脫碳單元送尿素裝置CO2氣體超溫分析及對策

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(中海石油化學股份有限公司，海南 東方 572600)

中海石油化學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，生產能力為1 000 t/d。裝置自1996年10月投產以來，總體運行穩定，能耗低。其脫碳工藝采用本菲爾特低熱專利技術，利用熱堿法(K2CO3溶液)脫除工藝氣中的CO2。CO2經過兩次換熱后送往尿素裝置，作為尿素生產的原料之一。CO2的溫度是否達標，會直接影響CO2壓縮機的穩定運行及系統的能耗。

1 脫碳單元流程(圖1)簡介

從再生塔05C002頂部出來的CO2(111 ℃)，經過脫鹽水預熱器05E004A/B/C降溫到98 ℃(TI05019)，冷凝液在05F005中分離，CO2則進一步在冷卻器05E005A/B中冷卻到40 ℃(TI05020)；冷凝液在05F004分離，分離后的CO2作為中間產品送往尿素裝置CO2壓縮機，加壓后與氨反應生產出最終產品尿素。

2 存在的問題

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，正常生產報表統計如表1所示。

表1 2006～2007年CO2溫度季度統計表℃

由表1可以看出，TI05020在2006～2007年，有一個逐漸上升的趨勢，超標越來越嚴重。

脫碳單元送尿素裝置CO2氣體超溫后，最直接的影響就是，CO2壓縮機做功效率降低，透平蒸汽消耗量增加，影響CO2壓縮機的穩定運行。其次，脫碳單元低壓蒸汽消耗量、藥品消耗量會升高，外送工藝冷凝液量降低。

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經過了板式換熱器05E004A/B/C、05E005A/B兩次換熱。直接原因肯定是其中一個換熱器換熱效率不佳。

查閱相關報表，統計了2006～2011年05E004A/B/C出口溫度(TI05019)的變化情況，如表2。

圖1 脫碳單元流程簡圖

05E004A/B/C出口溫度(TI05019)在2006～2011年變化不大，平均值為98 ℃，與設計無異，由此排除掉05E004A/B/C出口溫度超標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

其確認過程，有的是在正常生產時查閱記錄報表，有的是在大修或停車時打開換熱器查看內部情況予以確認的。

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致CO2超溫的主要因素之一。

3.2.2循環水中有雜物

2009年大修，拆開05E005A/B發現，內部存在塑料碎末等雜物。塑料碎末來源于循環水涼水塔填料。由于05E005A/B間隙只有2 mm，這些雜質夾在間隙中不能隨循環水帶走，必然導致換熱器換熱效果不佳。

3.2.3換熱器結垢

大修時，打開換熱器后發現，換熱片上結垢。05E005A/B自1996年原始開車運行16 a以來，熱端CO2溫度為98 ℃，高溫使循環水中的鈣鎂離子析出，在換熱片上結垢，導致換熱效果不佳。

4 對 策

經歷了一個大修周期，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 正常生產時的對策

4.1.1增加再生塔塔板沖洗水量

適當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，同時也有利于維持系統水平衡，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：① 沖洗水不能過量，否則會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適當關小脫鹽水預熱器旁路

適當關小脫鹽水旁路，導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，有助于進一步降低送尿素裝置CO2氣體溫度。當然了，也存在操作極限，據工藝流程，關小脫鹽水旁路，會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入口循環水溫度

據氣溫變化，調整循環水冷卻風機開機數量，降低05E005入口冷卻水溫度，從而降低送尿素裝置CO2氣體溫度。

在正常生產時，通過以上三種工藝調整措施，CO2氣體溫度有所降低，但效果不明顯，尤其是在夏天時，循環水溫度較高，造成CO2氣體溫度相對冬天有明顯的回升。

4.2 停車或大修時的對策

4.2.105E005A/B酸洗

在不更換換熱器的情況下，對其循環水側進行酸洗(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碳酸鈣反應，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，借著停車的機會，對05E005A/B進行了3次酸洗，其流程如圖2所示。

圖2 05E005A/B酸洗流程簡圖

在配藥槽中用水配制2%～3%的硝酸溶液，并加適當緩釋劑，啟動泵進行循環，每小時由中化分析酸度、濁度、鐵離子含量，時間控制在6 h左右。循環清洗前在槽內不同部位各掛3個不銹鋼掛片和3個碳鋼掛片(掛前要稱重)，當鐵離子含量和濁度穩定在某一值不再下降時認為酸洗結束。酸洗分析數據如表3。

表3 2012年11月10日05E005酸洗分析報告單

隨著酸洗的進行，槽內的溶液逐漸變渾，且有塊狀物出現；結束后掛片稱重并計算，腐蝕余度在指標范圍內。廢液用氫氧化鈉中和后達標排放。

酸洗過后，CO2氣體溫度有所下降，由50 ℃下降到38 ℃。而且能維持1 a左右的時間，效果明顯。

4.2.205E005A/B循環水通道進行反沖洗

每次大修或有停車機會，關05E005A/B循環水進出口閥，拆入口短節，打開出口閥，進行反沖洗。每次反沖洗后，CO2氣體溫度都會下降5 ℃左右。

4.2.3冷卻水入口增設機械過濾器

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

其設計參數如下：

過濾介質密度 1 000 kg/m3

過濾精度 8目 設計壓力 0.6 MPa

操作壓力 0.4 MPa 設計溫度 50 ℃

操作溫度 33～43 ℃ 設計流量 758 m3/h

過濾流量 800 m3/h 殼體材質 20#

濾網、濾框材質 304

該過濾器可在線運行，無需接旁路，反沖洗時無需停機，過濾及反沖洗效果好；濾筒采用不銹鋼楔形條或不銹鋼沖孔板制造，進出口水流方向呈直通布置，使用壽命長，可用20 a。

4.2.4更換05E005A/B

因酸洗效果只能維持一段時間，且多次酸洗對設備本身存在傷害，后經技術人員研究分析，決定分兩次更換兩臺換熱器，其參數如表4。

表4 更換的05E005A/B設備參數

5 實施效果

(1)加裝機械過濾器及更換05E005A/B后，

送尿素裝置CO2氣體溫度降至35 ℃左右(見表5)，優于設計指標40 ℃。本著節能降耗的目的，生產中適當關小冷卻水蝶閥，減少冷卻水用量。

表5 送尿素裝置CO2氣體溫度

(2)方案完全實施后，CO2壓縮機轉速下降110 r/min左右、蒸汽消耗降低約1 t/h(見表6)，有效穩定了CO2壓縮機的運行，起到了節能降耗的作用。此外，脫碳系統節能降耗也較明顯，主要體現在工藝冷凝液的回收、藥品的消耗降低等方面。

6 結 語

脫碳單元送尿素裝置CO2溫度重新滿足設計指標，對裝置的穩定運行、節能降耗，有著重要的意義。

表6 CO2壓縮機功耗統計

CO2氣體超溫的分析及處理過程，也給我們帶來了一些啟示：大的隱患是從小的隱患開始的，日積月累，由量變到質變，往往發生質變后才會引起我們的注意；如果一開始就精心操作，防止雜物進入換熱器，提前加裝機械過濾器，定會延長該換熱器的使用壽命，取得更好的經濟效益。