合成氨裝置PSA提氫系統(tǒng)消除隱患及工藝優(yōu)化小結(jié)

和向文

(云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司，云南 開遠(yuǎn) 661600)

0 引 言

云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司(簡稱云南解化)始建于1958年，一期合成氨裝置以焦炭、白煤為原料，采用常壓固定床氣化工藝制取半水煤氣，2008年全線停產(chǎn)；二期合成氨裝置以褐煤為原料，采用魯奇純氧氣化工藝，粗煤氣經(jīng)栲膠脫硫、變換、熱鉀堿脫碳、銅洗制氨合成氣。1996年，二期合成氨裝置進(jìn)行總體技改，粗煤氣經(jīng)耐油耐硫變換、低溫甲醇洗、液氮洗制氨合成氣，同時(shí)液氮洗系統(tǒng)分離出的富甲烷氣經(jīng)壓縮后送至新增的505A“雙一段”甲烷轉(zhuǎn)化、中低溫變換、熱鉀堿脫碳、甲烷化系統(tǒng)制取氨合成氣。2006年，二期合成氨裝置進(jìn)行擴(kuò)能技改，變換氣流量由70 000 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同)增至107 000 m3/h，恢復(fù)使用原閑置的空分裝置，增設(shè)純氧氣化爐，對耐油耐硫變換、低溫甲醇洗系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)能(低溫甲醇系統(tǒng)增設(shè)1臺(tái)脫碳塔、1臺(tái)減壓膨脹閃蒸塔，并增加少量換熱設(shè)備，對部分塔內(nèi)件進(jìn)行改造)，脫碳后的凈化氣流量24 700 m3/h，經(jīng)新增變壓吸附(PSA)提氫系統(tǒng)分離出的氫氣直接送氨合成氣壓縮機(jī)入口，PSA提氫系統(tǒng)尾氣(含甲烷42%)則經(jīng)壓縮機(jī)提壓后送入新建的505B換熱式甲烷轉(zhuǎn)化、中低溫變換、熱鉀堿脫碳、甲烷化系統(tǒng)制氨合成氣，并新建1座氨合成塔，進(jìn)一步提高合成氨產(chǎn)能。2009年，云南解化建設(shè)200 kt/a甲醇裝置，采用熔渣氣化、耐油耐硫變換、低溫甲醇洗工藝，甲醇合成系統(tǒng)弛放氣經(jīng)膜分離系統(tǒng)提氫后，尾氣送至新建的505C換熱式甲烷轉(zhuǎn)化、中低溫變換、MDEA脫碳、甲烷化系統(tǒng)制氨合成氣，然后送至氨合成氣壓縮機(jī)入口，由此合成氨實(shí)際產(chǎn)能提高80 kt/a，2009年后云南解化合成氨產(chǎn)能達(dá)400 kt/a。其中，PSA提氫系統(tǒng)采用四川天一科技股份有限公司(簡稱四川天一)的技術(shù)，2007年初PSA提氫系統(tǒng)投運(yùn)，一直運(yùn)行穩(wěn)定、狀況良好，但PSA提氫系統(tǒng)8臺(tái)吸附塔頂部封頭均出現(xiàn)過裂紋問題，以下主要圍繞該隱患展開分析與探討。

1 吸附塔頂部封頭裂紋問題簡述

云南解化PSA提氫系統(tǒng)運(yùn)行控制程序采用8-2-3模式，即8臺(tái)吸附塔在運(yùn)、任何時(shí)刻均有2臺(tái)吸附塔同時(shí)進(jìn)料(處于吸附狀態(tài))、3次均壓、抽空解吸工藝，其運(yùn)行控制程序也可由8-2-3模式切換為7-2-3模式，即當(dāng)某一臺(tái)吸附塔出現(xiàn)故障時(shí)，可將這臺(tái)吸附塔切出隔離處理，保證PSA提氫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。2011年4月，首次發(fā)現(xiàn)吸附塔A頂部封頭有氣體外漏，切塔檢查封頭上有明顯的裂紋，當(dāng)時(shí)采取了剖開裂紋補(bǔ)焊的方式予以消除；后來，其他吸附塔頂部封頭陸續(xù)出現(xiàn)了類似氣體外漏情況，且同一臺(tái)吸附塔頂部封頭的不同位置出現(xiàn)氣體外漏，至2014年底，8臺(tái)吸附塔均出現(xiàn)過頂部封頭裂紋。期間，云南解化制定了嚴(yán)格的巡查制度與風(fēng)險(xiǎn)管控措施，維持了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，但是，PSA提氫系統(tǒng)具有高氫、變壓(抽空階段為負(fù)壓)的特點(diǎn)，吸附塔內(nèi)吸入外部空氣或高氫氣體外漏，均有著火、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，每次吸附塔頂部封頭出現(xiàn)裂紋，都是通過切塔隔離在其外部剖口施焊的方式消除隱患，難以滿足本質(zhì)安全生產(chǎn)要求，此安全隱患須盡快、徹底消除。

2 原因分析

吸附塔頂部封頭出現(xiàn)裂紋后，四川天一與云南解化專業(yè)技術(shù)人員一道分析問題所在，查閱設(shè)計(jì)資料，了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況，均符合工藝設(shè)計(jì)及操作控制要求，而四川天一上百套類似的PSA系統(tǒng)均運(yùn)行良好，未出現(xiàn)過類似問題，此問題只在云南解化PSA提氫系統(tǒng)首次出現(xiàn)，且吸附塔頂部封頭裂紋位置有一共同的特點(diǎn)，均在分子篩吸附劑的壓板固定筋板附近。經(jīng)雙方共同分析與研究，得出如下結(jié)論。

(1)PSA提氫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不斷周期性地充壓/泄壓，設(shè)備存在較大的交變應(yīng)力，若PSA提氫系統(tǒng)超壓運(yùn)行、均升/均降壓力變化過快，會(huì)形成更大的交變應(yīng)力。但云南解化PSA提氫系統(tǒng)運(yùn)行壓力一直符合設(shè)計(jì)要求，故這方面應(yīng)不是吸附塔頂部封頭出現(xiàn)裂紋的主要原因。

(2)吸附塔頂部封頭為橢圓式，其受力分布沒有球型封頭好，但橢圓式封頭上面空間小有利于提高氫回收率，且云南解化PSA提氫系統(tǒng)之前應(yīng)用的四川天一PSA提氫系統(tǒng)吸附塔頂部封頭均為橢圓式結(jié)構(gòu)，深入了解吸附塔橢圓式封頭結(jié)構(gòu)，封頭下面分子篩吸附劑上的壓板通過6塊筋板均勻焊接在封頭的內(nèi)表面，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，吸附塔內(nèi)壓力呈周期性變化，此交變應(yīng)力經(jīng)過筋板作用在封頭表面，封頭筋板應(yīng)力集中，易產(chǎn)生疲勞損傷，對此，四川天一回復(fù)設(shè)計(jì)方面已予以充分考慮，封頭強(qiáng)度完全能夠滿足生產(chǎn)要求，且其他類似的PSA系統(tǒng)均未出現(xiàn)過類似問題，故這方面應(yīng)不是吸附塔頂部封頭出現(xiàn)裂紋的主要原因。

(3)吸附塔頂部封頭設(shè)置分子篩補(bǔ)充口，外部操作平臺(tái)通過支撐腳焊接在封頭下沿的筒體上，8臺(tái)吸附塔分兩排布置(每排4臺(tái)吸附塔)，操作平臺(tái)自重受力在吸附塔筒體上，會(huì)對筒體與封頭連接位置產(chǎn)生一定的附加力，但此附加力較小且穩(wěn)定，故這方面應(yīng)不是吸附塔頂部封頭出現(xiàn)裂紋的主要原因。

(4)云南解化PSA提氫系統(tǒng)原設(shè)計(jì)負(fù)荷24 700 m3/h(凈化氣流量)，但由于生產(chǎn)需要其負(fù)荷基本上控制在32 000 m3/h(凈化氣流量)，負(fù)荷增加后，為保證出口氫氣微量合格[(CO2+CO)含量<10×10-6]，調(diào)減了吸附周期時(shí)間，交變應(yīng)力隨之增大，這應(yīng)該是吸附塔頂部封頭出現(xiàn)裂紋的主要原因之一。

(5)檢查8臺(tái)吸附塔頂部封頭內(nèi)部筋板，筋板與封頭內(nèi)壁未采取滿焊，只是兩頭局部焊接，交變應(yīng)力集中在兩頭焊接處，久而久之筋板處易因應(yīng)力存在而出現(xiàn)裂紋，即焊接方面存在的明顯缺陷應(yīng)該是吸附塔頂部封頭出現(xiàn)裂紋的主要原因之二。

3 解決措施之技術(shù)難點(diǎn)分析

四川天一認(rèn)可上述設(shè)備制作方面的缺陷，同意更換吸附塔頂部封頭以消除隱患。為使封頭受力分布均勻，新封頭采用球型，設(shè)計(jì)上取消原封頭內(nèi)固定吸附劑的壓板結(jié)構(gòu)，用棕墊和瓷球予以替代。吸附塔換為球型封頭，PSA提氫系統(tǒng)氫回收率會(huì)有一定下降，氫回收率下降則尾氣量將增加，影響后序工況；另外，吸附塔內(nèi)分子篩在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生磨損，運(yùn)行一定時(shí)間后需進(jìn)行補(bǔ)加，吸附塔改為球型封頭后補(bǔ)充分子篩存在困難。簡言之，改為球型封頭存在諸多難點(diǎn)，工程技術(shù)方面需認(rèn)真予以思考并解決。此外，改造施工進(jìn)程方面，PSA提氫系統(tǒng)停車，吸附塔更換封頭用時(shí)較長，對生產(chǎn)進(jìn)度影響較大，當(dāng)時(shí)否定了此種處理方案。

經(jīng)進(jìn)一步分析與論證，提出將PSA提氫系統(tǒng)運(yùn)行模式由8-2-3切換至7-2-3，隔離處理進(jìn)行單塔檢修，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減負(fù)荷在線檢修(無需停車)，此為首選方案，但PSA提氫系統(tǒng)運(yùn)行過程中內(nèi)部動(dòng)火存在較大風(fēng)險(xiǎn)。對此，有人提出，先將PSA提氫系統(tǒng)隔離出來檢修的那臺(tái)吸附塔內(nèi)裝填的分子篩全部卸出，再將其吊到安全位置檢修，只是每臺(tái)吸附塔內(nèi)裝填了近23 t的吸附劑，由下到上分層裝填氧化鋁、活性炭、分子篩，將其全部卸出檢修，裝卸吸附劑的工作量實(shí)在太大，且3種吸附劑層間無隔網(wǎng)，卸出混在一起將會(huì)損耗部分吸附劑，吸附劑回裝補(bǔ)充量會(huì)很大，且卸出后的吸附劑的合理保存也是個(gè)大問題。經(jīng)多次討論，最后決定只抽吸附塔上部的單一型號的分子篩進(jìn)行檢修。然而，考慮到吸附劑內(nèi)層吸附著可燃有毒氣體以及甲醇等有機(jī)物，即使通過特殊再生方式，仍不能確保分子篩內(nèi)部吸附物完全釋放，據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，吸附塔再生后在氮?dú)獗Ｗo(hù)狀態(tài)下檢修，氣體內(nèi)的可燃物仍會(huì)有變化，更換封頭，施工人員必須進(jìn)入吸附塔內(nèi)施焊，其安全如何保證？吸附塔塔體周圍有大量的密封點(diǎn)，如何保證安全動(dòng)火？這些都是施工中必須認(rèn)真面對的安全問題?？傊琍SA提氫系統(tǒng)吸附塔頂部封頭隱患處理須制定切實(shí)可行的工程技術(shù)措施和安全措施。

4 解決措施

4.1 封頭隱患問題解決

(1)為滿足云南解化PSA提氫系統(tǒng)32 000 m3/h(凈化氣流量)的運(yùn)行負(fù)荷需求，經(jīng)雙方協(xié)商，同意重新設(shè)計(jì)為球型封頭，并取消原封頭內(nèi)固定吸附劑壓板結(jié)構(gòu)，采用棕墊和瓷球予以替代，以改善受力分布。此設(shè)計(jì)的不足之處是，分子篩損耗后不易補(bǔ)充，球型封頭上部空間較原橢圓封頭有所增加，系統(tǒng)氫回收率會(huì)有一定下降，尾氣量將增加，對后序工況有影響。

(2)二均和三均，壓力“互充”平衡時(shí)，仍有超過15 s的時(shí)間才會(huì)進(jìn)入下一步驟，表明“互充”較快，交變應(yīng)力相較于緩慢“互充”更大，且對分子篩不利。為優(yōu)化運(yùn)行壓力“互充”、減小運(yùn)行時(shí)吸附塔內(nèi)的交變應(yīng)力，決定在“互充”DN125管線的法蘭上增設(shè)φ80 mm限流孔板。改造后，二均壓力平衡離進(jìn)入下一步的時(shí)間縮短至10 s，三均壓力平衡離進(jìn)入下一步時(shí)間縮短至7 s，達(dá)到預(yù)期效果，且運(yùn)行壓力“互充”的優(yōu)化使得吸附劑損耗減小，無須經(jīng)常性地補(bǔ)加吸附劑就能滿足生產(chǎn)所需。

(3)PSA提氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)凈化氣處理量24 700 m3/h，而實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中凈化氣處理量超過32 000 m3/h，且系統(tǒng)已運(yùn)行近10 a，吸附劑的吸附能力有一定下降；另外，通過調(diào)整吸附周期時(shí)間的方式，一方面保證產(chǎn)品氫氣中(CO2+CO)含量<10×10-6，另一方面保證再生效率，兩方面相互影響，系統(tǒng)操作彈性已較小，單臺(tái)吸附塔吸附時(shí)間原設(shè)計(jì)為240 s(開車之初此時(shí)間可調(diào)至280 s)，當(dāng)前負(fù)荷高時(shí)僅約222 s。于是，與四川天一溝通后，決定利用更換球型封頭的機(jī)會(huì)將每臺(tái)吸附塔筒體加高500 mm，以多裝填分子篩吸附劑(單臺(tái)吸附塔可多裝1.5 t吸附劑)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，這樣一來，吸附周期及系統(tǒng)操作彈性將會(huì)明顯提升，調(diào)增吸附周期時(shí)間，可保證氫回收效率，尾氣中各組分含量穩(wěn)定，不影響后序工況，且吸附塔切換節(jié)拍改變，交變應(yīng)力變小。技改實(shí)施后，PSA提氫系統(tǒng)在入口氣氣質(zhì)、氣量相同的工況下，單塔吸附時(shí)間延長至272 s，可保證產(chǎn)品氫氣微量合格，且氫回收率明顯上升。

(4)吸附塔更換為球型封頭后，取消外部平臺(tái)通過支撐腳焊接在設(shè)備上的方式，直接在地面上立支撐柱，消除了操作平臺(tái)對吸附塔的附加作用力。

4.2 施工難點(diǎn)問題解決

(1)分子篩吸附劑的卸出。需檢修的吸附塔在抽空結(jié)束時(shí)切除，用氮?dú)獬鋲?泄壓的方式重復(fù)多次置換，盡可能降低分子篩內(nèi)及空間內(nèi)存積的可燃有毒組分，之后分子篩在充氮保護(hù)的環(huán)境下用真空抽吸泵卸出，并在氮?dú)獗Ｗo(hù)下裝桶封存，以防外界的水分和氧氣接觸分子篩；檢修區(qū)域?yàn)槲剿喜客搀w2 m高度范圍，以保證更換封頭的作業(yè)空間。

(2)塔內(nèi)分子篩吸附劑的保護(hù)。將檢修的吸附塔進(jìn)/出管線用盲板完全隔離，塔底通入小股保護(hù)氮?dú)?，既防止外部空氣進(jìn)入塔內(nèi)，又可稀釋因溫度變化解吸出的可燃物，保證塔內(nèi)(H2+CH4+CO)含量<0.2%，確保動(dòng)火安全。

(3)分子篩吸附劑上方的保護(hù)措施。若不采取保護(hù)措施，割封頭時(shí)產(chǎn)生的火花和鐵屑直接落到吸附劑表面，鐵屑存留于設(shè)備內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行壓力“互充”時(shí)隨氣流運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生摩擦火花和靜電，構(gòu)成安全隱患，且大量的熔鐵落入吸附劑中不易分揀出來，更換此吸附劑層會(huì)致?lián)p耗增加。為此，確定分子篩抽吸出來后的安全措施為，在吸附劑的上表面先鋪一層防火布，上面蓋好硅酸鋁耐火棉，割除封頭吊開后，鐵屑等就能方便地予以徹底清除。

(4)吸附塔內(nèi)施工安全措施及落實(shí)。如何保證吸附塔內(nèi)施工人員的安全是施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，考慮到8臺(tái)吸附塔內(nèi)徑相同、檢修方法一致，設(shè)計(jì)并制作了一套檢修工裝：依據(jù)吸附塔的內(nèi)徑，用木板和槽鋼制作，分上/下兩層，中間留有空腔；用木板精細(xì)加工與筒體內(nèi)徑吻合的臺(tái)面，中間用槽鋼連接支撐，形成15 cm的空腔，上層設(shè)置氣體引出口。吸附塔舊封頭割除后，將此工裝平穩(wěn)鋪在吸附劑上面，上層木板與吸附塔筒體接觸位置用固體膠予以密封，鋪設(shè)好防火布、硅酸鋁耐火棉；預(yù)制好的新封頭與塔體對中后，工裝空腔內(nèi)的混合氣體接皮管用真空泵抽引至塔外。施工空間內(nèi)，用分布管強(qiáng)制充入外部空氣，塔內(nèi)人員施工時(shí)，外面有專人值守，用真空泵抽吸，保證工裝空腔處于微負(fù)壓狀態(tài)，吸附塔下面的保護(hù)氮?dú)夂头肿雍Y中解吸的可燃有毒氣體通過工裝空腔抽至塔外，防止其進(jìn)入施工空間內(nèi)，施工全過程連接在線分析儀表，隨時(shí)觀察吸附塔內(nèi)部的CO、H2S、O2含量，保證CO含量<20×10-6、H2S含量<10×10-6、O2含量在19.5%～23.0%，且塔內(nèi)施工人員配備便攜式四合一氣體濃度監(jiān)測儀，以保證塔內(nèi)受限空間作業(yè)人員的安全。

(5)吸附塔外圍安全與防火措施落實(shí)。PSA提氫系統(tǒng)屬高氫區(qū)域，系統(tǒng)內(nèi)有53只自動(dòng)程控閥，密封點(diǎn)多，儀表控制線多，一旦出現(xiàn)泄漏著火，安全風(fēng)險(xiǎn)極高，且氫氣著火白天不易察覺，隱患極大。為確保安全施工，制定嚴(yán)格的安全措施，采取多層保護(hù)，防止焊花接觸到可能存在泄漏的位置，具體做法為：首先，在吸附塔程控閥的連接管線上方鋪設(shè)平臺(tái)，平臺(tái)上鋪滿高溫防火布，用水澆濕；其次，檢修前對現(xiàn)場密封點(diǎn)認(rèn)真進(jìn)行查漏消漏，下面程控閥層用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，防止泄漏出的可燃物富集；最后，吸附塔頂部封頭動(dòng)火位置周圍搭建平臺(tái)，鋪設(shè)高溫防火布，用水澆濕。上述措施落實(shí)后，動(dòng)火風(fēng)險(xiǎn)得到有效降低與控制。

5 結(jié)束語

云南解化400 kt/a合成氨裝置PSA提氫系統(tǒng)8臺(tái)吸附塔頂部封頭消除裂紋隱患改造工程于2017年5月—2018年12月在PSA提氫系統(tǒng)正常生產(chǎn)的情況下陸續(xù)施行，即在7-2-3運(yùn)行模式下逐一對單臺(tái)吸附塔開展更換封頭的作業(yè)。由于前期技術(shù)方案準(zhǔn)備充分、恰當(dāng)，施工過程中安全措施得當(dāng)，安全、順利地完成了此項(xiàng)難度較大的工程，徹底消除了PSA提氫系統(tǒng)的安全隱患。技改后，在保證PSA提氫系統(tǒng)32 000 m3/h的運(yùn)行負(fù)荷下，氫回收率達(dá)91%以上，較改造前提高約2%～3%，尾氣甲烷含量由36%～38%升至42%～43%，尾氣總量減少，有利于甲烷轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)運(yùn)行。