合成氨液氮洗循環氫管線凍堵原因及應對措施

尤永平 董洪海 張碩良

摘要：介紹了液氮洗冷箱內循環氫管線引發凍堵的經過，從工藝設計、設備設施完整性、工藝管理等方面分析了原因，并從工程技術和管理兩個層面提出了整改措施，取得了非常好的效果，實現了液氨洗裝置本質安全。

關鍵詞：液氮洗;冷箱;循環氫;凍堵

0前言

中石油吉林石化公司300 kt/a合成氨裝置液氮洗工序采用林德技術。2002年試車，2003年6月產出合格的液氨。液氮洗單元的生產任務是：在低溫下用液氮洗滌，脫除來自低溫甲醇洗氣體中的CO、CH4、Ar等對氨合成有害的毒物及惰性氣體，制取CO≤8×10-6（v）的純凈氣體，同時將高壓氮加入到凈化氣中，配置H2＼N2比例為3：1的合成氣，作為生產合成氨的原料，兼顧冷量平衡，為甲醇洗提供富余冷量。

由于CO2在低溫下極易形成“干冰”，在開停車過程中，可通過多途徑進入冷箱，造成冷箱內管線或板式換熱器凍堵，在行業界發生過多起。我廠循環氫管線發生凍堵2次，被迫復熱后再開車，延長了開車時間，對公司生產大平衡造成一定影響。

1 ?液氮洗單元工藝流程簡述

液氮洗滌是在壓力為7.4MPa，溫度為-195℃的氮洗塔T0601塔內進行的。經分子篩吸附后的凈化氣先后進入原料氣冷卻器E0602、E0603，在此被三股物料（氮洗氣、燃料氣、循環氫氣）冷卻，然后進入氮洗塔底部，液氮從塔頂進入，兩者逆流接觸，在塔板上進行傳質傳熱，CO、CH4、Ar等雜質均被液氮冷凝和吸收，從塔底排出，凈化氫氣則從塔頂離開，在進入E0602前由調節閥進行粗配氮，粗配后的合成氣分成兩部分：一部分由E0602的熱端送至低溫甲醇洗單元釋放冷量，另一部分在E0601內回收冷量后與低溫甲醇洗返回的合成氣混合后送至氨合成單元合成氣壓縮機入口，在出E0601熱端的合成氣管線上設有細配氮閥FV06017，確保去氨合成單元合成氣的氫氮比達到3：1。

從氮洗塔T0601塔底出來的餾分，首先在D0601內閃蒸，閃蒸壓力為2.4MPa，閃蒸氣先后在E0603、E0602、E0601等換熱器內復熱到40℃，然后送到循環氣壓縮機C0501的入口被回收，未閃蒸的液體餾分經TV06005節流至0.25MPa，也在E0603、E0602、E0601中回收冷量后送至F1301爐作為燃料氣。

2 ?液氮洗循環氫管線凍堵的引發過程及處理

2014年8月2日，合成氨裝置因外網晃電停車，8月8日裝置開車至液氮洗單元。按照正常開車步驟，2：17分完成了分子篩出口閥TV06031前后均壓，外操準備手動復位開TV06031，向冷箱導氣，但閥門沒有打開，此時另一個外操已把冷箱三層D0601去壓縮機C0501循環氫管線閥門打開，開車線閥門關閉。在處理TV06031過程中，內操監控到C0501壓力高于D0601壓力，一直在提高D0601壓力，降低C0501壓力，但效果不大，也未繼續調整，認為有單向閥，不會反竄到冷箱內的。因此，開車繼續往下進行，4：10分發現D0601去C0501壓縮機循環氫管線流通不暢，具體表現為工藝條件較正常生產時有較大偏差，一是D0601與C0501的壓差比正常高0.5Mpa，二是循環氫流量是正常值的18%，三是該管線上經過換熱器的溫度均偏高30℃。于4：50分，液氮洗單元停車，排液、對冷箱進行復熱。15：30分，復熱結束，液氮洗單元重新組織開車，經過制冷、積液、導氣等步驟，一次性開車成功。

與此類似，2017年4月8日，在一次緊急停車的過程中，由于停車過程緊急，D0601壓力在一段時間內低于C0501壓縮機壓力，且外操人員未及時關閉循環氫去C0501壓縮機的閥門，又一次造成循環氫管線凍堵，現象一致。

3 ?液氮洗循環氫管線凍堵原因分析

在冷箱復熱過程中，分析循環氫管線上氣體成份，結果發現露點低于-60℃，說明無水分，CO2含量約80×10-6，因此更進一步證實了是由于CO2進入冷箱造成的凍堵。

壓縮機C0501入口氣體由循環氣管線（H2、N2）、硫化氫壓縮機出口管線（H2S、CO2 、H2）、低溫甲醇洗閃蒸氣（H2S、CO2 、H2）三部分氣體混合而成。正常流程是循環氫閃蒸罐D0601壓力高于壓縮機C0501入口壓力，正向流動;當生產波動后，D0601壓力降低，便發生了C0501氣體逆向流動，且單向閥損壞，起不到止逆作用，富含CO2閃蒸氣就進入冷箱。由于CO2在-78.5℃下便能形成“干冰”，從而造成循環氫管線通道凍堵。歸結起來原因如下：

（1）流程設計有缺陷。在流程設計上只設置一個單向閥來規避返竄，一個保護層是遠遠不夠的，從保護層的概念來說，嚴格講單向閥不能作為獨立保護層，故障率高，特別容易失效。本文中兩次凍堵，分別是兩個不同的單向閥。

（2）設備設施不完善。單向閥作為一個保護層失效了，但缺乏維修保養，每次年度檢修期間不進行打壓測試。

（3）風險辨識不到位。冷箱凍堵事件在同行業已有不少案例，但我們沒有完全吸取教訓，沒有把這方面的風險辨識到位，對返竄凍堵防范意識不強，也沒有做出相應的預防措施。

（4）操作技能不熟練。操作人員培訓還不夠，如果操作人員水平和意識足夠高的話，也不會出現第二次凍堵。

4 ?避免液氮洗冷箱堵塞的對策及措施

通過兩次凍堵的深刻反思，我們從工程技術上和管理上采取了以下應對措施：

（1）進行技術改造，增加保護層，實現本質安全。

在去壓縮機C0501循環氫管線上增加“兩切一放空”（見圖1），當發生停車時，進行聯鎖動作，1#、2#閥快速關斷，3#閥自動打開，即使閥門有泄漏，泄漏氣將從3#閥放空到火炬，D0601的壓力由4#閥自動調節;開車過程中，1#、2#閥、3#閥保持停車狀態，D0601的壓力由4#閥調節，放空到火炬，當生產轉入正常后，閥門恢復到正常狀態。

1#、2#-快切閥，3#-放空切斷閥，4#-放空調節閥

（2）完善檢修計劃，年度檢修時單向閥必須下線測試或更換。每次檢修時，涉及到液氮洗單元可能發反生返竄造成冷箱凍堵的單向閥，必須下線測試或更換。

（3）應用HAZOP分析工具，重新進行風險辨識，完善操作規程。經過分析，找出9處可能發生返竄凍堵或高壓竄低壓的風險點，完善了操作規程，通過管理或增加聯鎖等技術手段規避了風險。如分子篩順控閥增加了前后壓差高禁開的聯鎖;明確裝置停車時間超過5天，要對冷箱進行復熱處理的要求;規范了液氮洗停車第一時間必須關閥明細。

（4）注重操作人員重要風險點操作培訓。梳理裝置所有重要操作風險點，有針對性開展培訓，特別是新上崗的操作人員，必須反復培訓，牢固掌握，模擬操作合格后方可上崗。

5 ?結語

本文只介紹了冷箱凍堵的一種典型案例，但冷箱凍堵還有很多途徑，如凈化氣擊穿分子篩帶入冷箱、甲醇洗和液氮洗共用的放空線返竄到冷箱、水或CO2竄到中壓氮氣中帶入冷箱、分子篩加熱器內漏后水氣進入冷箱。不論是哪種途徑導致冷箱凍堵，都會對生產造成較大的影響，甚至會損壞設備，因此我們必須進行風險辨識，必要時可借助HAZOP分析等工具，對生產過程中工藝危害進行全方位分析，找出可能發生凍堵所有可能，從管理和工程技術兩個方面采取行之有效的應對措施，保證裝置長周期、安全穩定運行。