合成氨聯產750km3／d天然氣液化裝置運行總結

余 輝

（河南晉煤天慶煤化工有限責任公司，河南沁陽 454592）

1 概 況

河南晉煤天慶煤化工有限責任公司（簡稱晉煤天慶）為晉煤集團全資子公司，主要生產液氨、尿素、煤制燃氣等化肥化工產品，是國內首家實施合成氨聯產天然氣改造的企業。現有生產裝置是在“30·52·5”項目（即300kt／a合成氨、520kt／a尿素及5×108m3／a工業燃氣）基礎上改造而成的，現實際產能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素、3×108m3／a煤制天然氣。一期項目總投資38.6億元，占地1000畝，是采用晉煤集團豐富的優質無煙煤為原料建設的1套現代煤化工裝置，實際產能達570kt／a總氨。二期項目總投資4.4億元，于2016年8月1日正式竣工投產，該套煤制天然氣及液化裝置是晉煤天慶與英國戴維公司、杭州中泰深冷技術股份有限公司技術合作的嶄新成果，是我國東部地區第一套煤制天然氣裝置。二期項目天然氣產品分為兩部分，一部分經輸氣站通過管網直接輸送至下游用戶，另一部分通過深冷裝置液化為液化天然氣（LNG）后裝車銷售。

2 天然氣液化裝置工藝流程描述

晉煤天慶合成氨聯產750km3／d天然氣液化裝置采用混合制冷劑液化流程（見圖1，圖中虛線圈內為技改部分，有關內容詳見下文），以由氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷按照一定的比例組成的混合制冷劑為工質，逐級進行冷凝、蒸發、節流膨脹，在不同溫度段獲取制冷量，以逐步冷卻和液化天然氣。

圖1 天然氣液化裝置工藝流程框圖

2.1 原料氣壓縮系統

合成車間甲烷合成裝置送來的甲烷合成氣，常溫、壓力為2.29MPa，先經原料氣壓縮機緩沖罐進行穩壓緩沖，再通過原料氣壓縮機提壓至5.5MPa后，經冷卻器冷卻和分離器（共用）分離后送入脫碳系統。

原料氣壓縮系統有3臺同型號的往復活塞式壓縮機，兩開一備，均由三相異步電機驅動，電機通過聯軸器帶動壓縮機曲軸進行運動；原料氣壓縮機為對稱平衡式兩列一級壓縮，氣缸為無油潤滑雙作用水冷式，氣閥采用網狀閥結構，并采用水冷。

2.2 脫碳系統

原料氣壓縮機送來的原料氣［壓力5.0～6.5MPa，溫度約40℃，CO2含量≤3% （體積分數）］從吸收塔下部進入，自下而上通過吸收塔；再生后的活化MDEA溶液［稱作貧液，溫度一般高于原料氣（進氣）溫度4～7℃］經貧液泵升壓至7.3MPa后從吸收塔上部淋入，與原料氣在吸收塔內逆向接觸，原料氣中的CO2被吸收而進入液相，未被吸收的組分從吸收塔頂部引出，經吸收塔頂冷卻器降溫至40℃后，進入吸收塔頂氣液分離器除去水分，并在吸收塔頂過濾器內分離出夾帶的霧沫和機械雜質，出分離器的凈化氣送入脫水系統。

吸收CO2后的MDEA富液溫度約59℃，經閃蒸罐減壓至0.4MPa，將溶解在MDEA溶液中的氣體閃蒸出去，閃蒸后得到的半貧液通過貧富液換熱器與再生塔底部流出的溶液（貧液）進行熱交換后，升溫至95～99℃去再生塔上部，在再生塔內汽提再生直至達標（再生塔再沸器的熱源來自0.5MPa的低壓飽和蒸汽系統，再生塔下部操作溫度為115～125℃）。出再生塔的貧液，經降溫、增壓后返回吸收塔；再生塔頂部出口溫度約102℃、壓力為0.02～0.05MPa的富含CO2的氣體，先經CO2冷卻器降溫至40℃以下，再進入CO2氣液分離器分離液體，氣相經調節閥穩壓后高點放空。

2.3 脫水系統

脫水系統由3臺脫水塔（1臺脫水塔處于吸附狀態，另2臺分別處于再生狀態之加溫和冷吹階段）、1臺蒸汽加熱器、1臺再生氣冷卻器、1臺再生氣氣液分離器、2臺過濾器組成。

出脫碳系統的凈化氣分成兩路：一路直接進入處于吸附狀態的脫水塔，脫除氣體中的水分后去凈化氣過濾器凈化，之后分別進入預冷器、輸氣站；另一路氣體作為再生氣對脫水塔進行冷吹，從冷吹狀態的脫水塔底部進入、頂部排出，冷吹后的氣體進入蒸汽加熱器，加熱至約220℃后進入加溫狀態的脫水塔頂部，從底部排出后進入再生氣冷卻器冷卻至40℃左右，最后進入再生氣氣液分離器分離出水分后與原料氣混合進入下一輪的吸附、再生。

脫水系統還起著分配天然氣氣量的任務：當管道天然氣用戶用氣量大時，可打開去輸氣站管道閥門進行補充；管道天然氣用氣量小時，可關小或全關去輸氣站閥門，天然氣大部分或全部進入液化裝置。

2.4 管道反輸氣及脫烴系統

來自外管網的反輸氣（5.0MPa左右）直接進入脫碳系統除去CO2等酸性物質，通過脫水系統干燥后進入脫烴系統的洗滌塔底部，自下而上通過洗滌塔，與冷箱來的LNG逆流接觸后除去氣體中的重組分，之后進入冷箱液化，洗滌下來的重組分送往重烴儲罐。脫烴系統只是在管道反輸氣中重組分含量高的時候啟用。

2.5 預冷系統

來自凈化車間的富甲烷氣（干燥、潔凈氣體，壓力5.5MPa）、脫水系統的凈化氣、冷劑壓縮系統的混合冷劑，在進入冷箱前經預冷系統預冷。預冷系統主要由1臺板翅式換熱器、1臺溴化鋰冷水機組、2臺冷水泵組成，冷媒為潔凈的脫鹽水，經冷水泵加壓至0.35MPa并被溴化鋰冷水機組冷卻至10～12℃后，進入板翅式換熱器冷卻上述3種介質。

2.6 冷箱系統

冷箱系統由板翅式換熱器、汽提塔、閃蒸罐等組成。5.5MPa的富甲烷氣在冷箱內冷卻液化后，經節流減壓閥減壓后進入汽提塔，在汽提塔內將CO與甲烷進行分離，塔頂出口氣相為富CO氣體，塔底液相為LNG產品，富CO氣體經板翅式換熱器復溫后出冷箱，進入界區氣柜；LNG產品經板翅式換熱器過冷（-161℃）、減壓（0.012MPa）后，與另一股直接在冷箱內液化的合成氣混合，然后送入LNG儲罐。

2.7 混合冷劑壓縮系統

汽輪機帶動制冷劑壓縮機將壓力0.13～0.24MPa的混合冷劑壓縮至3.0MPa后送入冷箱進行節流，為天然氣液化提供冷量，節流后的混合冷劑返回制冷劑緩沖罐，之后再進行壓縮，循環利用。

2.8 儲運系統

儲運系統由LNG儲罐和充裝泵、撬裝裝車臂組成：核心設備為2臺不銹鋼常壓儲罐，液化天然氣的儲存溫度為-160℃，不銹鋼球罐與外罐之間采用珠光砂堆積絕熱方式；充裝泵由3臺低溫屏蔽泵組成，兩開一備；儲罐內的LNG經充裝泵加壓至0.25MPa送至裝車臂，裝車臂由4套撬裝設備組成，可同時給3輛LNG罐車充裝，每套撬裝設備均設置有入口緊急切斷閥、LNG液相及氣相拉斷閥、靜電保護裝置等安全設施，確保充裝過程安全。

3 運行中出現的問題及優化改進

3.1 制冷劑壓縮制冷單元換熱器泄漏

混合制冷劑壓縮制冷系統工藝流程簡圖見圖2。來自冷箱換熱器的低壓制冷劑進入制冷劑進氣緩沖罐，分離可能夾帶的液滴和固體顆粒，然后進入制冷劑壓縮機經兩級壓縮增壓至3.0 MPa。制冷劑被壓縮冷卻后分為氣、液兩股分別進入冷箱：氣相經板翅式換熱器降溫后，再經節流閥返回冷箱換熱器為原料天然氣的液化提供冷量；液相在換熱器內過冷后，經過節流閥后與另一股返回的冷劑混合，然后經復溫后再返回制冷劑壓縮機入口，閉式循環。

圖2 混合制冷劑壓縮制冷系統工藝流程簡圖

制冷劑壓縮機為二級壓縮，制冷劑經一級壓縮后進入一段冷卻器冷卻，在一段分離罐進行氣液分離后氣體進入二級壓縮，二級壓縮完后經二段冷卻器進入二段分離罐，分離后氣體和液體分別進入冷箱內的板翅式換熱器通道。一段冷卻器、二段冷卻器均采用的是列管式換熱器，循環冷卻水走殼程，混合冷劑走管程。

3.1.1 出現的問題

2018年5月，正常生產中操作人員發現制冷劑壓縮機入口壓力一直在降低，由0.19MPa降至0.12MPa，且需不停地向系統內補充冷劑，冷劑消耗量明顯增大，現場人員在一、二段冷卻器循環水回水管道頂部排氣口能排出氣體，使用測爆儀檢測可燃氣含量達5000×10-6，超儀表量程。判斷一、二段冷卻器出現了泄漏，高壓冷劑（壓力3.0MPa）漏入了循環水（壓力0.43 MPa）中，系統停車處理。系統停車后，經氮氣置換合格，將一、二段冷卻器交由檢修人員進行堵漏處理——采用錐形塞焊接堵管。

3.1.2 級間冷卻器列管泄漏原因分析

（1）沖刷腐蝕。冷劑工作壓力較高，長時間對U形彎管處沖刷，管壁變薄而穿孔。

（2）列管振動。投用冷卻器循環水時速度過快、不能及時排出水側的氣體，或系統波動大、加減冷劑負荷較快，都會產生較大的交變應力，造成管束振動，損壞列管。

（3）列管腐蝕。列管泄漏后，混合冷劑進入循環水中，造成循環水水質變差、濁度升高，加劇列管的腐蝕。

（4）管道材質問題。原列管材質為20＃鋼，若循環水水質差，較易造成管材腐蝕。

3.1.3 后續問題處理

天然氣液化裝置制冷劑壓縮制冷單元在運行中，多次出現級間冷卻器泄漏問題，不僅會加大混合冷劑的消耗，而且由此導致的停車檢修會給企業造成一定的經濟損失。經與冷卻器生產廠家溝通后，重新制作級間冷卻器，列管材質變更為316L，并利用2019年4月份全廠停車大修的機會對2臺冷卻器進行了更換，其后系統運行穩定，再未出現過級間冷卻器泄漏問題。

3.2 增設脫碳系統及脫烴系統

增設脫碳系統及脫烴系統是整套天然氣液化裝置中最大的技改項目。LNG項目初期系統設計時，提供的合成氣組分中CO2含量小于50×10-6，因此未設計脫碳、脫烴單元，而實際生產中合成氣中的CO2含量較難控制，經常超過50×10-6，造成冷箱多次發生CO2凍堵，不得不停車對冷箱進行復熱，每次冷箱復熱開停車至少需2d的時間，同時開停車過程中冷劑需部分放空（以防系統超壓），造成較大的損失。

經與杭州中泰深冷技術股份有限公司溝通，決定增設脫碳、脫烴單元。脫烴系統與脫碳系統同時建設完成。在系統停車沒有合成氣和富甲烷氣時，可通過從外管網購入反輸氣維持液化天然氣的生產，此舉拓展了原料氣的來源，可為企業創造更多的經濟效益。

脫碳單元采用濕法工藝，以MDEA（N-甲基二乙醇胺）為化學脫除劑，一段吸收、一段再生，MDEA溶液循環使用，進口合成氣中CO2含量可提高至3.0%，經脫碳后凈化氣中的CO2含量可降至20×10-6以下，大大增加了系統運行的穩定性。脫碳系統操作要點如下。

3.2.1 操作溫度

原料氣入吸收塔的溫度應在40℃左右，不能過低，否則有重質烴冷凝析出的可能，MDEA溶液發泡的幾率增加；一般原料氣與入塔貧液溫差宜在4～7℃之間，在脫碳系統中，綜合考慮MDEA溶液對CO2的吸收效率及再生能耗等因素，操作中將貧液冷卻器出口的貧液溫度控制在45℃左右。對于再生過程而言，再生溫度高有利于酸性氣的解吸，但溫度過高會加速MDEA的降解，加劇對設備的腐蝕，再生塔塔底溫度宜控制在115～125℃。

3.2.2 溶液濃度

在脫碳系統中，MDEA溶液的濃度控制在48%～52%，濃度過高時補充脫鹽水，濃度過低時則向系統加入MDEA和活化劑。

3.2.3 發泡現象的處理及預防

生產中，吸收單元易出現MDEA溶液發泡現象，據經驗，MDEA溶液發泡原因主要有二：一是溶液中混入了某些有機雜質；二是溶液中的某些物質增強了氣泡的穩定性。而雜質來源主要是：①原料氣帶入的重質烴、油類物、鐵銹，以及化學藥品和脫鹽水帶入的雜質；②設備的腐蝕產物；③溶液中某些組分的降解產物；④泵、溶液槽等引進的雜物。

一旦發現MDEA溶液發泡，除立即加入消泡劑外，還應采取如下減輕溶液發泡的措施：①按操作要求，控制MDEA 濃度不低于45%，MDEA溶液溫度不能過低，以減少起泡高度及消泡時間；②控制吸收塔內氣速平穩，吸收塔內壓力不能猛升猛降；③ 保證再生效果，使MDEA溶液盡量再生完全；④增設原料過濾器；⑤控制貧液入吸收塔的溫度高于原料氣溫度4～7℃，以防重質烴冷凝；⑥保證脫鹽水水質，避免化學藥品帶入雜質；⑦采取良好的防腐措施，防止腐蝕產物引起的發泡。

3.3 原料氣壓縮系統入口管道振動嚴重

來自界區外的合成氣經原料氣進氣緩沖罐除去雜質、水分后進入原料氣壓縮機，壓縮后的氣體去后系統。為保證原料氣壓縮機入口壓力在2.0～2.35MPa，3臺原料氣壓縮機出口總管上引1根回流管接至壓縮機入口管道，通過此回流管上的1臺調節閥調節入口壓力；因回流氣體直接進入原料氣壓縮機入口管道，而3臺原料氣壓縮機距離回流管線的遠近不同，造成原料氣壓縮機入口氣流不均勻，進而導致入口管道振動嚴重，而管道內氣體為CH4，一旦發生泄漏，將會給系統的運行帶來重大影響（安全隱患）。

經分析與研究，采取如下方法減輕原料氣壓縮機入口管道振動：①將回流調節閥后管線由原來的DN150增至DN250；②在回流調節閥后增設1根回流管線，直接與原料氣進氣緩沖罐入口管道相連，原回流管線手閥留少量開度，打開新增回流管線手閥，使回流氣體經進氣緩沖罐緩沖后再進入原料氣壓縮機入口。上述技改實施后，原料氣壓縮機入口管線振動減輕，保證了系統的安全、穩定運行。

3.4 富甲烷氣中含油量超標致換熱器堵塞

凈化車間富甲烷氣壓縮機送來的富甲烷氣應為干凈、無油的潔凈氣體，實際生產中，因富甲烷氣壓縮機為含油潤滑活塞式壓縮機，壓縮后的氣體含油量較高（18mg／m3左右），含油富甲烷氣進入冷箱降溫后易使板翅式換熱器通道堵塞，導致天然氣液化裝置不得不停車對其加熱吹除。后經咨詢，在進液化界區前增設了1套除油設施后，富甲烷氣中的含油量降至5mg／m3以下。

3.5 原料氣壓縮機存在“大馬拉小車”的問題

原料氣壓縮系統有3臺同型號的往復活塞式壓縮機，兩開一備，單機打氣量為21046m3／h，而天然氣液化裝置最大液化量約32000m3／h，存在“大馬拉小車”問題，導致原料氣壓縮機運行效率較低，單機日耗電20500kW·h。后經寶雞市博磊化工機械有限公司對其中的2臺原料氣壓縮機進行改造——更換全套的氣缸組件、活塞組件、填料組件、吸排氣閥組件，單臺壓縮機打氣量減至約18000m3／h，單機日耗電降至17500kW·h，單機日耗電減少3000kW·h，節能效果明顯。

4 結束語

合成氨聯產750km3／d天然氣液化裝置是晉煤天慶5×108m3／a工業燃氣技改項目中重要的組成部分，自開車以來經歷不斷的技改后，目前整套裝置運行穩定、安全可靠，日產LNG最高達520t。同時，聯產裝置的產能在一定范圍內可調：當合成氨-尿素裝置產能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素時，天然氣產能為2.6×108m3／a；當合成氨-尿素裝置產能為240kt／a合成氨、400kt／a尿素時，天然氣產能為3×108m3／a。工業燃氣技改項目（改產LNG）優化了晉煤天慶的產品結構，提升了企業的經營效益，并促進了華中地區天然氣供應的合理、有序發展。