液氮洗原料气通道压差波动的原因分析及处理

张成胜，林迥，张明臣，徐庆磊

(山东润银生物化工股份有限公司，山东东平 271500)

山东润银生物化工股份有限公司(以下简称润银化工)600 kt/a合成氨原料路线，即改造II期合成氨项目于2017年4月竣工投产，该原料路线改造项目的净化工序采用低温液氮洗技术。液氮洗装置的分离过程属于物理过程，不发生化学反应。此过程是利用H2与CO、CH4、N2等的饱和温度相差较大，CO、CH4的饱和温度比N2、H2的饱和温度高的特点，将CO、CH4从气态液化溶解到液氮中，从而达到脱除CO、CH4等气体杂质的目的[1-3]。该液氮洗装置由杭州中泰深冷技术股份有限公司设计提供，开车后系统逐渐加满负荷，但是氮洗塔压差出现波动，其间被迫几次停车复温。

1 液氮洗工艺流程

原料气来自低温甲醇洗单元，首先进入吸附器(V-2401A/BⅡ)，将其中微量的甲醇和二氧化碳脱除，以免其在冷箱内冻结进而引起低温设备和管道的堵塞。吸附器由2台组成，内装分子筛，一台使用，另一台再生，切换周期为24 h，由程序控制器实现自动切换。分子筛再生用的气体为低压氮气，再生用后的低压氮气送往低温甲醇洗工序的硫化氢浓缩塔作为汽提用氮。从甲醇洗单元来的粗原料气，经分子筛吸附器将甲醇、二氧化碳等杂质除去后进入1#原料气冷却器(E-2405)，与氮洗塔(C-2401)顶部来的净化气换热，冷却到一定温度后进入2#原料气冷却器(E-2406)继续冷却换热。原料气进入C-2401底部，在塔中原料气用液氮洗涤，气体中CO、CH4、Ar等被液氮吸收后得到精制气，从C-2401顶部出来经E-2406换热后，用比例调节方式对其进行配氮，使其氢氮比为3∶1，然后进入E-2405回收冷量。复热到一定温度后分为两路：一路去甲醇洗单元，经回收冷量后返回液氮洗系统；另一路则经中压氮气冷却器(E-2404)复热后，与从甲醇洗单元回来的气体汇合后送往合成气压缩机，压缩后再去合成氨装置[4]。

2 原料气通道压差波动的现象及原因分析

2.1 存在的问题

(1) 原料气进E-2405和E-2406的压差由最初的36 kPa最高升至130 kPa。

(2) 返流介质洗涤后的合成气、燃料气等，出E-2406进E-2405的温度由-98 ℃最低降至-150 ℃。

(3) 粗合成气出E-2406进氮洗塔的温度由-194 ℃最高升至-186 ℃。

(4) 氮洗塔压差随着入口原料气温度的上升而上升，最终导致氮洗塔淹塔，出口合成气中CO微量超标，被迫减量甚至切气处理。

2.2 原因分析

(1) 由于氮洗塔自身的使用特性，当原料气温度高于-190 ℃时，氮洗塔洗涤工况不稳定，精馏平衡波动，易造成氮洗塔拦液、液位下降及压差迅速上涨，最终微量不受控，被迫减量处理。

(2) 入液氮洗原料气中氮气含量偏高。由于前工序采用航天粉煤加压气化技术，粉煤锁斗充压及烧嘴氧气管线、火检管线保护气体均采用高压氮气，其中粉煤锁斗在与粉煤给料罐连通均压和放料时大约有8 000 m3/h(标态)的氮气进入输煤系统，而且加上烧嘴氧气管线和火检管线保护气体2 600 m3/h(标态)，共有10 600 m3/h(标态)的高压氮气进入合成气。在粉煤锁斗架桥要除桥时，需更多的氮气进入输煤系统，在进入液氮洗的原料气中氮气体积分数约为6%，液氮洗操作压力为3.2 MPa(绝压)，氮气的分压为0.192 MPa(绝压)，对应的饱和温度为189.9 ℃，原料气出E-2406的温度为-193 ℃，达到了其液化温度，能导致氮气液化。

(3) E-2405与E-2406之间的温度越低，E-2406整体温度越低，原料气进入E-2406温度下降得越早，氮气越提前液化，而液氮在E-2406板式换热器翅片间形成液膜，造成原料气通道压差上升、换热下降；同时，原料气入氮洗塔温度上升，造成氮洗塔拦液，微量超标，被迫减负荷甚至停车处理。

(4) 所用液氮洗装置为提高氮气利用率，单独设计了一路直补液氮通道，即从空分装置来的液氮流股流经E-2406、E-2405和E-2404为系统补充冷量，复热后出冷箱，送往低温甲醇洗工序的硫化氢浓缩塔作为汽提用氮。开车前期，由于此路直补液氮使用不当，加入的液氮过多，使E-2406下部液氮通道满液，致使液氮气液分离器(S2403)满液，使液氮进入氮气通道，将E-2406温度降得过低，使燃料气尾液没有充分汽化便送出E-2406。

3 处理措施

(1) 控制原料气温度24TI2440在-190～-194 ℃，其目的在于控制较低的原料气温度，从而防止氮洗塔压差升高。根据装置的运行经验，当原料气温度24TI2440较高时，氮洗塔压差随之升高，易发生拦液现象，进而引起氮洗塔液位下降、微量升高。因此，目前需在较低的原料气温度下维持生产。

(2) 控制较高的板翅式换热器间温度24TI2433为-95～-120 ℃。目的在于控制原料气管线压差，提高E-2406的换热效果。当原料气压差24PDI14-16升高时，说明E-2406换热器效果下降，系统运行有趋于恶化的迹象，板间温度过低是造成原料气压差升高的主要原因。因此，要监控好板间温度的变化趋势，控制适宜的板间温度(-95～-120 ℃)，并尽量控制在高限。

(3) 液氮气液分离器(S-2403)正常生产时，尽量减少使用直补液氮通道，其目的在于防止板间温度过低，避免造成原料气管线压差上升。S-2403补入液氮过多，会造成E-2406下部积液过多；当E-2406液位过高时，换热效果下降，出E-2406热介质温度会随之升高，严重时造成原料气温度24TI2440升高(失控)，导致系统运行恶化。因此，正常生产时S-2403应尽量少补液氮。

(4) 在大幅度减量或系统停车时，要防止板间温度下降过快，其目的在于防止因板间温度过低，在E-2406生成积液过多，造成生产恢复后工况发生恶化。当原料气或中压氮气热源介质大幅度降低时，需及时关小出冷箱的冷介质(合成气、燃料气、循环氢)，防止板间温度大幅度降低。

4 结语

原料气中氮气含量高是目前生产装置配制中无法避免的，只能从液氮洗操作方面优化调整以减少波动，对于E-2405与 E-2406之间的温度要严格控制；若发现原料气通道压差稍微上涨，应及时调整，防止因积液过多影响换热。通过大量的实践和进一步优化调整，原料气通道阻力可稳定在37 kPa左右，系统能实现稳定长周期运行。

参考文献

[1] 李燕，张述伟，俞裕国.液氮洗模拟分析与优化[J].大连理工大学学报，2004，44(2)：212- 217.

[2] 贾震宇.液氮洗装置冷箱冻堵事故分析与讨论[J].化肥工业，2014，41(4)：47- 49.

[3] 任多胜.大型合成氨装置液氮洗工艺流程的优化[J].大氮肥，2011，34(2)：81- 83.

[4] 高峰，冯德林，李凯.传统液氮洗工艺模拟分析与改造研究[J].化肥工业，2013，40(2)：31- 33.