液氮洗開車過程中存在的問題及對策

劉保濤

(中海石油華鶴煤化有限公司, 黑龍江鶴崗 154100)

液氮洗工藝廣泛應用于以煤、天然氣、渣油為原料生產純氫氣的大型工業化裝置。該工藝與低溫甲醇洗聯合使用格外合理，低溫甲醇洗洗滌既干燥了氣體，又降低氣體溫度(-30～-70 ℃)；液氮洗利用了氫氣不易溶解于液氮的性質，將凈化氣體中CH4、Ar和CO全部脫出，通過精配氮氣配置合成氣[1]，為合成氨工序創造條件。

在液氮洗裝置實際運行中，存在冷量平衡、微量合格、易凍堵問題，結合液氮洗裝置(圖1)在開車過程及運行過程中遇到的問題,分析其原因，并提供改進建議。

E04301—高壓氮氣冷卻器；E04302—1#原料氣冷卻器；E04303—2#原料氣冷卻器；S04303—氣液分離罐；M04301—氣體混合器；C04301—氮洗塔；S04302—氫氣分離罐；TDV04316—合成氣去合成氣壓縮機閥；KV04316—合成氣去低溫甲醇洗閥；FV04309—粗配氮氣閥；FV04310—精配氮氣閥；L 04301—氮洗塔液位閥；TV04339—凈化氣進氮洗塔溫度控制閥；HV04101—補冷液氮閥。

1 液氮洗導氣過程及問題處理

1.1 液氮洗冷箱高液位導氣法注意事項

液氮洗裝置中液氮管線較長，再加上管線部分保冷效果不好，液氮管線投用困難，補冷液氮在開車過程中起不到補冷效果。液氮洗系統主要是通過節流產生的J-T效應來提供冷量[2]，對液氮洗冷箱進行裸冷積液，待冷箱洗滌塔和氫氣分離罐儲存高液位時，對冷箱導氣。

高液位導氣法的注意事項：

(1) 冷卻積液后,確認現場開車放空管線關閉，各個換熱器端面溫差控制在60 K以內，分子篩和冷箱之間均壓完成(防止壓差過高損壞設備及管道)，及時現場放空閥，調整氫氣分離罐壓力，防止超壓(超壓后安全閥起跳)。

(2) 注意冷箱冷量平衡，防止形成負壓。空氣進入冷箱，導致珠光砂傳質增大，引起跑冷或者損壞設備。

(3) 原料氣體積流量為40 000～50 000 m3/h，導氣量過多則冷箱分離罐及塔內積存的冷量有限、冷量不足，導致導氣失敗；導氣量過少,則冷箱冷量不均，損壞設備。

(4) 導氣時，根據冷箱合成氣去合成氣壓縮機的溫度，及時平衡液氮洗去低溫甲醇洗冷量。如液氮洗去低溫甲醇洗冷量管道溫度低于0 ℃，為防止冷箱跑冷引起聯鎖，關閉合成氣去合成氣壓縮機閥，避免系統大波動。

(5) 導氣完成后，通過小幅度減小洗滌氮氣閥門來平衡冷箱冷量，降低冷箱高壓氮氣進氮洗塔前溫度。高壓氮氣進氮洗塔前的溫度越低，則通過洗滌氮氣閥門節流后產生的液氮量越多，氮洗塔的洗滌效果越好。

1.2 合成氣出口CO含量超標的原因

導氣完成后，氮洗塔出現積液現象，經分析發現：合成氣出口CO含量超標；冷箱內進氮洗塔的高壓氮氣溫度和合成氣溫度都高于設定值，遲遲降不下來。原料氣進氮洗塔的設計指標中，溫度為-188 ℃，壓力為5.4 MPa，原料氣中氮氣體積分數為0.37%。來液氮洗原料氣中，氮氣體積分數約為19.00%。實際壓力與設計壓力相差不大，但氮氣在原料氣中的分壓為1.0 MPa左右，此時氮氣的冷凝點為-175 ℃。分子篩出口原料氣經過1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器兩個換熱器，吸收大量的冷量，使原料氣中部分氮氣變成液氮，導致液氮洗系統中的冷量分配不均，液氮洗冷箱中進氮洗塔的原料氣溫度降到-178 ℃左右。受冷箱板式換熱器結構影響，高壓氮氣經過1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器換熱后進入氮洗塔前，其溫度只能達到-170 ℃，經過洗滌氮氣閥門節流產生的液氮量少。同時，洗滌溫度高的原料氣時，液氮氣化導致洗滌效果差，引起氮洗塔出口合成氣中CO含量超標。繼續調整凈化氣進氮洗塔溫度控制閥，由于板式換熱器的換熱能力是一定的，進冷箱的原料氣、高壓氮氣、凈化合成氣及燃料氣不能充分換熱，1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器之間的溫度驟降，低于設計溫度時，會損壞冷箱換熱器之間的管道。只能通過緩慢減少原料氣中的氮氣含量，使高壓氮氣經過1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器換熱后進入氮洗塔前的溫度降到-185 ℃以下。洗滌氮氣閥門節流后，產生更多液氮進入氮洗塔，以提高洗滌效果，最終達到出冷箱合成氣指標合格的目的。通過調整對比，分析原料氣中氮氣含量對高壓氮氣進氮洗塔的溫度及液氮洗出口合成氣中CO含量的影響，結果見表1。

表1 原料氣中氮氣含量的影響

1.3 液氮洗原料氣中高含量氮氣的原因

液氮洗原料氣中氮氣含量高是因為來變換的粗煤氣溫度低，導致水汽比較低、變換爐負荷小、空速小，使變換爐溫度升高，尤其在變換導氣剛完成時變換爐的溫度超設計指標。為防止變換爐超溫，在粗煤氣中加入氮氣，降低有效氣濃度，使變換爐最高熱點溫度控制在低于爐溫設計值(485 ℃)20 ℃以下，同時保護了變換爐催化劑的良好活性，保證原料氣進入冷箱的氮氣含量高。

1.4 合成氣出口CO含量超標處理辦法

原料氣中氮氣含量高，是導致合成氣中CO含量超標的主要原因。通過調整原料氣中氮氣含量來調整液氮洗洗滌氮氣溫度，提高洗滌氮氣的洗滌效果，保證合成氣中CO含量合格。降低原料氣中氮氣含量，應確保變換爐最高熱點溫度在低于爐溫設計值(485 ℃)20 ℃以下運行。聯系氣化，提高原料氣的溫度來提高水汽比，同時增大氣化爐負荷至最大，待變換爐溫度稍降，緩慢關小進變換系統的氮氣閥，根據變換爐溫度調整氮氣量，直到全部關閉。通過調整冷箱粗配氮氣閥門、洗滌氮氣閥門、凈化氣入氮洗塔溫度控制閥、氮洗塔液位閥，調整冷箱冷量平衡，最終控制合成氣出口CO含量在范圍內。在保證合成氣出口CO含量不超標的情況下，調整精配氮氣閥，使氫氮體積比為3∶1。冷箱多余的冷量通過氫氣分離罐底部冷液體排放閥直排排放。

2 液氮洗冷箱中層溫度驟降的原因及解決辦法

分析液氮洗冷箱中層溫度，即1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器之間溫度驟降的原因：

(1) 冷箱內換熱器都是板式換熱器，開車階段原料氣或高壓氮氣中有不合格氣進入換熱板，在低溫環境下富集于換熱器換熱板上，形成結垢，導致換熱器換熱效果差，冷量后移至1#原料氣冷卻器，引起中層溫度驟降。

(2) 燃料氣量過大，提供系統的冷量多，而2#原料氣冷卻器換熱能力有限，導致中層溫度驟降。

(3) 燃料氣成分中高沸點物質(如甲烷)濃度高，燃料氣節流后產生冷量多，再加上燃料氣壓力高，導致燃料氣管線中高沸點物質轉化為液體，并進入氣液分離罐。同時，氣液分離罐底部導淋排放量受限，隨著液位的升高，部分高沸點冷液體進入換熱器換熱，導致大量冷量后移，中層溫度驟降[3]。

根據液氮洗負荷，及時匹配燃料氣量，防止因燃料氣量過大導致冷量富足,引起液氮洗中層溫度驟降。

通過調整原料氣中高沸點物質的量，避免高沸點物質在氣液分離罐中分離；開大氣液分離罐底部導淋閥排液，增加氮洗塔洗滌氮氣量來改變燃料氣成分；稀釋燃料氣中低沸點物質濃度，降低燃料氣高沸點物質的分壓，使其不易被液化，從而減少氣液分離罐內積液。同時，把過多的燃料氣通過氫氣分離罐現場冷排導淋排放。當溫度驟降后，應通過減少粗配氮氣、燃料氣量和增加洗滌氮氣量來調整。當溫度上升后，緩慢增加粗配氮氣量和燃料氣量，同時減少洗滌氮氣量。

液氮洗開車階段，至少原料氣及高壓氮氣成分對兩次分析進行防止不合格成分進入冷箱換熱板上富集結垢。同時，液氮洗長時間停車后，需要復熱除去換熱器高沸點物質的垢層，防止換熱器換熱效果不佳導致中層溫度驟降。防止中層溫度驟降的日常維護結果見表2。

表2 液氮洗調整前后結果對比

通過以上調整，減少冷箱內粗配氮氣量，降低混合制冷產生的冷量，維持1#原料氣冷卻器、2#原料氣冷卻器之間的溫度高于設計值20 ℃以上，升高氮氣出高壓氮氣冷卻器溫度，讓更多的冷量去低溫甲醇洗回收利用，保持冷箱整體溫度稍微偏高。加大氮洗塔洗滌氮氣量，增大氮氣與系統壓差(降低系統壓力)，讓氮洗塔洗滌氮氣節流產生更多的冷量，以形成液氮，提高洗滌效果，保證合成氣出口CO含量指標合格。增加氮洗塔洗滌氮氣量，改變燃料氣成分，增大燃料氣出液氮洗流量。系統冷量平衡后，系統冷量仍有外排。

3 液氮洗冷箱凍堵現象及原因

液氮洗在一次開車過程中，出現液氮洗氮氣管線凍堵現象。其原因是全廠晃電停車，高壓氮氣官網壓力降到微正壓，一些充氮閥門沒有及時關閉，導致不合格氣串入。由于液氮洗高壓氮氣閥門未關閉，部分不合格氮氣充入液氮洗冷箱至洗滌氮氣閥門處[4]。冷箱導氣時，氮氣官網只在導淋處少量排放，液氮洗高壓氮氣未做分析直接進行冷箱導氣，導氣過程中洗滌氮氣閥門開大而流量低于正常值，導氣完成后洗滌氮氣量加不到正常值，反復開關仍沒有效果。儀表確認閥門和流量計都沒有問題。由于氮氣管線經過2#原料氣冷卻器板式換熱器，換熱效果差，使高壓氮氣入氮洗塔前溫度升高。為降低高壓氮氣入氮洗塔前溫度，開大氮洗塔溫度控制閥，燃料氣管線因量大而引起燃料氣入2#原料氣冷卻器溫度低于正常值近10.0 ℃，高壓氮氣入氮洗塔前溫度下降不明顯。分析其原因，高沸點物質進入氮氣管網，現場多處取高壓氮氣樣品，發現高壓氮氣未流動處樣品中有氨，氨經過氮氣管網進入冷箱導致冷箱凍堵。最終，冷箱復熱后導氣成功。

4 結語

通過查閱資料，理解合成氣中高壓氮氣含量對液氮洗出口CO含量的影響及原因，同時分析液氮洗高液位導氣法的優缺點，優化導氣方案。查明中層溫度驟降的原因，尋找到解決方法。加強液氮洗停車后冷箱維護，注重開車時各項指標的分析。雖然液氮洗裝置導氣成功，但液氮洗氫氣分離罐冷液體排放閥開度問題仍影響日常維護效果。