淺談液氮洗冷排氣體優化

張偉華,鄧文剛

(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(簡稱華鶴公司)現有1套年產30萬t合成氨、52萬t大顆粒尿素裝置(簡稱3052項目)，并配套建設年產60萬t新華煤礦,為3052 項目提供原料煤。3052項目煤氣化生產采用美國GE水煤漿氣化技術，變換采用寬溫耐硫變換工藝，脫硫、脫碳采用大連低溫甲醇洗工藝，合成氣精制采用杭州制氧機集團股份有限公司(簡稱杭氧公司)的液氮洗工藝，氨合成采用丹麥Tops?e技術，尿素裝置采用荷蘭2000+TM技術，其他裝置均采用國內先進成熟技術。

3052項目自2015年5月9日成功投產運行至今，液氮洗裝置仍有節能降耗的空間。液氮洗工藝由于其氣體凈化度高被廣泛應用于大型合成氨裝置氣體精制上，對液氮洗工藝進行改造可產生一定的經濟效益。

1 工藝概述

液氮洗工藝是利用分子篩先將合成氣中微量的 CO2、CH3OH 在進冷箱之前吸附除去，然后利用液氮在-189 ℃低溫條件下除去合成氣中殘余的 CO、CH4、Ar 等微量雜質，并配置氫氮比(物質的量比，下同)為 3∶1 的合成氣，供氨合成用。雖然液氮洗工藝流程復雜，投資相對較大，但是其氣體凈化度高，φ(H2+N2)可以達到 99.99%，可有效降低氨合成過程中的弛放氣量，因此，被大型合成氨裝置廣泛使用，尤其在其上游配置低溫甲醇洗工藝時，更有利于冷量的利用。

2 工藝流程

從低溫甲醇洗工序來的凈化氣進入分子篩吸附器吸收凈化氣中的微量CO2和CH3OH。凈化氣進入冷箱，先后經過1號原料氣冷卻器、2號原料氣冷卻器使其溫度降至-188 ℃，隨后進入氮洗塔(C04301)的下部進行氮氣洗滌。氮洗塔中上升的原料氣與塔頂下來的液氮逆流接觸進行傳質、傳熱。CO、 CH4及 Ar 等雜質從氣相冷凝，并溶解于液氮中， 從塔頂排出的氮洗氣中的 H2與部分蒸發液氮混合，被洗滌后的氮洗氣(φ(H2)=90.75%、φ(N2)=9.25%)先后經過1號原料氣冷卻器、2號原料氣冷卻器換熱后分為2股：一股出冷箱去甲醇洗反饋冷量，另一股經高壓氮氣冷卻器被高壓N2復熱到30 ℃出冷箱，與來自甲醇洗裝置回收冷量后的合成氣匯合，再經精配氮串級控制調節，最后把混合氣體(H2和N2物質的量也為3∶1的合成氣)送入氨合成工序[1]。

3 液氮洗火炬氣運行現狀

液氮洗裝置冷量來源主要分為混合制冷和節流制冷，正常原料氣利用板翅式換熱器回收液氮洗滌塔尾液節流產生的冷量，同時節流產生的冷量將高壓N2冷卻為液氮在氮洗塔內洗滌凈化氣中的CO、 CH4及 Ar 等雜質。洗滌后的液氮經過2個節流閥逐級降壓、閃蒸出可燃氣，同時經過節流閥產生冷量。設計上節流閥開度越大，產生的冷量越多，冷箱裸冷和冷卻積液過程中都將2個節流閥全開以產生最大的冷量。在滿負荷實際運行過程中，節流閥開度分別為42%和41%，即可滿足整個冷箱的冷量需求，通過節流閥閥位可以證明冷箱內冷量是富余的[2]。節流后的冷液體分為2股：一股作為燃料氣為冷箱內提供冷源，最后燃料氣復熱至20 ℃送至鍋爐燃燒；另一股為了控制冷液體分離罐液位穩定需將部分冷液體通過現場冷排放閥排放至冷液體排放罐，在排放罐內氣化成氣體，作為火炬氣通過火炬氣加熱器，用低壓蒸汽加熱至20 ℃后排放至火炬。華鶴公司技術人員通過對現狀分析，這部分冷液體排放至火炬燃燒，造成能量浪費，故提出將這部分火炬氣重新回收利用。

4 改造回收火炬氣的準備和實施

目前，冷液體通過氫氣分離罐液相排放至冷液體排放罐，排放參數見表1。

表1 冷液體排放參數

對冷排放液體取樣分析，結果見表2。

表2 冷排放液體取樣分析數據

華鶴公司技術人員通過對冷排放液體參數和現場實際情況對比，發現火炬氣組分和壓力可并入燃料氣系統，避免資源浪費。火炬管線與燃料氣管線距離10 m，可進行現場改造、安裝必要的現場截止閥和調節閥。改造前后冷排放火炬氣工藝流程見圖1。

(a) 改造前

(b) 改造后圖1 冷排放火炬氣工藝流程

2020年7月17日利用裝置檢修機會，按照方案對火炬氣進行改造實施，裝置停車檢修后，確保液氮洗燃料氣管線和火炬氣管線無可燃氣，具備施工條件。為了不影響檢修進度，對2條管線進行加閥，具體施工圖見圖2。2020年8月18日改造施工完畢，將火炬氣并入燃料氣管線。

圖2 改造施工圖

改造所需材料及成本見表3。

表3 改造所需材料及成本

5 改造效果

5.1 工藝效果

火炬氣并入后，液氮洗工況運行穩定，正常工況下可將全部火炬氣引入至燃料氣管網[3]。火炬氣有效成分(H2+CO)體積分數為43%～48%，體積流量為900～1 100 m3/h。

qV,CO=qV,變×φ1(CO)=qV,總×φ2(CO)

(1)

qV,火=qV,總-qV,燃

(2)

qV,火=qV,變×φ1(CO)/φ2(CO)-qV,燃

(3)

式中：qV,CO為排放氣中CO體積流量，m3/h；qV,變為變換氣體積流量，取160 000 m3/h；φ1(CO)為變換出口CO體積分數，取1%；qV,總為排放氣體總體積流量, m3/h;φ2(CO)為冷液體中CO體積分數，取40%；qV,火為火炬氣體積流量,m3/h；qV,燃為燃料氣體積流量，取2 200 m3/h。

將數據帶入式(3)后可計算得到qV,火=1 800 m3/h。

各組分燃燒熱值見表4(其中，H2和CH4熱值為燃燒生成水以氣態水形式存在的熱值)。

火炬氣中H2燃燒熱量為485 357.04 kJ/h, CO燃燒熱量為9 553 092.70 kJ/h， CH4燃燒熱量為969 734.32 kJ/h， 計算得出火炬氣燃燒熱量為11 008 184.06 kJ/h。

鍋爐煤由于煤質和組分不同，計算其平均燃燒熱值為17 585.4 kJ/kg。

根據熱值衡算，燃料氣燃燒折算成煤燃燒質量流量為626 kg/h。

5.2 經濟效果

經計算鍋爐使用煤單價為500元/t，每天節省約7 512元，全年按330 d運行計算每年可回收成本248萬元。

6 操作注意事項

改造后在操作工程中應注意以下2個方面[4]：

(1) 燃料氣壓力的控制。由于從火炬加熱器出口引至燃料氣管線，而火炬加熱器出口壓力會隨分子篩程序控制步驟的不同而變化，在泄壓步驟時火炬氣壓力和氣量會增大，故而影響燃料氣壓力，此時主控需手動干預燃料氣壓力調節閥，以保證燃料氣壓力。

(2) 停車后的切除。當液氮洗系統或者鍋爐系統停車時，主控應第一時間將火炬氣切出，避免對整個系統造成影響。

7 結語

經過改造后，排放火炬氣全部回收至鍋爐燃燒，產生了經濟效益，提高能量利用率，整個系統運行良好。改造后雖然將可燃氣重新利用進行燃燒，但是仍然造成了能量的浪費，如加以分析將此部分H2和CO利用于合成氨的原料將更加有意義。冷液體從冷箱排出后，冷量沒有得到利用，而且消耗蒸汽對其加熱，如果將此部分冷量重新利用，為熱源提供冷量，降低蒸汽消耗會使成本得到更一步降低。下一步華鶴公司技術人員會從以上2個方面對裝置進行進一步優化與改造。

化肥企業屬于高危險、高消耗的企業，只有通過對現有裝置不斷摸索、不斷創新，實行技術改造，才能不斷降低生產成本，提升企業的核心競爭力。