晋煤天庆合成氨装置液氮洗系统优化技改总结

2021-12-24 02:49何伏牛段奇峰喻明杰
中氮肥 2021年4期
关键词:液氮分离器冷凝

何伏牛,段奇峰,喻明杰,余 辉

(河南晋煤天庆煤化工有限责任公司,河南沁阳 454592)

0 引 言

河南晋煤天庆煤化工有限责任公司(简称晋煤天庆) “30·52·3”项目[300kt/a合成氨、520kt/a尿素、3×108m3/a燃气(煤制天然气)]之一期项目(300kt/a合成氨、520kt/a尿素)于2015年1月18日投产;二期项目[3×108m3/a燃气(煤制天然气)]于2016年8月1日与一期项目并网运行。2017年随着CFB锅炉供热系统、低温甲醇洗系统设备的扩能改造,加之二期项目的投运,气化炉(鲁奇碎煤加压气化炉)由五开一备改为六开无备,使得气化系统及硫回收系统废热锅炉副产的0.6MPa蒸汽富裕20~30t/h,即使关闭锅炉的第三减温减压装置,低压蒸汽仍然连续放空 (形成噪音污染),管网经常处于微超压状态;此外,高负荷工况下,即使原料气分离器(S61601)的液位自调阀 (LV005)和氮洗塔下段液位调节阀(LV001)全开,原料气分离器(S61601)和氮洗塔下塔也长时间处于满液位状态,导致液氮洗系统压差增大,不但影响原料气换热器的换热效果,使冷量发生偏移,造成液氮洗系统工况恶化,而且还影响到氨合成系统负荷的提升,成为高负荷生产的瓶颈问题。

1 液氮洗系统工艺流程简述

1.1 冷却洗涤流程

低温甲醇洗系统来的净化气经液氮洗系统进口分子筛吸附脱水后,进入冷箱中的1#、2#原料气换热器(E61605和E61606),与出冷箱的氢氮气、燃料气、甲烷气换热后被冷却降温;2#原料气换热器(E61606)抽出的气体经原料气分离器(S61601)分离掉液态甲烷后再次进入2#原料气换热器(E61606)冷却降温,之后进入氮洗塔(T61601)。在氮洗塔下段分离出的液体甲烷经复热回收部分冷量后送出界区,送入燃气管网供下游用户使用;氮洗塔下段分离出的气相经升气帽进入氮洗塔上段,其中的一氧化碳、氩、甲烷等在氮洗塔(T61601)中被配入的液氮洗涤,净化后的气体自塔顶引出,经2#原料气换热器 (E61606)复热并与高压氮气按照3∶1配比后,经1#原料气换热器(E61605)再次复热后送低温甲醇洗系统,以平衡净化气自低温甲醇洗系统带来的冷量,再经精配氮后作为原料气送往氨合成系统;被氮洗塔上段液氮洗涤下来的一氧化碳、氩等,经减压、复热后送至燃料气系统用于发电。

1.2 高压氮气流程

空分装置来的高压氮气,经高压氮气换热器(E61604)和1#原料气换热器(E61605)被出冷箱的气体冷却后,其中的一小股按照1∶3的混合配比配入出塔的氮洗气,大部分继续进入2#原料气换热器(E61606)中冷却并被出冷箱的气体液化成液态氮,经减压节流膨胀进入氮洗塔(T61601)内,自上而下地对逆流的原料气进行冷却洗涤,以除去原料气中的杂质。

2 技改方案

2.1 技改方案的确定

通过对工艺气的成分进行分析,发现系统正常运行情况下净化气(低温甲醇洗出口气)中的甲烷含量与设计值相比偏差4% ~6% (见表1),6台气化炉高负荷运行时,液氮洗系统受原料气分离器(S61601)底部液位调节阀管径小和富甲烷气压缩机(技改后称作1#富甲烷气压缩机)设计输气量小(输气能力138.3m3/min)的影响,即使S61601的液位自调阀(LV005)和氮洗塔下段液位调节阀(LV001)全开,冷凝分离下来的液体甲烷也无法及时送出系统,使得S61601和氮洗塔下塔液位长时间处于100%的状态,液氮洗系统压差增至0.11~0.12MPa(控制指标为80kPa以下),影响原料气换热器的换热效果,冷量发生偏移,出S61601的气相温度达-170~-172℃(设计值为-165℃),进氮洗塔的气相温度却只有-177℃左右(设计值为-179℃),液氮洗系统极易发生甲烷冻堵情况,形成极大的安全隐患,且液氮洗系统压差的增大还影响氨合成系统负荷的提升。

表1 净化气(低温甲醇洗出口气)各组分含量(体积分数)

此外,液氮洗系统产生的富甲烷气经富甲烷气压缩机(无备机)加压后送入燃气管网供下游用户使用,生产运行中存在以下问题:富甲烷气压缩机检修期间,因无备机,大量的富甲烷气不得不直接送往全厂火炬燃烧放空,给企业造成巨大经济损失的同时,下游供气(天然气)中断还导致客户供需关系紧张;因富甲烷气压缩机最大输气能力约10000m3/h,6台气化炉加满负荷运行后,液氮洗系统阻力大,气化炉安全阀因系统阻力高而启跳,气化炉被迫减量运行,生产任务和利润目标双双受到影响。

为此,协调液氮洗系统原设计单位(杭州中泰深冷技术股份有限公司)、富甲烷气压缩机生产厂家(宝鸡市博磊化工机械有限公司)等单位召开专题会,反复讨论,决定增加1台富甲烷气压缩机(技改后称作2#富甲烷气压缩机):把富甲烷气从0.02MPa提压至6.5MPa送往燃气管网,可供选择的机型有电驱动往复式压缩机、电驱动离心式压缩机、蒸汽驱动往复式压缩机和蒸汽驱动离心式压缩机,这4种机型均为工业化成熟机型,结合晋煤天庆气化系统及硫回收系统废热锅炉副产0.6MPa蒸汽富裕20~30t/h,以及电价因淘汰落后产能等原因已取消优惠,首先,电驱动压缩机不予考虑;其次,考虑到原富甲烷气压缩机为电驱动往复式压缩机,为减少机组的备品备件(使新上压缩机备件与原富甲烷气压缩机备件基本一致),最终决定新上的富甲烷气压缩机采用蒸汽驱动往复式压缩机(即汽轮机驱动的往复式压缩机组)。此外,合成氨装置还将进行如下技改:在出口富甲烷气总管上配置油过滤器,以降低富甲烷气中的油含量,满足外输天然气含油量<0.01mg/m3的要求;将冷箱内原料气分离器(S61601)排液管线液位自调阀(LV005)由DN40更换为DN50,确保系统高负荷运行时液态甲烷的彻底、及时排出。

2.2 新上富甲烷气压缩机组简况

气化系统及硫回收系统废热锅炉副产的0.6 MPa低压饱和蒸汽进入汽轮机做功后,导入空冷器换热降温,冷凝液在冷凝液水箱收集,经冷凝液泵加压送化工除氧站处理后循环使用。

选用青岛捷能汽轮机集团股份有限公司生产的型号为N3-0.6的汽轮机,功率为3000kW,驱动蒸汽压力为0.6MPa,汽轮机通过减速箱连接6M-206/0.3-64型往复式压缩机。压缩机共有4段(一、二段为双吸入),压缩机一段入口气流量206m3/min、压力0.01~0.04MPa、温度35~40℃,经四级压缩后,出口气压力达4.0~5.8MPa,经四级冷却器冷却降温至40℃以下后并入燃气管网,供下游用户使用。

3 技改项目实施情况

组织对汽轮机、压缩机生产厂家进行实地考察,招标设计单位及设备制造企业,厂房土建等施工工作接近尾声时,定制的设备也陆续到达现场,随即全面展开设备安装和配管施工等工作。

经过近3个月的紧张施工,汽轮机、压缩机组安装就位对中找正及附属设备管线等施工结束,紧接着对主蒸汽管线进行循环酸洗、蒸汽爆破吹扫,甲烷气外送管线氮气吹扫、压缩机油路管线冲洗,以及机组内部管线的吹扫、试压、置换等(通过临时管线实施),通过第三方组织的质量验收,具备试车条件。压缩机主蒸汽管线、一段进口管线、四段出口管线甩头配管完成,具备系统停车碰头条件。

2018年4月合成氨装置停车大修,对液氮洗系统泄压、置换,分析合格工艺交出,清理冷箱珠光砂后,将原料气分离器(S61601)排液管线液位自调阀(LV005)更换为DN50阀门,同步完成2#富甲烷气压缩机组主蒸汽管线、一段进口管线、四段出口管线、氮气和循环冷却水管线等的碰头、配管。2018年5月合成氨装置重启后,2#富甲烷气压缩机试车,经过一段时间的调试后稳定运行至今。

4 技改后系统运行情况

4.1 技改成效

(1)2#富甲烷气压缩机组汽轮机用(蒸)汽量达到20t/h左右,基本上可消纳完富裕的0.6MPa蒸汽,0.6MPa蒸汽管网放空逐渐关闭(恢复至正常状态),生产系统脱盐水使用量相应减少20~25t/h。

(2)2#富甲烷气压缩机的打气量相比1#富甲烷气压缩机增加67.7m3/min,原料气分离器(S61601)冷凝分离下来的液态甲烷能及时送出系统,S61601和氮洗塔下塔液位处于正常可视液位(约80%),液氮洗系统压差降至0.07~0.08MPa,液氮洗系统入口气量由110000m3/h提高至约118000m3/h,系统出口合成气气量由116000m3/h提高至约124000m3/h,合成氨产量增加约3t/h。

(3)原料气换热器(S61601)的换热效果好转,出S61601的气相温度恢复至-168℃,进氮洗塔的气相温度降至-179℃,液氮洗系统冷量恢复至平衡状态,技改达到了预期效果。

4.2 技改后出现的新问题及解决措施

4.2.1 汽轮机运行方面的问题

技改后,汽轮机主蒸汽分离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处理后循环使用。因汽轮机主蒸汽采用饱和蒸汽,所配管线在0.6MPa蒸汽管线的末端,进汽轮机入口主蒸汽分离器的低压饱和蒸汽温度在167℃左右,分离的大量冷凝液回收到冷凝液水箱,导致汽轮机运行真空度由-80kPa升至-60kPa,排汽温度的升高使汽缸产生动、静摩擦,引起转子对中热态偏差,汽轮机轴系参数因振动大而联锁跳车,液氮洗系统工况恶化;同时,蒸汽冷凝液量过大造成汽轮机主蒸汽分离器液位超过50%~67%的正常值,冷凝液易被带入气缸形成液击,影响机组的安全稳定运行。

处理措施:切断冷凝液回冷凝液水箱管线,将汽轮机主蒸汽分离器冷凝液、各导淋疏水重新配管送至脱盐水箱回收,从而彻底解决了蒸汽带水、汽轮机运行真空度不足、排汽温度高而致汽轮机联锁跳车的问题。

4.2.2 2#富甲烷气压缩机组运行方面的问题

因2#富甲烷气压缩机组属于后来增加的设备,而循环水系统的冷量是一定的,循环水冷却塔填料老化破碎堵塞压缩机段间冷却器换热管、油冷器换热管,运行过程中各段水冷器出口温度升高,致使2#富甲烷气压缩机二段排气温度高达132~140℃(控制指标为110℃以下),各段填料函的温度也超标(指标为60℃),润滑油温度升至44~47℃,油温高使得形成的刚性润滑油膜薄、质量差,压缩机传动部件大小头瓦块干磨而提前损坏,未达到使用寿命(周期),2#富甲烷气压缩机检修频次较高。

处理措施:在2#富甲烷气压缩机各级段间冷却器的循环水上水管线上增加反洗阀门,定期对各段水冷器进行反冲洗,同时适当关小其他装置冷却器循环水上水阀,对循环水系统进行整体优化调整后,机组各级排气温度、润滑油温度有效降低;同时,为保证机组的长周期稳定运行,将2#富甲烷气压缩机的计划检修周期由1次/a调整为2次/a。

5 结束语

晋煤天庆富裕0.6MPa低压饱和蒸汽回收并新增汽轮机驱动的2#富甲烷气压缩机后,随着2#富甲烷气压缩机的稳定运行,2019年下半年至投稿之时,期间多产天然气4000~5000m3/h,天然气价格按1.5元/m3计,每小时可增效6000~7500元;2#富甲烷气压缩机采用汽轮机驱动,每小时节电约1800kW·h,电价按0.67元/(kW·h)计,每小时可节约电费约1200元。上述两项合计日增效益约18万元,按年运行300d计算,年创效益达5000余万元;除去增加的运行成本、设备折旧、维护费用等,并考虑天然气价格下降等因素,年效益也有2000~3000万元。此外,技改后液氮洗系统处理气量由110000m3/h增至约118000m3/h,液氮洗系统的瓶颈问题得以有效解决,满足了氨合成系统高负荷运行的需要,合成氨增产约3t/h。总之,上述技改实施后,达到了预期的目的,开创了双系统(合成氨系统、天然气系统)高负荷稳定运行、天然气连续供应下游用户的新局面,取得了明显的经济效益。

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