化工企業空分裝置液氮氣化技術改造及應用

何 艷， 梁 棟

(陽煤集團壽陽化工有限責任公司，山西 壽陽 045400)

1 概述

陽煤集團壽陽化工有限責任公司40萬t/a(一期20萬t/a)乙二醇項目，主要由水處理裝置、鍋爐裝置、空分裝置、煤漿制和氣化裝置、粗煤氣變換、煤氣凈化裝置以及乙二醇合成、精餾等裝置組成。其中，空分裝置為項目提供所需要的氧氣和氮氣；氮氣分為4個等級，低壓氮氣為冷箱直接外送，3個等級的高壓氮氣為液氮經過水浴式汽化器氣化后送至各裝置，液氮氣化所需熱源來自鍋爐裝置產生的蒸汽。

2 存在問題

空分裝置外送的氮氣主要用于機組密封氣、原煤筒倉、產品儲罐、反應器內催化劑等的保護氮氣，以及系統管道吹掃、置換等。且原煤筒倉、產品儲罐等的保護氣需要連續供應。原設計水浴式汽化器氣化氮氣的流程可以滿足系統正常運行時的需求，但是，在鍋爐裝置停車檢修的情況下，蒸汽停止供應，液氮無法液化，導致保護氮氣無法外送，會出現筒倉溫度升高、原料/產品儲罐無保安氮氣，存在安全隱患等情況。且管道置換、保壓也需要用到氮氣。所以，原流程和設備無法滿足系統停車期間的蒸汽需求。如果使用外購氮氣瓶來滿足氮氣需求，投資太大，且外購氮氣的品質也無法保證。

3 改造方案

經過對原設計流程及設備的可改造性研究后，決定對原來的流程進行改造。改造方案主要為：在原有水浴式汽化器的流程中增加電加熱器，與水浴式氣化器形成互為備用，當蒸汽供應不足時切換為電加熱器對液氮進行加熱氣化，當蒸汽滿足需求時，切換為原流程。該方案需增加一臺電加熱器、一臺循環水泵及電控、儀表設施，利用電加熱器對脫鹽水進行加熱，脫鹽水經循環泵送至電加熱器加熱后循環進入水浴式汽化器氣化液氮。此外，若停車后液氮儲槽液位低，亦可外購液氮進行補充，滿足鍋爐停車或者全系統大修期間的氮氣供應。

原設計流程如第130頁圖1，改造后流程如第130頁圖2。

4 設備選型

該項目停車期間氮氣保證需求量為500 m3/h，經過計算，核實需要功率為450 kW的電加熱器一臺，根據脫鹽水熱量載荷核算，需要增加一臺流量為60 t/h的脫鹽水循環泵，并配置低壓電源柜和一臺電氣控制柜進行控制，低壓電源柜采用智能控制器實現雙電源自動切換。電氣控制柜盤面帶有電壓/電流指示、溫度顯示及電源指示、運行指示和故障指示等，并設置有短路保護、過載保護和超溫保護等，確保設備的安全、正常運行。

電加熱器采用本地溫控表、遠程DCS自動控制，設備正常運行時，操作人員只需在開機時在溫控表上設置好溫度參數，即可實現自動溫控，既可以保護設備，又可以保證系統的正常運行。

圖1 原設計液氮氣化流程

圖2 改造后液氮氣化流程

新增電加熱器和循環水泵參數見第131頁表1、表2。

5 操作要點

1) 該改造方案主要在系統0.5 MPa蒸汽停運或者系統檢修時投入使用。

2) 當系統0.5 MPa蒸汽無法滿足水浴式汽化器正常運行時，關閉原蒸汽主管閥門，降低液氮汽化量，準備切換至電加熱器加熱系統。打開新配管路上的閥門，啟動新增水泵并建立起水循環后，打開電加熱器。將電加熱器進口溫度控制在10 ℃以上，進出口溫差控制在5 ℃，保證電加熱器的正常運行。當電加熱器進口溫度低于10 ℃時，需要降低液氮流量，減少冷量。

6 方案投資

該改造方案一次性共計投資約60萬元，包括電加熱器和循環水泵撬裝設備、配管材料、電氣/儀表材料以及施工等全部費用。

表1 電加熱器詳細參數

表2 新加水泵詳細參數

7 注意事項

該改造方案在實施的過程中以及運行過程中需要注意以下幾點。

1) 水浴式汽化器本體開口位置的選擇：由于水浴式汽化器內部的液氮盤管繞內部盤旋布置，所以在選擇開口位置的時候一定要避開盤管位置，否則可能造成盤管損壞，脫鹽水、蒸汽等進入液氮管，造成氮氣污染或帶水，破壞后工序催化劑，并造成設備損壞或報廢。

2) 施工過程中新加管道的內伸長度：由于液氮盤管是貼著儲罐壁附近盤旋，所以新加管道的內伸長度一定要短，如果太長在施工的過程中也可能造成對內部盤管的損壞，同樣會污染外送氮氣。

3) 新加電加熱器功率的選擇：新加電加熱的功率需要滿足液氮氣化所需熱量，所以需要根據停車期間保安氮氣用量來選擇電加熱功率和循環脫鹽水的流量。

4) 嚴格控制液氮流量，在電加熱器功率選定后，需要按照設計功率液化液氮，如果流量太大，可能造成水浴式汽化器內溫度太低，脫鹽水結冰；所以，在正常操作時需關注水浴式汽化器進口溫度，嚴格控制正常進口溫度在10 ℃以上，并根據電加熱器進出口溫差監督電加熱器運行狀況，防止損壞設備。

8 改造后效果

經過對水浴式汽化器進行改造，陽煤集團壽陽化工有限責任公司2018年大修期間，全程供應保護氮氣，筒倉溫度沒有出現升高，儲罐氮氣供應及時，催化劑保護氮氣滿足要求。

效益分析：2018年大修期間，該裝置共運行400 h，保證了筒倉、產品儲罐保安氮氣的連續供應，并在反應器更換催化劑期間，及時提供置換、保護氮氣，同時滿足其他工藝管道的吹掃和置換。該裝置的運行成本約190元/h，大修期間外供氮氣479 067 m3，此部分氣化的氮氣如果使用瓶裝氮氣，需消耗約106 459瓶(每瓶按40 L計算)，且瓶裝氮氣價格昂貴，氮氣質量也無法保證。去掉項目實施成本和運行成本，只大修期間相對于為改造前可節約成本1 519.674萬元。

9 結語

經過對液氮氣化裝置進行改造，可以滿足項目任何情況下的氮氣需求，保證大修期間全廠檢修工作順利進行，筒倉、儲罐等的安全得到保障，改造方案整體達到了安全環保、節約成本的目的。