平衡波動，易造成氮洗塔攔液、液位下降及壓差迅速上漲，最終微量不受控，被迫減量處理。

(2) 入液氮洗原料氣中氮氣含量偏高。由于前工序采用航天粉煤加壓氣化技術，粉煤鎖斗充壓及燒嘴氧氣管線、火檢管線保護氣體均采用高壓氮氣，其中粉煤鎖斗在與粉煤給料罐連通均壓和放料時大約有8 000 m3/h(標態)的氮氣進入輸煤系統，而且加上燒嘴氧氣管線和火檢管線保護氣體2 600 m3/h(標態)，共有10 600 m3/h(標態)的高壓氮氣進入合成氣。在粉煤鎖斗架橋要除橋時，需更多的氮氣進入輸煤系統，在進入液氮洗的原料氣中氮氣體積分數約為6%，液氮洗操作壓力為3.2 MPa(絕壓)，氮氣的分壓為0.192 MPa(絕壓)，對應的飽和溫度為189.9 ℃，原料氣出E-2406的溫度為-193 ℃，達到了其液化溫度，能導致氮氣液化。

(3) E-2405與E-2406之間的溫度越低，E-2406整體溫度越低，原料氣進入E-2406溫度下降得越早，氮氣越提前液化，而液氮在E-2406板式換熱器翅片間形成液膜，造成原料氣通道壓差上升、換熱下降；同時，原料氣入氮洗塔溫度上升，造成氮洗塔攔液，微量超標，被迫減負荷甚至停車處理。

(4) 所用液氮洗裝置為提高氮氣利用率，單獨設計了一路直補液氮通道，即從空分裝置來的液氮流股流經E-2406、E-2405和E-2404為系統補充冷量，復熱后出冷箱，送往低溫甲醇洗工序的硫化氫濃縮塔作為汽提用氮。開車前期，由于此路直補液氮使用不當，加入的液氮過多，使E-2406下部液氮通道滿液，致使液氮氣液分離器(S2403)滿液，使液氮進入氮氣通道，將E-2406溫度降得過低，使燃料氣尾液沒有充分汽化便送出E-2406。

3 處理措施

(1) 控制原料氣溫度24TI2440在-190～-194 ℃，其目的在于控制較低的原料氣溫度，從而防止氮洗塔壓差升高。根據裝置的運行經驗，當原料氣溫度24TI2440較高時，氮洗塔壓差隨之升高，易發生攔液現象，進而引起氮洗塔液位下降、微量升高。因此，目前需在較低的原料氣溫度下維持生產。

(2) 控制較高的板翅式換熱器間溫度24TI2433為-95～-120 ℃。目的在于控制原料氣管線壓差，提高E-2406的換熱效果。當原料氣壓差24PDI14-16升高時，說明E-2406換熱器效果下降，系統運行有趨于惡化的跡象，板間溫度過低是造成原料氣壓差升高的主要原因。因此，要監控好板間溫度的變化趨勢，控制適宜的板間溫度(-95～-120 ℃)，并盡量控制在高限。

(3) 液氮氣液分離器(S-2403)正常生產時，盡量減少使用直補液氮通道，其目的在于防止板間溫度過低，避免造成原料氣管線壓差上升。S-2403補入液氮過多，會造成E-2406下部積液過多；當E-2406液位過高時，換熱效果下降，出E-2406熱介質溫度會隨之升高，嚴重時造成原料氣溫度24TI2440升高(失控)，導致系統運行惡化。因此，正常生產時S-2403應盡量少補液氮。

(4) 在大幅度減量或系統停車時，要防止板間溫度下降過快，其目的在于防止因板間溫度過低，在E-2406生成積液過多，造成生產恢復后工況發生惡化。當原料氣或中壓氮氣熱源介質大幅度降低時，需及時關小出冷箱的冷介質(合成氣、燃料氣、循環氫)，防止板間溫度大幅度降低。

4 結語

原料氣中氮氣含量高是目前生產裝置配制中無法避免的，只能從液氮洗操作方面優化調整以減少波動，對于E-2405與 E-2406之間的溫度要嚴格控制；若發現原料氣通道壓差稍微上漲，應及時調整，防止因積液過多影響換熱。通過大量的實踐和進一步優化調整，原料氣通道阻力可穩定在37 kPa左右，系統能實現穩定長周期運行。

參考文獻

[1] 李燕，張述偉，俞裕國.液氮洗模擬分析與優化[J].大連理工大學學報，2004，44(2)：212- 217.

[2] 賈震宇.液氮洗裝置冷箱凍堵事故分析與討論[J].化肥工業，2014，41(4)：47- 49.

[3] 任多勝.大型合成氨裝置液氮洗工藝流程的優化[J].大氮肥，2011，34(2)：81- 83.

[4] 高峰，馮德林，李凱.傳統液氮洗工藝模擬分析與改造研究[J].化肥工業，2013，40(2)：31- 33.