液氮洗冷箱堵塞原因分析及預(yù)防措施

張進(jìn)華

（陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司，陜西華縣 714100）

陜西陜化煤化工集團(tuán)有限公司液氮洗裝置于2012年11月投產(chǎn)，原始開車及最初運行階段較為順利，但后來在系統(tǒng)計劃停車、開車過程中，出現(xiàn)過不同程度的堵塞現(xiàn)象?，F(xiàn)結(jié)合系統(tǒng)工藝流程，就液氮洗裝置投運5 a來出現(xiàn)的堵塞事故及其原因進(jìn)行分析，并對其預(yù)防措施作一介紹。

1 液氮洗裝置工藝流程簡介

液氮洗裝置主要設(shè)備有分子篩吸附器（V1701A／B）、多流股板翅式換熱器（E1704、E1705、E1706）和氮洗塔（T1701），為減少冷量損失，低溫設(shè)備——多流股板翅式換熱器（E1704、E1705、E1706）、氮洗塔（T1701）、氣液分離器（V1702）、氣液混合器等均裝在冷箱內(nèi)，并填充珠光砂保冷材料。我公司液氮洗裝置工藝流程見圖1。

圖1 液氮洗裝置工藝流程簡圖

低溫甲醇洗工序來的凈化氣首先進(jìn)入分子篩吸附器（V1701）中的一組，將 CO2、CH3OH等雜質(zhì)除去后進(jìn)入E1705，與氮洗塔（T1701）頂來的凈化氣、塔底尾液及其閃蒸氣（回收氫）逆流換熱，冷卻到一定溫度后進(jìn)E1706繼續(xù)冷卻降溫，最后進(jìn)入T1701底部。在T1701內(nèi)，工藝氣自下而上與塔上部來的-190℃低溫液氮充分接觸，用液氮除去（溶解）工藝氣中的CO、CH4、Ar等雜質(zhì)得到精煉氣 ［（CO+CO2）含量＜10×10-6］。精煉氣出T1701后經(jīng)E1706換熱和FV-17009閥粗配氮后進(jìn)入E1705回收冷量。復(fù)熱到一定溫度后的精煉氣分2路：一路去低溫甲醇洗工段，回收冷量后返回液氮洗裝置；另一路則經(jīng)E1704復(fù)熱后與從低溫甲醇洗裝置回來的另一路精煉氣匯合，經(jīng)精配氮為氫氮比為3∶1的合成氣送氨合成裝置。

空分裝置來的壓力6.0 MPa、溫度40℃的中壓氮氣，經(jīng)E1704、E1705冷卻后分成2路，一路對精煉氣進(jìn)行粗配氮和補充冷量，另一路經(jīng)E1706冷卻成液氮后經(jīng)FV-17010調(diào)節(jié)閥送入T1701洗滌。

氮洗塔尾液減壓后進(jìn)入閃蒸罐（V1702，或稱氣液分離器）進(jìn)行氣液分離，閃蒸后的氣相經(jīng)E1706、E1705、E1704回收冷量而溫度升高，再與低溫甲醇洗裝置中壓區(qū)來的閃蒸氣匯合后進(jìn)入循環(huán)氣壓縮機回收氫；閃蒸后的液相則減壓后經(jīng)E1706、E1705和E1704回收冷量，溫度升至30℃后送入燃料氣系統(tǒng)。

2 粗配氮氣管線冰堵

2.1 事故經(jīng)過

2014年9月15日，液氮洗冷箱內(nèi)粗配氮氣調(diào)節(jié)閥FV-17009突然無法手動操作增加氮氣量，隨后洗滌液氮調(diào)節(jié)閥FV-17010的開度逐漸降低，直至閥門全關(guān)。經(jīng)工藝人員和儀表人員多方檢查，未查明原因，初步懷疑粗配氮氣管線出現(xiàn)了堵塞，致使FV-17009（及FV-17010）無法操作而氮氣（及洗滌液氮）無法加入，隨即液氮洗裝置停車，冷箱復(fù)溫 ［控制一定壓力、溫度的高純氮氣流向及流量（調(diào)節(jié)升溫速率）將冷箱由正常工作溫度升至常溫］。因生產(chǎn)任務(wù)緊迫，冷箱并未徹底復(fù)溫，氮洗塔底部溫度在-10℃左右，但FV-17009和FV-17010可以正常加入足夠氮氣（或洗滌液氮），由此排除儀表故障的可能。2014年9月17日05：00冷箱開始冷卻積液，9月19日08：39冷箱開始導(dǎo)氣，但進(jìn)氣不到2 min冷箱發(fā)生意外事故，大量珠光砂泄漏，致使冷箱無法投用，全系統(tǒng)停車檢修。

2.2 原因分析

在事故發(fā)生后，對冷箱內(nèi)粗配氮氣調(diào)節(jié)閥FV-17009無法加入氮氣的問題，初步懷疑是粗配氮氣管線發(fā)生了凍堵，冷箱復(fù)溫時也從冷箱壁放空法蘭斷開處檢測到了不飽和態(tài)水的存在，懷疑是前系統(tǒng)變換工段的飽和水汽竄入氮氣管網(wǎng)所致。于是對中壓氮氣管線分段檢測，變換工段前氮氣純度為99.999%。對于事故原因，推斷認(rèn)為有如下幾方面的因素。

（1）中壓氮氣上游用戶——變換工段氮氣管線長期以來一直未加盲板，只是現(xiàn)場前切斷閥及自調(diào)閥關(guān)閉，隨后系統(tǒng)加負(fù)荷至正常工況后，變換系統(tǒng)壓力在6.2 MPa左右，高于液氮洗工段中壓氮氣的運行壓力6.0 MPa，因入變換工段中壓氮氣盲板未盲，其切斷閥可能出現(xiàn)微小滲漏，導(dǎo)致少量水汽隨中壓氮氣進(jìn)入下游液氮洗工段，水汽冷凝后在氮氣管線內(nèi)結(jié)冰，最終導(dǎo)致粗配氮氣無法加入，迫使系統(tǒng)停車，冷箱復(fù)溫。

（2）冷箱意外泄漏事故發(fā)生后，杭氧（廠家）技術(shù)人員查看DCS操作記錄曲線和現(xiàn)場冷箱設(shè)備損壞情況后，認(rèn)為此次事故源于兩方面的原因：首先，E1705同端面溫差超標(biāo)（導(dǎo)氣時E1705上部熱端溫度過高，達(dá)到25℃），在冷箱導(dǎo)入約-60℃的工藝氣時，E1705同端面溫差達(dá)到75℃以上（控制指標(biāo)為不超過50℃），導(dǎo)致設(shè)備瞬間破裂，發(fā)生泄漏；其次，從現(xiàn)場設(shè)備、管道割段分開檢測結(jié)果來看，在合成氣管線最低點排出約100 mL液態(tài)水，由此推斷由于系統(tǒng)重啟時冷箱復(fù)溫不徹底，中壓氮氣管線內(nèi)的水在復(fù)溫時被吹至了合成氣管線，而冷箱底部溫度在-10℃左右，造成管線低點局部有水存在，這是事故的誘因。

2.3 預(yù)防措施

為預(yù)防粗配氮氣管線冰堵事故，可采取以下措施：①開、停車結(jié)束后中壓氮氣管線上盲板第一時間導(dǎo)盲，并且關(guān)閉前后切斷閥、打開閥間導(dǎo)淋；②液氮洗冷箱內(nèi)設(shè)備、管線出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象時，及時進(jìn)行停車復(fù)溫，最低點溫度須在10℃以上，復(fù)溫結(jié)束后各排放點進(jìn)行氮氣露點檢測，全部合格后方可轉(zhuǎn)入下一步操作，嚴(yán)禁為搶開車進(jìn)度放松指標(biāo)控制；③冷箱導(dǎo)入工藝氣時須控制導(dǎo)氣速率，切忌過快，以避免E1705上部熱端溫度過高；④ 長時間停車或復(fù)溫后開車須將E1704與E1705之間端面溫度降至-15℃以下，控制換熱器同端面溫差在指標(biāo)范圍內(nèi)；⑤冷箱復(fù)溫與冷卻積液過程中控制換熱器同端面溫差≤50℃，嚴(yán)禁超標(biāo)操作。

3 循環(huán)氫管線凍堵

3.1 事故經(jīng)過

2014年10月11日01：12，液氮洗冷箱在進(jìn)行開車，主操要求關(guān)閉循環(huán)氫放空切斷閥，現(xiàn)場人員在關(guān)閉放空切斷閥的同時打開了循環(huán)氫去壓縮機的切斷閥，導(dǎo)致低溫甲醇洗裝置含硫甲醇閃蒸罐的閃蒸氣（1.75 MPa）倒竄入循環(huán)氫管線，短時間內(nèi)E1705與E1706之間溫差快速上漲，隨后循環(huán)氫管線整體溫度上漲，經(jīng)檢查確認(rèn)問題后，系統(tǒng)停車，冷箱復(fù)溫。

3.2 原因分析

液氮洗裝置在開車過程中，由于現(xiàn)場人員提前將循環(huán)氫去低溫甲醇洗工段切斷閥打開，而循環(huán)氫管線正處于升壓階段，液氮洗裝置循環(huán)氫與低溫甲醇洗裝置含硫甲醇閃蒸罐來的中壓閃蒸氣一起進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機，此時閃蒸氣壓力正常（1.75 MPa），因循環(huán)氫管線上手動閥后的止回閥年久失修而失效，閃蒸氣竄入循環(huán)氫管線；由于閃蒸氣中含有60%左右的CO2，而此時循環(huán)氫管線溫度均處于正常操作溫度，即氣液分離器（V1702）氣相出口循環(huán)氫溫度為 -185℃、E1706出口循環(huán)氫溫度為-121℃、E1705出口循環(huán)氫溫度為-60℃，導(dǎo)致竄入的CO2凍結(jié)在E1705內(nèi)，使循環(huán)氫管線溫度快速上漲，最終迫使系統(tǒng)停車，冷箱復(fù)溫。

3.3 預(yù)防措施

為預(yù)防循環(huán)氫管線凍堵事故，可采取以下措施：①液氮洗工段開車過程中進(jìn)行重要閥門開關(guān)狀態(tài)確認(rèn)，巡檢人員操作，主操根據(jù)開車流程簽字確認(rèn)，嚴(yán)禁現(xiàn)場巡檢人員隨意開關(guān)閥門；②如遇循環(huán)氫壓縮機停車或者液氮洗工段停車，對循環(huán)氫管線上的止回閥進(jìn)行檢查，若存在問題則及時進(jìn)行更換；③液氮洗工段停車時，第一時間關(guān)閉循環(huán)氫去壓縮機切斷閥，將循環(huán)氫切至放空管線。

4 氮洗塔塔盤堵塞

4.1 事故經(jīng)過

2017年5月7日，液氮洗冷箱導(dǎo)氣，冷箱進(jìn)口工藝氣量 44 350 m3／h，洗滌氮量 6.1 t／h，氮洗塔壓差25.19 kPa、氮洗塔液位31%，系統(tǒng)繼續(xù)加量，氮洗塔出現(xiàn)壓差上漲、液位下降、塔頂溫度下降現(xiàn)象，工藝氣退出，則氮洗塔壓差下降、頂部溫度有上漲趨勢，但氮洗塔壓差總體偏高，塔底液位自調(diào)閥閥位明顯下調(diào)，氣液分離器（V1702）液位無法維持，冷箱內(nèi)整體溫度回升，出工段工藝氣中CO含量上漲，最后工藝氣量減至29 000 m3／h左右，氮洗塔壓差卻進(jìn)一步漲至30.35 kPa，仍無法解決問題，隨后系統(tǒng)停車，冷箱復(fù)溫。

4.2 原因分析

2017年4月系統(tǒng)大修，低壓氮氣（N3）量不足，冷箱未進(jìn)行徹底復(fù)溫，一直保持壓力，且氮氣停用后冷箱底部溫度保持在-60～-70℃；開車前用0.4 MPa低壓氮氣經(jīng)分子篩借工藝氣管線對氮洗塔進(jìn)行了短時間置換。分析認(rèn)為，冷箱2013年開車以來從未進(jìn)行過徹底地復(fù)溫操作，長時間運行過程中可能有極其微量的CO2附著在工藝氣管道內(nèi)壁上形成結(jié)晶物，前期復(fù)溫過程中，氮氣的逆流程運行可能將工藝氣管道內(nèi)的CO2結(jié)晶物從低溫區(qū)吹至高溫區(qū)（揮發(fā)）帶出，而開車前用0.4 MPa低壓氮氣經(jīng)分子篩吸附器、工藝氣管線進(jìn)行的順流程置換時又將部分CO2結(jié)晶物從高溫區(qū)吹至低溫區(qū)氮洗塔塔盤上，最終導(dǎo)致氮洗塔塔盤堵塞。

4.3 預(yù)防措施

為預(yù)防氮洗塔塔盤堵塞事故，可采取以下措施：①系統(tǒng)長期停車必須進(jìn)行冷箱復(fù)溫操作，且復(fù)溫操作必須按操作規(guī)程進(jìn)行，禁止走捷徑；②短時間停車，冷箱內(nèi)保壓，如果發(fā)生氮洗塔液位低，無法進(jìn)行導(dǎo)氣，則泄壓積液，禁止提早泄壓操作；③建議對液氮洗裝置至少每2 a徹底地復(fù)溫1次，以確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

5 結(jié)束語

液氮洗冷箱堵塞事故的發(fā)生，影響了系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，但我們在事故處理過程中也積累了大量的運行管理經(jīng)驗與生產(chǎn)操作經(jīng)驗，從而可確保今后非計劃停車事故得到減少，大大節(jié)約檢修費用。只有不斷地吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷地強化運行管理，才能為系統(tǒng)的長周期、穩(wěn)定運行打下堅實的基礎(chǔ)。公司液氮洗裝置2017年4月大修后重啟（消缺）以來，一直滿負(fù)荷、安全、穩(wěn)定運行，各項工藝指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。