脫碳單元送尿素裝置CO2氣體超溫分析及對(duì)策

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(中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600)

中海石油化學(xué)股份有限公司一期合成氨裝置采用ICI-AMV工藝，以天然氣為原料氣，生產(chǎn)能力為1 000 t/d。裝置自1996年10月投產(chǎn)以來(lái)，總體運(yùn)行穩(wěn)定，能耗低。其脫碳工藝采用本菲爾特低熱專利技術(shù)，利用熱堿法(K2CO3溶液)脫除工藝氣中的CO2。CO2經(jīng)過(guò)兩次換熱后送往尿素裝置，作為尿素生產(chǎn)的原料之一。CO2的溫度是否達(dá)標(biāo)，會(huì)直接影響CO2壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行及系統(tǒng)的能耗。

1 脫碳單元流程(圖1)簡(jiǎn)介

從再生塔05C002頂部出來(lái)的CO2(111 ℃)，經(jīng)過(guò)脫鹽水預(yù)熱器05E004A/B/C降溫到98 ℃(TI05019)，冷凝液在05F005中分離，CO2則進(jìn)一步在冷卻器05E005A/B中冷卻到40 ℃(TI05020)；冷凝液在05F004分離，分離后的CO2作為中間產(chǎn)品送往尿素裝置CO2壓縮機(jī)，加壓后與氨反應(yīng)生產(chǎn)出最終產(chǎn)品尿素。

2 存在的問(wèn)題

自2006年以后，脫碳單元送往尿素裝置CO2氣體溫度逐年升高。以TI05020為例，正常生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 2006～2007年CO2溫度季度統(tǒng)計(jì)表℃

由表1可以看出，TI05020在2006～2007年，有一個(gè)逐漸上升的趨勢(shì)，超標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)重。

脫碳單元送尿素裝置CO2氣體超溫后，最直接的影響就是，CO2壓縮機(jī)做功效率降低，透平蒸汽消耗量增加，影響CO2壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。其次，脫碳單元低壓蒸汽消耗量、藥品消耗量會(huì)升高，外送工藝?yán)淠毫拷档汀?/p>

3 原因分析

3.1 直接原因

從工藝流程看，從再生塔05C002再生出的CO2經(jīng)過(guò)了板式換熱器05E004A/B/C、05E005A/B兩次換熱。直接原因肯定是其中一個(gè)換熱器換熱效率不佳。

查閱相關(guān)報(bào)表，統(tǒng)計(jì)了2006～2011年05E004A/B/C出口溫度(TI05019)的變化情況，如表2。

圖1 脫碳單元流程簡(jiǎn)圖

05E004A/B/C出口溫度(TI05019)在2006～2011年變化不大，平均值為98 ℃，與設(shè)計(jì)無(wú)異，由此排除掉05E004A/B/C出口溫度超標(biāo)而引起脫碳單元送尿素裝置CO2氣體超溫的可能性。確定是板式換熱器05E005A/B換熱不佳引起的。

3.2 根本原因

其確認(rèn)過(guò)程，有的是在正常生產(chǎn)時(shí)查閱記錄報(bào)表，有的是在大修或停車時(shí)打開(kāi)換熱器查看內(nèi)部情況予以確認(rèn)的。

3.2.1換熱器老化

鎖定CO2超溫的直接原因是05E005A/B換熱不佳后，查閱05E005A/B使用維護(hù)記錄，板式換熱器使用壽命一般在6～8 a，此換熱器已用了16 a之久。查閱歷次大修記錄，結(jié)合板式換熱器密封條、換熱板本身零件的使用壽命后得出，換熱器老化可能是導(dǎo)致CO2超溫的主要因素之一。

3.2.2循環(huán)水中有雜物

2009年大修，拆開(kāi)05E005A/B發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部存在塑料碎末等雜物。塑料碎末來(lái)源于循環(huán)水涼水塔填料。由于05E005A/B間隙只有2 mm，這些雜質(zhì)夾在間隙中不能隨循環(huán)水帶走，必然導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱效果不佳。

3.2.3換熱器結(jié)垢

大修時(shí)，打開(kāi)換熱器后發(fā)現(xiàn)，換熱片上結(jié)垢。05E005A/B自1996年原始開(kāi)車運(yùn)行16 a以來(lái)，熱端CO2溫度為98 ℃，高溫使循環(huán)水中的鈣鎂離子析出，在換熱片上結(jié)垢，導(dǎo)致?lián)Q熱效果不佳。

4 對(duì) 策

經(jīng)歷了一個(gè)大修周期，我們確定了CO2超溫的直接原因和根本原因，并采取了一系列的措施。

4.1 正常生產(chǎn)時(shí)的對(duì)策

4.1.1增加再生塔塔板沖洗水量

適當(dāng)增加再生塔塔板沖洗水量，不僅可以降低再生塔頂部出口CO2溫度，同時(shí)也有利于維持系統(tǒng)水平衡，減少CO2氣體中堿液的夾帶。但此辦法只能在一定程度上降低出口CO2溫度，并且需注意兩點(diǎn)：① 沖洗水不能過(guò)量，否則會(huì)影響富液的再生效果；② 保持正常的再生塔塔底溫度，從而維持好再生度。

4.1.2適當(dāng)關(guān)小脫鹽水預(yù)熱器旁路

適當(dāng)關(guān)小脫鹽水旁路，導(dǎo)致更多的低溫脫鹽水與熱的CO2換熱，有效降低CO2最終換熱器05E005入口溫度，有助于進(jìn)一步降低送尿素裝置CO2氣體溫度。當(dāng)然了，也存在操作極限，據(jù)工藝流程，關(guān)小脫鹽水旁路，會(huì)提升入吸收塔工藝氣溫度，影響CO2的吸收。

4.1.3降低最終冷卻器05E005入口循環(huán)水溫度

據(jù)氣溫變化，調(diào)整循環(huán)水冷卻風(fēng)機(jī)開(kāi)機(jī)數(shù)量，降低05E005入口冷卻水溫度，從而降低送尿素裝置CO2氣體溫度。

在正常生產(chǎn)時(shí)，通過(guò)以上三種工藝調(diào)整措施，CO2氣體溫度有所降低，但效果不明顯，尤其是在夏天時(shí)，循環(huán)水溫度較高，造成CO2氣體溫度相對(duì)冬天有明顯的回升。

4.2 停車或大修時(shí)的對(duì)策

4.2.105E005A/B酸洗

在不更換換熱器的情況下，對(duì)其循環(huán)水側(cè)進(jìn)行酸洗(68%的硝酸加水，硝酸濃度2%左右，并加緩蝕劑)。

酸洗原理為，硝酸與垢層主要物質(zhì)碳酸鈣反應(yīng)，消除垢層，其廢液用氫氧化鈉中和后排放。

2007年、2009年和 2012年11月6日，TV03023故障，借著停車的機(jī)會(huì)，對(duì)05E005A/B進(jìn)行了3次酸洗，其流程如圖2所示。

圖2 05E005A/B酸洗流程簡(jiǎn)圖

在配藥槽中用水配制2%～3%的硝酸溶液，并加適當(dāng)緩釋劑，啟動(dòng)泵進(jìn)行循環(huán)，每小時(shí)由中化分析酸度、濁度、鐵離子含量，時(shí)間控制在6 h左右。循環(huán)清洗前在槽內(nèi)不同部位各掛3個(gè)不銹鋼掛片和3個(gè)碳鋼掛片(掛前要稱重)，當(dāng)鐵離子含量和濁度穩(wěn)定在某一值不再下降時(shí)認(rèn)為酸洗結(jié)束。酸洗分析數(shù)據(jù)如表3。

表3 2012年11月10日05E005酸洗分析報(bào)告單

隨著酸洗的進(jìn)行，槽內(nèi)的溶液逐漸變渾，且有塊狀物出現(xiàn)；結(jié)束后掛片稱重并計(jì)算，腐蝕余度在指標(biāo)范圍內(nèi)。廢液用氫氧化鈉中和后達(dá)標(biāo)排放。

酸洗過(guò)后，CO2氣體溫度有所下降，由50 ℃下降到38 ℃。而且能維持1 a左右的時(shí)間，效果明顯。

4.2.205E005A/B循環(huán)水通道進(jìn)行反沖洗

每次大修或有停車機(jī)會(huì)，關(guān)05E005A/B循環(huán)水進(jìn)出口閥，拆入口短節(jié)，打開(kāi)出口閥，進(jìn)行反沖洗。每次反沖洗后，CO2氣體溫度都會(huì)下降5 ℃左右。

4.2.3冷卻水入口增設(shè)機(jī)械過(guò)濾器

為徹底解決循環(huán)水中雜質(zhì)堵塞板式換熱器，提高其換熱效率，經(jīng)咨詢廠家，在冷卻水入口管線上增設(shè)管道過(guò)濾器(可在線清洗)可有效解決這一問(wèn)題。我們于2012年大修期間予以落實(shí)。在需要時(shí)可隨時(shí)在線清洗入口過(guò)濾器，不影響工況，效果較好。該過(guò)濾器采用水平安裝，其接管采用法蘭聯(lián)接(接口尺寸12″；1501b，RF ASME B16.5)；由人工定期操作。

其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

過(guò)濾介質(zhì)密度 1 000 kg/m3

過(guò)濾精度 8目 設(shè)計(jì)壓力 0.6 MPa

操作壓力 0.4 MPa 設(shè)計(jì)溫度 50 ℃

操作溫度 33～43 ℃ 設(shè)計(jì)流量 758 m3/h

過(guò)濾流量 800 m3/h 殼體材質(zhì) 20#

濾網(wǎng)、濾框材質(zhì) 304

該過(guò)濾器可在線運(yùn)行，無(wú)需接旁路，反沖洗時(shí)無(wú)需停機(jī)，過(guò)濾及反沖洗效果好；濾筒采用不銹鋼楔形條或不銹鋼沖孔板制造，進(jìn)出口水流方向呈直通布置，使用壽命長(zhǎng)，可用20 a。

4.2.4更換05E005A/B

因酸洗效果只能維持一段時(shí)間，且多次酸洗對(duì)設(shè)備本身存在傷害，后經(jīng)技術(shù)人員研究分析，決定分兩次更換兩臺(tái)換熱器，其參數(shù)如表4。

表4 更換的05E005A/B設(shè)備參數(shù)

5 實(shí)施效果

(1)加裝機(jī)械過(guò)濾器及更換05E005A/B后，

送尿素裝置CO2氣體溫度降至35 ℃左右(見(jiàn)表5)，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)40 ℃。本著節(jié)能降耗的目的，生產(chǎn)中適當(dāng)關(guān)小冷卻水蝶閥，減少冷卻水用量。

表5 送尿素裝置CO2氣體溫度

(2)方案完全實(shí)施后，CO2壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降110 r/min左右、蒸汽消耗降低約1 t/h(見(jiàn)表6)，有效穩(wěn)定了CO2壓縮機(jī)的運(yùn)行，起到了節(jié)能降耗的作用。此外，脫碳系統(tǒng)節(jié)能降耗也較明顯，主要體現(xiàn)在工藝?yán)淠旱幕厥?、藥品的消耗降低等方面?/p>

6 結(jié) 語(yǔ)

脫碳單元送尿素裝置CO2溫度重新滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能降耗，有著重要的意義。

表6 CO2壓縮機(jī)功耗統(tǒng)計(jì)

CO2氣體超溫的分析及處理過(guò)程，也給我們帶來(lái)了一些啟示：大的隱患是從小的隱患開(kāi)始的，日積月累，由量變到質(zhì)變，往往發(fā)生質(zhì)變后才會(huì)引起我們的注意；如果一開(kāi)始就精心操作，防止雜物進(jìn)入換熱器，提前加裝機(jī)械過(guò)濾器，定會(huì)延長(zhǎng)該換熱器的使用壽命，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。