淺談液氮洗冷排氣體優(yōu)化

張偉華,鄧文剛

(中海石油華鶴煤化有限公司， 黑龍江鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司(簡(jiǎn)稱華鶴公司)現(xiàn)有1套年產(chǎn)30萬(wàn)t合成氨、52萬(wàn)t大顆粒尿素裝置(簡(jiǎn)稱3052項(xiàng)目)，并配套建設(shè)年產(chǎn)60萬(wàn)t新華煤礦,為3052 項(xiàng)目提供原料煤。3052項(xiàng)目煤氣化生產(chǎn)采用美國(guó)GE水煤漿氣化技術(shù)，變換采用寬溫耐硫變換工藝，脫硫、脫碳采用大連低溫甲醇洗工藝，合成氣精制采用杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司(簡(jiǎn)稱杭氧公司)的液氮洗工藝，氨合成采用丹麥Tops?e技術(shù)，尿素裝置采用荷蘭2000+TM技術(shù)，其他裝置均采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)成熟技術(shù)。

3052項(xiàng)目自2015年5月9日成功投產(chǎn)運(yùn)行至今，液氮洗裝置仍有節(jié)能降耗的空間。液氮洗工藝由于其氣體凈化度高被廣泛應(yīng)用于大型合成氨裝置氣體精制上，對(duì)液氮洗工藝進(jìn)行改造可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工藝概述

液氮洗工藝是利用分子篩先將合成氣中微量的 CO2、CH3OH 在進(jìn)冷箱之前吸附除去，然后利用液氮在-189 ℃低溫條件下除去合成氣中殘余的 CO、CH4、Ar 等微量雜質(zhì)，并配置氫氮比(物質(zhì)的量比，下同)為 3∶1 的合成氣，供氨合成用。雖然液氮洗工藝流程復(fù)雜，投資相對(duì)較大，但是其氣體凈化度高，φ(H2+N2)可以達(dá)到 99.99%，可有效降低氨合成過(guò)程中的弛放氣量，因此，被大型合成氨裝置廣泛使用，尤其在其上游配置低溫甲醇洗工藝時(shí)，更有利于冷量的利用。

2 工藝流程

從低溫甲醇洗工序來(lái)的凈化氣進(jìn)入分子篩吸附器吸收凈化氣中的微量CO2和CH3OH。凈化氣進(jìn)入冷箱，先后經(jīng)過(guò)1號(hào)原料氣冷卻器、2號(hào)原料氣冷卻器使其溫度降至-188 ℃，隨后進(jìn)入氮洗塔(C04301)的下部進(jìn)行氮?dú)庀礈臁５此猩仙脑蠚馀c塔頂下來(lái)的液氮逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)、傳熱。CO、 CH4及 Ar 等雜質(zhì)從氣相冷凝，并溶解于液氮中， 從塔頂排出的氮洗氣中的 H2與部分蒸發(fā)液氮混合，被洗滌后的氮洗氣(φ(H2)=90.75%、φ(N2)=9.25%)先后經(jīng)過(guò)1號(hào)原料氣冷卻器、2號(hào)原料氣冷卻器換熱后分為2股：一股出冷箱去甲醇洗反饋冷量，另一股經(jīng)高壓氮?dú)饫鋮s器被高壓N2復(fù)熱到30 ℃出冷箱，與來(lái)自甲醇洗裝置回收冷量后的合成氣匯合，再經(jīng)精配氮串級(jí)控制調(diào)節(jié)，最后把混合氣體(H2和N2物質(zhì)的量也為3∶1的合成氣)送入氨合成工序[1]。

3 液氮洗火炬氣運(yùn)行現(xiàn)狀

液氮洗裝置冷量來(lái)源主要分為混合制冷和節(jié)流制冷，正常原料氣利用板翅式換熱器回收液氮洗滌塔尾液節(jié)流產(chǎn)生的冷量，同時(shí)節(jié)流產(chǎn)生的冷量將高壓N2冷卻為液氮在氮洗塔內(nèi)洗滌凈化氣中的CO、 CH4及 Ar 等雜質(zhì)。洗滌后的液氮經(jīng)過(guò)2個(gè)節(jié)流閥逐級(jí)降壓、閃蒸出可燃?xì)猓瑫r(shí)經(jīng)過(guò)節(jié)流閥產(chǎn)生冷量。設(shè)計(jì)上節(jié)流閥開(kāi)度越大，產(chǎn)生的冷量越多，冷箱裸冷和冷卻積液過(guò)程中都將2個(gè)節(jié)流閥全開(kāi)以產(chǎn)生最大的冷量。在滿負(fù)荷實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，節(jié)流閥開(kāi)度分別為42%和41%，即可滿足整個(gè)冷箱的冷量需求，通過(guò)節(jié)流閥閥位可以證明冷箱內(nèi)冷量是富余的[2]。節(jié)流后的冷液體分為2股：一股作為燃料氣為冷箱內(nèi)提供冷源，最后燃料氣復(fù)熱至20 ℃送至鍋爐燃燒；另一股為了控制冷液體分離罐液位穩(wěn)定需將部分冷液體通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)冷排放閥排放至冷液體排放罐，在排放罐內(nèi)氣化成氣體，作為火炬氣通過(guò)火炬氣加熱器，用低壓蒸汽加熱至20 ℃后排放至火炬。華鶴公司技術(shù)人員通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀分析，這部分冷液體排放至火炬燃燒，造成能量浪費(fèi)，故提出將這部分火炬氣重新回收利用。

4 改造回收火炬氣的準(zhǔn)備和實(shí)施

目前，冷液體通過(guò)氫氣分離罐液相排放至冷液體排放罐，排放參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 冷液體排放參數(shù)

對(duì)冷排放液體取樣分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 冷排放液體取樣分析數(shù)據(jù)

華鶴公司技術(shù)人員通過(guò)對(duì)冷排放液體參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)火炬氣組分和壓力可并入燃料氣系統(tǒng)，避免資源浪費(fèi)?；鹁婀芫€與燃料氣管線距離10 m，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改造、安裝必要的現(xiàn)場(chǎng)截止閥和調(diào)節(jié)閥。改造前后冷排放火炬氣工藝流程見(jiàn)圖1。

(a) 改造前

(b) 改造后圖1 冷排放火炬氣工藝流程

2020年7月17日利用裝置檢修機(jī)會(huì)，按照方案對(duì)火炬氣進(jìn)行改造實(shí)施，裝置停車檢修后，確保液氮洗燃料氣管線和火炬氣管線無(wú)可燃?xì)?，具備施工條件。為了不影響檢修進(jìn)度，對(duì)2條管線進(jìn)行加閥，具體施工圖見(jiàn)圖2。2020年8月18日改造施工完畢，將火炬氣并入燃料氣管線。

圖2 改造施工圖

改造所需材料及成本見(jiàn)表3。

表3 改造所需材料及成本

5 改造效果

5.1 工藝效果

火炬氣并入后，液氮洗工況運(yùn)行穩(wěn)定，正常工況下可將全部火炬氣引入至燃料氣管網(wǎng)[3]?；鹁鏆庥行С煞?H2+CO)體積分?jǐn)?shù)為43%～48%，體積流量為900～1 100 m3/h。

qV,CO=qV,變×φ1(CO)=qV,總×φ2(CO)

(1)

qV,火=qV,總-qV,燃

(2)

qV,火=qV,變×φ1(CO)/φ2(CO)-qV,燃

(3)

式中：qV,CO為排放氣中CO體積流量，m3/h；qV,變?yōu)樽儞Q氣體積流量，取160 000 m3/h；φ1(CO)為變換出口CO體積分?jǐn)?shù)，取1%；qV,總為排放氣體總體積流量, m3/h;φ2(CO)為冷液體中CO體積分?jǐn)?shù)，取40%；qV,火為火炬氣體積流量,m3/h；qV,燃為燃料氣體積流量，取2 200 m3/h。

將數(shù)據(jù)帶入式(3)后可計(jì)算得到qV,火=1 800 m3/h。

各組分燃燒熱值見(jiàn)表4(其中，H2和CH4熱值為燃燒生成水以氣態(tài)水形式存在的熱值)。

火炬氣中H2燃燒熱量為485 357.04 kJ/h, CO燃燒熱量為9 553 092.70 kJ/h， CH4燃燒熱量為969 734.32 kJ/h， 計(jì)算得出火炬氣燃燒熱量為11 008 184.06 kJ/h。

鍋爐煤由于煤質(zhì)和組分不同，計(jì)算其平均燃燒熱值為17 585.4 kJ/kg。

根據(jù)熱值衡算，燃料氣燃燒折算成煤燃燒質(zhì)量流量為626 kg/h。

5.2 經(jīng)濟(jì)效果

經(jīng)計(jì)算鍋爐使用煤?jiǎn)蝺r(jià)為500元/t，每天節(jié)省約7 512元，全年按330 d運(yùn)行計(jì)算每年可回收成本248萬(wàn)元。

6 操作注意事項(xiàng)

改造后在操作工程中應(yīng)注意以下2個(gè)方面[4]：

(1) 燃料氣壓力的控制。由于從火炬加熱器出口引至燃料氣管線，而火炬加熱器出口壓力會(huì)隨分子篩程序控制步驟的不同而變化，在泄壓步驟時(shí)火炬氣壓力和氣量會(huì)增大，故而影響燃料氣壓力，此時(shí)主控需手動(dòng)干預(yù)燃料氣壓力調(diào)節(jié)閥，以保證燃料氣壓力。

(2) 停車后的切除。當(dāng)液氮洗系統(tǒng)或者鍋爐系統(tǒng)停車時(shí)，主控應(yīng)第一時(shí)間將火炬氣切出，避免對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響。

7 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)改造后，排放火炬氣全部回收至鍋爐燃燒，產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益，提高能量利用率，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。改造后雖然將可燃?xì)庵匦吕眠M(jìn)行燃燒，但是仍然造成了能量的浪費(fèi)，如加以分析將此部分H2和CO利用于合成氨的原料將更加有意義。冷液體從冷箱排出后，冷量沒(méi)有得到利用，而且消耗蒸汽對(duì)其加熱，如果將此部分冷量重新利用，為熱源提供冷量，降低蒸汽消耗會(huì)使成本得到更一步降低。下一步華鶴公司技術(shù)人員會(huì)從以上2個(gè)方面對(duì)裝置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與改造。

化肥企業(yè)屬于高危險(xiǎn)、高消耗的企業(yè)，只有通過(guò)對(duì)現(xiàn)有裝置不斷摸索、不斷創(chuàng)新，實(shí)行技術(shù)改造，才能不斷降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。