晉煤天慶合成氨裝置液氮洗系統優化技改總結

何伏牛，段奇峰，喻明杰，余 輝

（河南晉煤天慶煤化工有限責任公司，河南沁陽 454592）

0 引 言

河南晉煤天慶煤化工有限責任公司（簡稱晉煤天慶） “30·52·3”項目［300kt／a合成氨、520kt／a尿素、3×108m3／a燃氣（煤制天然氣）］之一期項目（300kt／a合成氨、520kt／a尿素）于2015年1月18日投產；二期項目［3×108m3／a燃氣（煤制天然氣）］于2016年8月1日與一期項目并網運行。2017年隨著CFB鍋爐供熱系統、低溫甲醇洗系統設備的擴能改造，加之二期項目的投運，氣化爐（魯奇碎煤加壓氣化爐）由五開一備改為六開無備，使得氣化系統及硫回收系統廢熱鍋爐副產的0.6MPa蒸汽富裕20～30t／h，即使關閉鍋爐的第三減溫減壓裝置，低壓蒸汽仍然連續放空 （形成噪音污染），管網經常處于微超壓狀態；此外，高負荷工況下，即使原料氣分離器（S61601）的液位自調閥 （LV005）和氮洗塔下段液位調節閥（LV001）全開，原料氣分離器（S61601）和氮洗塔下塔也長時間處于滿液位狀態，導致液氮洗系統壓差增大，不但影響原料氣換熱器的換熱效果，使冷量發生偏移，造成液氮洗系統工況惡化，而且還影響到氨合成系統負荷的提升，成為高負荷生產的瓶頸問題。

1 液氮洗系統工藝流程簡述

1.1 冷卻洗滌流程

低溫甲醇洗系統來的凈化氣經液氮洗系統進口分子篩吸附脫水后，進入冷箱中的1＃、2＃原料氣換熱器（E61605和E61606），與出冷箱的氫氮氣、燃料氣、甲烷氣換熱后被冷卻降溫；2＃原料氣換熱器（E61606）抽出的氣體經原料氣分離器（S61601）分離掉液態甲烷后再次進入2＃原料氣換熱器（E61606）冷卻降溫，之后進入氮洗塔（T61601）。在氮洗塔下段分離出的液體甲烷經復熱回收部分冷量后送出界區，送入燃氣管網供下游用戶使用；氮洗塔下段分離出的氣相經升氣帽進入氮洗塔上段，其中的一氧化碳、氬、甲烷等在氮洗塔（T61601）中被配入的液氮洗滌，凈化后的氣體自塔頂引出，經2＃原料氣換熱器 （E61606）復熱并與高壓氮氣按照3∶1配比后，經1＃原料氣換熱器（E61605）再次復熱后送低溫甲醇洗系統，以平衡凈化氣自低溫甲醇洗系統帶來的冷量，再經精配氮后作為原料氣送往氨合成系統；被氮洗塔上段液氮洗滌下來的一氧化碳、氬等，經減壓、復熱后送至燃料氣系統用于發電。

1.2 高壓氮氣流程

空分裝置來的高壓氮氣，經高壓氮氣換熱器（E61604）和1＃原料氣換熱器（E61605）被出冷箱的氣體冷卻后，其中的一小股按照1∶3的混合配比配入出塔的氮洗氣，大部分繼續進入2＃原料氣換熱器（E61606）中冷卻并被出冷箱的氣體液化成液態氮，經減壓節流膨脹進入氮洗塔（T61601）內，自上而下地對逆流的原料氣進行冷卻洗滌，以除去原料氣中的雜質。

2 技改方案

2.1 技改方案的確定

通過對工藝氣的成分進行分析，發現系統正常運行情況下凈化氣（低溫甲醇洗出口氣）中的甲烷含量與設計值相比偏差4% ～6% （見表1），6臺氣化爐高負荷運行時，液氮洗系統受原料氣分離器（S61601）底部液位調節閥管徑小和富甲烷氣壓縮機（技改后稱作1＃富甲烷氣壓縮機）設計輸氣量小（輸氣能力138.3m3／min）的影響，即使S61601的液位自調閥（LV005）和氮洗塔下段液位調節閥（LV001）全開，冷凝分離下來的液體甲烷也無法及時送出系統，使得S61601和氮洗塔下塔液位長時間處于100%的狀態，液氮洗系統壓差增至0.11～0.12MPa（控制指標為80kPa以下），影響原料氣換熱器的換熱效果，冷量發生偏移，出S61601的氣相溫度達-170～-172℃（設計值為-165℃），進氮洗塔的氣相溫度卻只有-177℃左右（設計值為-179℃），液氮洗系統極易發生甲烷凍堵情況，形成極大的安全隱患，且液氮洗系統壓差的增大還影響氨合成系統負荷的提升。

表1 凈化氣（低溫甲醇洗出口氣）各組分含量（體積分數）

此外，液氮洗系統產生的富甲烷氣經富甲烷氣壓縮機（無備機）加壓后送入燃氣管網供下游用戶使用，生產運行中存在以下問題：富甲烷氣壓縮機檢修期間，因無備機，大量的富甲烷氣不得不直接送往全廠火炬燃燒放空，給企業造成巨大經濟損失的同時，下游供氣（天然氣）中斷還導致客戶供需關系緊張；因富甲烷氣壓縮機最大輸氣能力約10000m3／h，6臺氣化爐加滿負荷運行后，液氮洗系統阻力大，氣化爐安全閥因系統阻力高而啟跳，氣化爐被迫減量運行，生產任務和利潤目標雙雙受到影響。

為此，協調液氮洗系統原設計單位（杭州中泰深冷技術股份有限公司）、富甲烷氣壓縮機生產廠家（寶雞市博磊化工機械有限公司）等單位召開專題會，反復討論，決定增加1臺富甲烷氣壓縮機（技改后稱作2＃富甲烷氣壓縮機）：把富甲烷氣從0.02MPa提壓至6.5MPa送往燃氣管網，可供選擇的機型有電驅動往復式壓縮機、電驅動離心式壓縮機、蒸汽驅動往復式壓縮機和蒸汽驅動離心式壓縮機，這4種機型均為工業化成熟機型，結合晉煤天慶氣化系統及硫回收系統廢熱鍋爐副產0.6MPa蒸汽富裕20～30t／h，以及電價因淘汰落后產能等原因已取消優惠，首先，電驅動壓縮機不予考慮；其次，考慮到原富甲烷氣壓縮機為電驅動往復式壓縮機，為減少機組的備品備件（使新上壓縮機備件與原富甲烷氣壓縮機備件基本一致），最終決定新上的富甲烷氣壓縮機采用蒸汽驅動往復式壓縮機（即汽輪機驅動的往復式壓縮機組）。此外，合成氨裝置還將進行如下技改：在出口富甲烷氣總管上配置油過濾器，以降低富甲烷氣中的油含量，滿足外輸天然氣含油量＜0.01mg／m3的要求；將冷箱內原料氣分離器（S61601）排液管線液位自調閥（LV005）由DN40更換為DN50，確保系統高負荷運行時液態甲烷的徹底、及時排出。

2.2 新上富甲烷氣壓縮機組簡況

氣化系統及硫回收系統廢熱鍋爐副產的0.6 MPa低壓飽和蒸汽進入汽輪機做功后，導入空冷器換熱降溫，冷凝液在冷凝液水箱收集，經冷凝液泵加壓送化工除氧站處理后循環使用。

選用青島捷能汽輪機集團股份有限公司生產的型號為N3-0.6的汽輪機，功率為3000kW，驅動蒸汽壓力為0.6MPa，汽輪機通過減速箱連接6M-206／0.3-64型往復式壓縮機。壓縮機共有4段（一、二段為雙吸入），壓縮機一段入口氣流量206m3／min、壓力0.01～0.04MPa、溫度35～40℃，經四級壓縮后，出口氣壓力達4.0～5.8MPa，經四級冷卻器冷卻降溫至40℃以下后并入燃氣管網，供下游用戶使用。

3 技改項目實施情況

組織對汽輪機、壓縮機生產廠家進行實地考察，招標設計單位及設備制造企業，廠房土建等施工工作接近尾聲時，定制的設備也陸續到達現場，隨即全面展開設備安裝和配管施工等工作。

經過近3個月的緊張施工，汽輪機、壓縮機組安裝就位對中找正及附屬設備管線等施工結束，緊接著對主蒸汽管線進行循環酸洗、蒸汽爆破吹掃，甲烷氣外送管線氮氣吹掃、壓縮機油路管線沖洗，以及機組內部管線的吹掃、試壓、置換等（通過臨時管線實施），通過第三方組織的質量驗收，具備試車條件。壓縮機主蒸汽管線、一段進口管線、四段出口管線甩頭配管完成，具備系統停車碰頭條件。

2018年4月合成氨裝置停車大修，對液氮洗系統泄壓、置換，分析合格工藝交出，清理冷箱珠光砂后，將原料氣分離器（S61601）排液管線液位自調閥（LV005）更換為DN50閥門，同步完成2＃富甲烷氣壓縮機組主蒸汽管線、一段進口管線、四段出口管線、氮氣和循環冷卻水管線等的碰頭、配管。2018年5月合成氨裝置重啟后，2＃富甲烷氣壓縮機試車，經過一段時間的調試后穩定運行至今。

4 技改后系統運行情況

4.1 技改成效

（1）2＃富甲烷氣壓縮機組汽輪機用（蒸）汽量達到20t／h左右，基本上可消納完富裕的0.6MPa蒸汽，0.6MPa蒸汽管網放空逐漸關閉（恢復至正常狀態），生產系統脫鹽水使用量相應減少20～25t／h。

（2）2＃富甲烷氣壓縮機的打氣量相比1＃富甲烷氣壓縮機增加67.7m3／min，原料氣分離器（S61601）冷凝分離下來的液態甲烷能及時送出系統，S61601和氮洗塔下塔液位處于正常可視液位（約80%），液氮洗系統壓差降至0.07～0.08MPa，液氮洗系統入口氣量由110000m3／h提高至約118000m3／h，系統出口合成氣氣量由116000m3／h提高至約124000m3／h，合成氨產量增加約3t／h。

（3）原料氣換熱器（S61601）的換熱效果好轉，出S61601的氣相溫度恢復至-168℃，進氮洗塔的氣相溫度降至-179℃，液氮洗系統冷量恢復至平衡狀態，技改達到了預期效果。

4.2 技改后出現的新問題及解決措施

4.2.1 汽輪機運行方面的問題

技改后，汽輪機主蒸汽分離器的冷凝液全部回收至冷凝液水箱，由冷凝液泵外送至除氧站處理后循環使用。因汽輪機主蒸汽采用飽和蒸汽，所配管線在0.6MPa蒸汽管線的末端，進汽輪機入口主蒸汽分離器的低壓飽和蒸汽溫度在167℃左右，分離的大量冷凝液回收到冷凝液水箱，導致汽輪機運行真空度由-80kPa升至-60kPa，排汽溫度的升高使汽缸產生動、靜摩擦，引起轉子對中熱態偏差，汽輪機軸系參數因振動大而聯鎖跳車，液氮洗系統工況惡化；同時，蒸汽冷凝液量過大造成汽輪機主蒸汽分離器液位超過50%～67%的正常值，冷凝液易被帶入氣缸形成液擊，影響機組的安全穩定運行。

處理措施：切斷冷凝液回冷凝液水箱管線，將汽輪機主蒸汽分離器冷凝液、各導淋疏水重新配管送至脫鹽水箱回收，從而徹底解決了蒸汽帶水、汽輪機運行真空度不足、排汽溫度高而致汽輪機聯鎖跳車的問題。

4.2.2 2＃富甲烷氣壓縮機組運行方面的問題

因2＃富甲烷氣壓縮機組屬于后來增加的設備，而循環水系統的冷量是一定的，循環水冷卻塔填料老化破碎堵塞壓縮機段間冷卻器換熱管、油冷器換熱管，運行過程中各段水冷器出口溫度升高，致使2＃富甲烷氣壓縮機二段排氣溫度高達132～140℃（控制指標為110℃以下），各段填料函的溫度也超標（指標為60℃），潤滑油溫度升至44～47℃，油溫高使得形成的剛性潤滑油膜薄、質量差，壓縮機傳動部件大小頭瓦塊干磨而提前損壞，未達到使用壽命（周期），2＃富甲烷氣壓縮機檢修頻次較高。

處理措施：在2＃富甲烷氣壓縮機各級段間冷卻器的循環水上水管線上增加反洗閥門，定期對各段水冷器進行反沖洗，同時適當關小其他裝置冷卻器循環水上水閥，對循環水系統進行整體優化調整后，機組各級排氣溫度、潤滑油溫度有效降低；同時，為保證機組的長周期穩定運行，將2＃富甲烷氣壓縮機的計劃檢修周期由1次／a調整為2次／a。

5 結束語

晉煤天慶富裕0.6MPa低壓飽和蒸汽回收并新增汽輪機驅動的2＃富甲烷氣壓縮機后，隨著2＃富甲烷氣壓縮機的穩定運行，2019年下半年至投稿之時，期間多產天然氣4000～5000m3／h，天然氣價格按1.5元／m3計，每小時可增效6000～7500元；2＃富甲烷氣壓縮機采用汽輪機驅動，每小時節電約1800kW·h，電價按0.67元／（kW·h）計，每小時可節約電費約1200元。上述兩項合計日增效益約18萬元，按年運行300d計算，年創效益達5000余萬元；除去增加的運行成本、設備折舊、維護費用等，并考慮天然氣價格下降等因素，年效益也有2000～3000萬元。此外，技改后液氮洗系統處理氣量由110000m3／h增至約118000m3／h，液氮洗系統的瓶頸問題得以有效解決，滿足了氨合成系統高負荷運行的需要，合成氨增產約3t／h。總之，上述技改實施后，達到了預期的目的，開創了雙系統（合成氨系統、天然氣系統）高負荷穩定運行、天然氣連續供應下游用戶的新局面，取得了明顯的經濟效益。