液氮洗冷量過剩的原因分析與改進措施

趙 巖,徐程程

(中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司采用荷蘭Stamicarbon尿素2000+技術及荷蘭荷豐霧化流化床造粒技術,配備30萬t/a合成氨、52萬t/a大顆粒尿素裝置。尿素裝置于2015年5月9日投產，投產第一年生產尿素 53.3萬t，順利達產。

1 液氮洗工藝原理

液氮洗采用杭氧液氮洗冷箱技術，利用分子篩吸附器脫除來自低溫甲醇洗系統內凈化氣中的CO2、CH3OH高沸點物質，吸附后的工藝氣體進入液氮洗冷箱。冷箱工藝是利用液氮在-189 ℃低溫條件下吸收合成氣中殘余微量雜質(CO、CH4、Ar等[1])，塔頂產品氣經配N2、加熱后，按H2與N2的體積比為3∶1的合成氣送合成氣壓縮機，塔底洗滌尾液經換熱后向燃料氣系統輸送燃料氣。

液氮洗洗滌去除過程接近于精餾，屬于物理過程。該工藝將CO、CH4溶解到液氮中，利用CO、CH4的沸點比N2高達到脫除雜質氣體的目的(見表1)。該工藝只有當氣體液化溫度低于該氣體的臨界溫度才能實現，由于N2和CO的汽化潛熱非常接近，因此，基本認為液氮洗是等溫過程。

表1 氣體參數表

由表1可知：各氣體組分的臨界溫度較低，N2的臨界溫度為-147.10 ℃，決定了液氮洗必須在低溫下進行；低溫液氮洗過程中，CH4、Ar、CO易溶解于液氮，而原料氣體中的H2因其沸點遠低于其他組分而不易溶解于液氮，從而達到脫除原料氣體中CH4、Ar、CO的目的。

2 液氮洗工藝運行冷量現狀

2.1 工藝流程

液氮洗工藝洗滌凈化氣體所需冷量，一部分來自板式換熱器回收液氮洗滌塔尾液節流產生的冷量;另一部分來自高壓N2節流液化成低溫液氮產生的冷量。在1#原料氣冷卻器(E04302)內，凈化氣被返流的合成氣、燃料氣及循環H2冷卻到-120 ℃后進入2#原料氣冷卻器(E04303)，與返流的合成氣、燃料氣及循環H2進行換熱，使出E04303的溫度(TI04339)降至-188 ℃后，進入液氮洗塔(C04301)的下部，降低原料氣的溫度。根據冷凝溫度不同，將原料氣中的CO、CH4等雜質洗滌出去，塔頂送出合格的合成氣[2];塔底含有雜質的液體經過減壓、復熱送往燃料氣管網，進入熱電車間1#鍋爐燃燒。液氮洗工藝流程見圖1。

C04301—液氮洗滌塔；S04302—H2分離罐；S04303—尾氣氣液分離罐；M04301—高壓N2混合器；E04301—高壓N2冷卻器；E04302—1#原料氣冷卻器；E04303—2#原料氣冷卻器；FIC04310—高壓氮氣流量；FV04309—粗配高壓氮氣閥門；LV04301—氮洗塔液位調節閥門；TV04339—燃料氣溫度控制閥門；HV04301—燃料氣補液氮閥門；KV04316—控制合成氣量至甲醇洗閥門。圖1 液氮洗工藝流程

2.2 冷量過剩排放

按照目前運行工況，開大尾液調節閥門(TV04339)可增大系統換熱冷量。實際運行過程中，調節TV04339開度為40%，可滿足系統滿負荷運行，繼續開大閥門將會造成冷箱內尾氣氣液分離罐(S04303)內積液，引起燃料氣管線內冷量過剩，導致E04303出口溫度從-90 ℃驟降至-150 ℃，造成冷箱內驟冷，系統溫度出現波動。當冷箱局部溫度驟冷時， 說明內部冷量已經不均衡， 現場迅速打開冷箱氣液分離器排冷閥， 將燃料氣管線多余的冷量排出系統[3]。在這種工況下，為維持系統液位平衡，手動打開H2分離罐(S04302)底部排放，富裕冷量排入冷凝液體收集罐(T04301)內，通過低壓N2送入尾氣加熱器(E04306)內加熱至40 ℃送入火炬系統燃燒。

冷箱持續排放液體，造成冷量浪費、能耗增加。冷量過剩，可在保證 CO 含量不超標的前提下，適當減少洗滌氮量和冷劑壓縮機負荷平衡冷量[4]。其間，通過調整進入冷箱高壓N2氣量控制洗滌塔液位，在S04302排液閥門未完全關閉情況下，合成氣出口在線CO含量上漲，及時恢復高壓N2量后，合成氣出口CO含量下降。此種調節方法效果不佳，為避免尾液加熱排放造成浪費，決定對其回收利用。

3 尾氣排放

3.1 可行性分析

液氮洗分子篩設計泄壓時間為30 min，實際為10 min。為避免尾氣加熱壓力升高過快，利用分子篩泄壓管線截止閥門將泄壓時間控制在25 min。經過連續3次現場觀察，分子篩泄壓過程中尾氣最高壓力為15 kPa，說明尾氣放空管線設置調節閥門方案可行。

3.2 改造措施

工藝立項后，對接設計院進行工藝設計變更，在尾氣加熱器入口與出口管線處增加盲板，導淋接入低壓N2置換；關閉燃料氣管線入口截止閥門，通過出口導淋接入低壓N2置換；提前預制改造管線閥門，安全分析合格后安裝焊接。增加尾氣排放閥門(PV04312A)控制尾氣放空壓力，通過旁路增設閘閥管線進行尾氣回收，后至燃料氣管線送1#鍋爐燃燒。改造圖見圖2，其中虛線為改造部分。

E04306—尾氣加熱器；PV04312—燃料氣控制閥門；PV04312A—尾氣放空控制閥門；PIC04312—燃料氣壓力；FI04304—燃料氣流量；PT04312A—尾氣放空壓力。圖2 尾氣回收改造圖

3.3 注意事項

制定尾氣投用方案并進行安全分析，提前與調度、鍋爐溝通，確保至鍋爐燃料氣管線壓力穩定、鍋爐燃料氣投用正常、進入1#鍋爐前放空閥門聯鎖投用正常。

將E04306至PV04312后新加管線閥門緩慢打開，同時現場緩慢關小E04306至火炬截止閥門，觀察E04306出口就地壓力表，PV04312A壓力稍高于70 kPa的設定壓力。

鍋爐投用燃料氣并入尾氣后溫度升高，觀察至鍋爐界區燃料氣壓力與流量變化，確保尾氣并入系統。尾氣投入運行后，E04306工作壓力高于平時，中控調節注意液氮洗系統排冷量，穩定液氮洗系統冷熱平衡。

4 效益分析

對燃料氣與冷排放復熱氣體進行取樣并分析，結果見表2。

表2 燃料氣與冷排放復熱尾氣分析數據對比 %

由表2可知：冷排放復熱氣體與燃料氣成分基本相同，實際運行中燃料氣投用至鍋爐中燃燒效果較好。實際運行中，按照PV04312控制壓力為53 kPa、體積流量為3 000 m3/h、溫度為32 ℃計算，鍋爐可節約1.5 t/h動力煤。

富裕冷量經過尾氣加熱器后并入燃料氣管線進入鍋爐，提高了燃料氣工作壓力，增加了燃料氣流量，冷排放尾氣投用前后燃料氣系統的數據對比見表3。

表3 冷排放系統改造后投用數據對比

由表3可知：冷排放復熱尾氣體積流量增加約1 000 m3/h，可增加有效H2體積流量為37.3 m3/h、有效CO體積流量為437.7 m3/h；按H2標準熱值為1.43×108J/kg、CO標準熱值為1.18×108J/kg計算，可替代動力煤為0.51 t/h。鶴崗當地動力煤價格為300元/t，一年(330 d)可創造效益121萬余元，有效減少了裝置能耗，達到降本增效的目的。

5 結語

通過設計改造液氮洗E04306出口放空路線，將富裕的冷量加熱后回收利用，不僅解決了尾氣排放至火炬造成的浪費，還取得了較好的經濟效益。為節省檢修施工時間，可考慮預制設備管線，尤其是設備管線的基礎以及平臺的制作。