低溫甲醇洗系統異常工況原因分析及解決方案

蔡 航

（陜西渭河煤化工集團有限責任公司，陜西渭南 714000）

1 概 述

陜西渭河煤化工集團有限責任公司（簡稱陜西渭化）一期大化肥項目設計產能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素，1996年5月建成投產，生產線采用當時世界上先進的德士古水煤漿氣化、林德低溫甲醇洗及液氮洗、丹麥托普索氨合成以及東洋工程ACES尿素生產工藝。

陜西渭化合成氨裝置與尿素裝置于2019年8月進行年度計劃檢修后一次開車成功，但在隨后的加負荷過程中遇到了問題，主要表現為：①低溫甲醇洗系統甲醇換熱器（E07）前的分離罐液位居高不下，導致甲醇循環量受限，明顯低于檢修前；②E07換熱效果較檢修前遠遜，系統冷量不能得到有效回收，即使用于補充冷量的氨冷器的負荷已達極限，低溫甲醇洗系統冷區溫度仍較檢修前偏高。低溫甲醇洗系統的異常工況導致合成氨裝置生產負荷不能達到100%，當時的各項工藝調整措施均無效，且隨著系統運行時間的延長，E07對甲醇循環量的限制越來越大，其換熱效果也更加糟糕，迫使合成氨裝置負荷逐漸調低，系統運行的經濟性受到嚴重影響。

2 異常現象及原因分析

甲醇換熱器（E07）為繞管式換熱器，兩股富甲醇流體逆流換熱——管程介質為甲醇洗滌塔（C01）脫硫段來的富甲醇，換熱后進入循環氣閃蒸罐 （V02）；殼程介質為經CO2閃蒸罐（V07）分離出的富甲醇，由CO2給料泵（P02）送入E07殼程換熱后進入CO2解吸塔（C02）。從低溫甲醇洗系統檢修前后各工藝參數的比較中篩選出變化明顯的兩處，具體如下。

2.1 甲醇換熱器換熱效率下降

近年甲醇換熱器（E07）運行數據見表1。與檢修前運行數據相比，2019年9月低溫甲醇洗系統重啟后，E07管程進口與殼程進口／出口溫度數據變化不大，但管程出口溫度有較大回升，從檢修前后E07各溫度點的分析可以看出，其對數平均溫差增大趨勢明顯，表征其換熱效率下降。

表1 近年甲醇換熱器（E07）運行數據摘選

2.2 CO2閃蒸罐液位持續高報

2.2.1 初步分析

CO2閃蒸罐（V07）液位持續高報，設置在CO2給料泵（P02）出口的流量調節閥已全開，泵出甲醇量不足，形成對低溫甲醇洗系統中甲醇循環量的限制。期間曾采取P02-1和P02-2同時運行（設計上P02為一開一備）、關閉泵回流閥、泵啟動前充分排氣等措施，均未見效。

收集近年來CO2給料泵（P02）入口、出口壓力及流量調節閥開度、泵出流量等數據（見表2），通過時間軸進行縱向比較，可以發現P02進出口壓力的變化并不明顯，但其運行狀態大致可分為四個階段，三個時間節點分別如下。

表2 近年CO2給料泵（P02）運行數據摘選

（1）2016年11月（節點一）之前E07運行正常，P02單泵運行且其出口流量調節閥開度在60%左右即可滿足系統100%負荷運行所需；2016年11月（節點一）之后，P02單泵運行但其出口流量調節閥全開方能滿足系統100%負荷運行所需。結合2017年6月系統停車檢修過程中發現CO2閃蒸罐（V07）上游繞管式換熱器（E06）內漏的情況，可初步判斷，2016年11月（節點一）前后P02運行狀態的變化與E06內漏有直接關聯。

（2）2017年6月（節點二）檢修后，P02需雙泵運行才能滿足系統甲醇循環量的需求，初期P02出口流量調節閥開度仍有余量，后來P02出口流量調節閥需全開方能滿足系統100%負荷運行所需。此時對問題的判斷導向已傾向于將P02出口流量不足與E06內漏相關聯，加之當時E07換熱效果正常，導致對甲醇循環量受限的問題判斷不準確。

（3）2019年8月（節點三）檢修中將CO2閃蒸罐（V07）上游換熱器（E06）內漏問題消除，但2019年9月合成氨裝置重啟后，低溫甲醇洗系統運行情況進一步惡化，P02雙泵運行且其出口流量調節閥全開的情況下甲醇循環量仍持續下降。

基于上述分析，初步認為E07殼程通道堵塞是導致低溫甲醇洗系統甲醇循環量持續下降的主要原因。

2.2.2 問題診斷

陜西渭化組織技術人員對E07殼程通道堵塞原因進行分析，得出如下結論。

（1）繞管式換熱器具有換熱面積大、空間利用率高、流場發展充分等優點，適用于在小溫差下需要傳遞較大熱量且管內介質操作壓力較高的場合；但E07多年未曾清洗，因其繞管結構緊湊的特點，流體中的懸浮物一旦進入繞管式換熱器殼程，在交錯密布的管束間極易堆積，久而久之不但影響其整體換熱效果，嚴重時也將對介質流通量形成限制。

（2）P02入口濾網因歷史原因取出，在其后10多年的運行中均未對E07運行造成明顯影響，使得技術人員對其存在的必要性考慮不到，導致濾網長時間缺位。

（3）從P02運行狀態變化的三個時間節點進行分析，前兩次合成氨裝置年度停車檢修中，因檢修項目涉及動火作業，均對部分甲醇流通管線進行了水沖洗置換，存在置換水排放不徹底而在系統重啟后進入循環甲醇中的可能，在H2S存在的情況下，金屬腐蝕物脫落進入E07；加之自2017年以來甲醇再生塔（C04）回流冷凝器數次內漏，循環水進入了循環甲醇系統，導致循環甲醇中水含量＞2%，這對E07殼程通道堵塞也有較大貢獻。

（4）2019年8月系統檢修中，對CO2閃蒸罐（V07）上游繞管式換熱器（E06）進行了換熱管堵漏處理，期間E06管程／殼程流通空間在水沖洗置換之余，在相當長的時間內均暴露在空氣中，設備本體表面硫化物保護層氧化脫落，且在設備檢修結束復位后亦未對設備內空間進行惰性氣置換和化學處理，E06檢修過程中設備本體的脫落物在系統重啟后進入甲醇中隨之循環，流入并積存在下游的E07殼程通道而形成堵塞。

綜上所述，E07殼程通道堵塞問題的形成非一日之功，而在合成氨裝置維持運行的情況下，如何最大限度提升系統負荷成為當時生產運行控制的關鍵所在。

3 在線維護方案

基于上述分析，提升低溫甲醇洗系統甲醇循環量成為首要考慮的問題。技術人員經過討論，提出3條思路——增設甲醇換熱器（E07）旁路管線、提高P02揚程及對E07殼側鼓入氮氣進行擾流疏通、提高E07殼程流通量及換熱效果；再綜合考慮裝置現有條件、改造實施的難易程度、設備訂貨周期、系統運行穩定性等因素，陜西渭化決定按照上述思路的先后順序逐步予以實施，以一步步觀察效果。

3.1 E08殼程排氣管線改造

3＃貧甲醇換熱器（E08）殼程介質來自H2S濃縮塔上塔，經復熱后進入CO2閃蒸罐（V07）進行氣液分離，液相再經P02泵出進入E07殼程。此次改造利用既有E08殼程排氣管線和H2S濃縮塔（C03）補甲醇管線，通過配管連接此兩段管線，利用上下游流體的壓差將小部分富甲醇直接從E07上游的E08殼側引至其下游設備C03，目的在于增加循環甲醇流量，以提升系統生產負荷。

2019年9月底本項改造實施后，循環甲醇流量提升約10m3／h，但這股富甲醇未經復熱解吸，難以回收氣體解吸冷量，造成冷損較大，因而對系統負荷提升的作用有限。

3.2 P02排氣管線改造

雖3＃貧甲醇換熱器（E08）殼程排氣管線改造冷損過大、效果不佳，但甲醇換熱器（E07）設置小旁路的做法值得肯定——自P02排氣管線配管至H2S濃縮塔，將小部分閃蒸解吸后的富甲醇送出，此舉相較于E08殼程排氣管線改造有兩個優點：一是冷量損失小；二是P02出口壓力高，小旁路可調流量大，約20m3／h。

2019年10月初P02排氣管線改造實施后，甲醇循環量增至200m3／h，合成氨裝置運行負荷提升明顯，由93%提升至99%。

3.3 P02葉輪改造

考慮到甲醇換熱器（E07）殼程通道流通阻力大，理論上通過提升P02揚程可提高出口甲醇流通量。經過P02泵廠工程師實地考察及參數計算，確認P02葉輪半徑可稍增大以增大其揚程，而蝸殼及進口管徑不變。

2019年10月底，訂制的新葉輪到貨，陜西渭化更換了P02-1的葉輪。P02-1換裝新葉輪后，與P02-2的出口壓力、電機電流、出口調節閥開度等參數進行觀察與比較，發現P02-1對P02-2形成流量壓制，這一點從電機電流上得到體現，且P02單泵運行與P02雙泵運行相比，泵出甲醇流量并無差異（見表2有關數據）。簡言之，本項改造實施后效果不佳，下游E07殼程流通阻力才是制約甲醇循環量的關鍵因素。

3.4 甲醇換熱器（E07）殼程鼓氮

上述P02排氣管線改造實施后，在前兩周內對合成氨裝置運行負荷的提升作用明顯，但隨著運行時間的延長，甲醇換熱器（E07）殼程通道堵塞愈發嚴重，在恢復運行30d后，低溫甲醇洗系統甲醇循環量又降至184m3／h，合成氨裝置負荷從99%逐漸降至92%左右，甲醇循環量降低的趨勢已不可逆轉。

經分析與論證，在生產裝置不停車的前提下，E07殼程鼓氮擾流是唯一可行的手段。鼓氮擾流即通過在E07殼側底部導淋管線接入高壓氮氣，利用高壓氮氣快速減壓形成的密集氣泡擾動E07殼側液體的流動狀態，使換熱管束間積存的雜質松動而重新進入液體中循環而被帶出，但鼓氮操作可能對系統的穩定運行造成較大的沖擊，且其效果存在不確定性，因此本項措施被放在最后考慮（選用）。

鼓氮管線源自6.0MPa氮氣管網，鼓氮操作前需對系統內各塔罐液位進行調整，適當降低CO2閃蒸罐 （V07）液位，提高甲醇再生塔（C04）及貧甲醇罐（V04）液位，以應對鼓氮操作時E07上、下游容器內液位出現的較大波動；現場用手動閥門控制鼓氮管線內氮氣的壓力，使之穩定在1.2～1.6MPa，氮氣用量在1000m3／h左右；鼓氮操作時長由中控（人員）視工況變化而定，一般在10～15min。

在盡量控制對CO2產品氣品質不良影響的前提下對E07執行鼓氮操作，時間跨度約60d。鼓氮前期效果較好，對甲醇循環量的提升有較明顯助力，甲醇循環量增至200m3／h，隨后逐漸降至190m3／h，鼓氮效果每次持續時間約2～3d，鼓氮頻次3次／周；鼓氮操作到了中期，效果呈下降趨勢，每次甲醇循環量增加效應的持續時間也縮短，此階段延長鼓氮操作時間可起到一定的效果；鼓氮操作進入末期，鼓氮時采取增大氮氣壓力及流量、階躍式變壓操作、延長鼓氮時間等措施，但基本上觀察不到甲醇循環量的增加，鼓氮頻次調整為1次／周，以盡可能地減緩甲醇循環量下降的速率。

技術小組分析討論認為：從鼓氮前期、中期、末期各階段的表現來看，多次鼓氮后，沉積在E07殼程繞管間隙內的雜質重新分配且已較為穩定，固定點位鼓氮不能實現對整個換熱器殼體內的全面擾流，因而鼓氮效果漸差；而多點鼓氮不具備條件，E07殼程流道已堵塞嚴重，暫無其他物理解決方法，需待生產裝置停車后對其進行化學清洗。

4 徹底解決措施

為徹底解決合成氨裝置運行負荷提升的瓶頸問題，在確定甲醇換熱器（E07）化學清洗廠家及化學清洗方案后，陜西渭化于2020年1月初安排系統臨時停車檢修。繞管式換熱器的化學清洗操作較為成熟，此處不再贅述。

為盡量減少化學清洗時間，采用多項省時舉措：①只隔離、排放E07殼程介質，管程及上游設備內介質不作排放處理；②停車過程中就對低溫甲醇洗系統進行了復熱處理；③E07殼程既有連接管線只在設備法蘭處加裝盲板隔離，化學清洗配管利用設備殼程手孔與底部導淋排放管線；④E07與化學清洗設備位差不大，化學清洗配管采用軟管連接；⑤記錄E07殼程充液量，通過數據比較確認化學清洗消融的完成程度；⑥做好化學清洗導致換熱管內漏的檢修準備工作，制定工藝處理方案時加入查漏步驟。

E07殼程化學清洗結束后，合成氨裝置重啟，裝置負荷提升至100%，P02單泵運行足以滿足甲醇循環流量的要求，且其出口流量調節閥有較大余量，E07換熱效果回歸正常水平并接近設計值。

5 經驗教訓與啟示

總結本次甲醇換熱器（E07）殼程通道堵塞問題的發現、在線維護及解決過程，陜西渭化得出如下經驗教訓與啟示。

（1）循環甲醇中水含量控制。要嚴格控制低溫甲醇洗系統循環甲醇中的水含量，水含量過高，在H2S存在的條件下會導致設備腐蝕速率加快，而腐蝕物脫落造成的堵塞問題對繞管式換熱器的影響難以有效防控；但水含量也不宜過低，否則會增加甲醇流失量。

（2）停車期間的設備保護。設備內部與氧氣的接觸主要發生在系統停車后，易致設備本體表面保護層氧化脫落，因此停車期間要做好對設備的保護工作，如設備密閉、隔離充氮氣以及避免“開胸驗肺”式檢修等。對如大型繞管式換熱器消漏檢修過程中的工藝處理，必要時需考慮加上化學清洗或鈍化處理等后處理手段。

（3）設置過濾設施的必要性。除加強循環甲醇中水含量的控制，在繞管式換熱器前設置過濾器是很有必要的，泵吸入口的管道設置濾網也可起到相同的作用，考慮到泵運行的切換清理頻次，其過濾精度需根據需要調整。

（4）化學清洗決策。繞管式換熱器因其結構特點，殼程管束間易沉積雜質，這種影響首先表現在換熱效果上，若非出現上游腐蝕性雜質大量脫落進入殼程的情況，繞管式換熱器的單位溫差換熱能力變化趨勢是一個很好的預測參考，有助于提前制定化學清洗的時間計劃，故日常生產中應注重收集有關數據。考慮到設備運行（服役）時間較長，腐蝕控制風險很大，而換熱器內部垢樣難以在運行中取出，有針對性地配制清洗劑的難度較大，可參考業內的清洗實踐；再者，為防止化學清洗可能導致的換熱管內漏，可提前做好工藝處理、查漏的檢修方案，做足準備。

（5）鼓氮操作要點。繞管式換熱器（殼程）堵塞的有效解決方法首選化學清洗，缺點是系統停車后方能實施；物理方法雖然可以在線實施，但作用有限，其中，鼓氮操作可視為一種爭取處理時間（維持系統運行）的有效手段。鼓氮操作中，中控與現場（人員）及下游工段（人員）需緊密配合與協作，中控實時監控工況變化，控制調整鼓氮操作進程；鼓氮操作結束后，CO2閃蒸罐（V07）液位調整及下游塔罐液位調整以平穩為準，避免大量甲醇急送至甲醇再生塔（C04），以免造成再生工況異常而引起低溫甲醇洗系統工藝指標超標；同時，鼓氮操作對CO2純度影響較大，需同步關注下游尿素裝置CO2壓縮機的運行工況；此外，在工況調整穩定前不宜連續進行鼓氮操作。