液氮洗工況波動原因及優化措施

喬磊友 周春領

摘 要：本文主要介紹了液氨洗的具體流程，對其波動情況進行了描述，進而分析了波動的分析以及采取的措施，以及做好出現冷量富裕造成波動調整措施。

關鍵詞：液氨洗工況;波動;原因;措施

1 液氮洗流程簡述

從低溫甲醇洗來凈化氣出吸附器（V01A/B）后進入冷箱，在1#2#原料氣體冷卻器（E05、E06）中與返流的合成氣、燃料氣和循環氫氣進行換熱，使出2#原料氣體冷卻器（E06）后原料氣溫度降低至-180℃進入氮洗塔（T01）的下部。

在T01中，上升的原料氣與塔頂下來的液氮成逆流接觸，并進行傳質、傳熱。CO、CH4、Ar等雜質從氣相冷凝并溶解于液氮中，而塔頂得到合成氣。合成氣出E06后，將中壓氮氣配入到氮洗氣中，使氫氮比達到3：1（體積比）。在E05內，合成氣與凈化氣、中壓氮等物流換熱，出E05后分為兩股，一股進入高壓氮氣冷卻器（E04），與燃料氣、循環氫氣一起冷卻中壓氮氣，出E04后被復熱至常溫;另一股送低溫甲醇洗工序交回由凈化氣體自低溫甲醇洗工序帶來的冷量，返回后與E04出口的粗合成氣匯合，再經精配氮調節，最后將氫氮比為3：1的合成氣送入氨合成工序。

從T01塔底排出的餾份，經LV01減壓后進入氫氣分離器（V02）中進行氣液分離。由氫氣分離器（V02）底部排出的液體即尾液，又經TV39進一步減壓，然后進入E06、E05、E04中進行復熱。出E04后，通過尾氣壓縮機加壓后送往變換，回收一氧化碳、氫氣、氮氣等氣體。

液氮洗流程簡圖：

2 液氮洗工況波動描述

結合其他單位情況，一般液氮洗工況波動主要集中在原始開車、系統加減負荷、氣化更換煤種等情況，主要表現為E05/06之間溫度（設計溫度-120℃）突降，TI39（進氮洗塔原料氣溫度）升高、TI24（進氮洗塔中壓氮氣溫度）降低，氮洗塔壓差升高。如調節不及時，也可能引起微量超標。E05/06之間溫度過低，易引起板翅式換熱器端差嚴重超標，板翅換熱器損壞。

2.1 正常生產時工況

正常生產時TI39為-187℃，TI24為-185℃左右，原料氣溫度比中壓氮氣低2℃。通過調整尾液TV39閥能調整TI39、TI24，且TI39、TI24表現為同升同降，整體工況穩定。

2.2 停尾氣壓縮機工況變化

尾氣壓縮機停機之后TI24降低，TI39上漲，此兩點溫度逐漸接近并最終形成原料氣溫度高于中壓氮氣溫度的情況。且通過開大尾液TV39閥TI39測點不降反而升高，但TI24卻能隨著TV39開大而降低;關小TV39閥后，TI39、TI24均表現出升高，整體工況較不穩定。表現為氮洗塔壓差急劇上漲，超過壓差工藝上限（指標25kPa），若不及時進行調整會造成氮洗塔液位空，合成氣出氮洗塔帶液。隨著時間延長，經常容易出現E06/E05間溫度突降的情況，如局部溫差過大，將引起板翅式換熱器端差過大，造成換熱器損壞。

為避免工況惡化，往往采取液氮洗減負荷操作，造成系統波動，浪費氣體，影響產量。

3 波動原因分析及措施

3.1 開停尾氣壓縮機變化量分析

對比尾氣壓縮機開停造成液氮洗工況變化，主要表現在原料氣氣量、氣體成分的變化上。

根據氣體成分及各氣體臨界點，分析得知冷箱熱量變化如下：

氫氣由于不液化，停尾氣壓縮機因氣量減少引起熱量減少;

CH4、N2、CO降溫冷凝，由氣相變成液相，在從原料氣變成合成氣及尾液過程中，對系統表現為熱量。停壓縮機之后CH4、N2、CO含量變少，引起系統中冷凝熱減少，進而進入系統中熱量減少。

由于停尾氣壓縮機之后進入冷箱熱量減少，如其他操作沒有進行及時調整，必定造成冷量富裕，液氮洗系統熱量平衡被打破，造成冷箱內溫度發生變化。

3.2 冷箱內傳熱分析

進出液氮洗冷箱的氣體在E04、E05中沒有相態的變化，氣氣換熱，換熱面積一定，換熱效果比較直接。在E06中有相態的變化，冷熱量平衡破壞后，溫度劇烈波動總是出現在E06換熱器前后。因此液氮洗波動E04、E05不是主要原因，主要將E06作為分析對象。

3.2.1 原料氣冷卻器E06換熱分析

①中壓氮氣在E06的狀態從上至下為氣相到液相的過程，尾氣從下至上的過程為氣液兩相變成氣相;②中壓氮氣液相導熱系數0.1910W/m·K，是氣相0.0258W/m·K的7.4倍，尾氣液相導熱系數是氣相的12.85倍，液液換熱效率遠大于液氣換熱。

3.2.2 停運壓縮機前后E06傳熱對比

①在停尾氣壓縮機之后，由于原料氣氣量減少，冷凝熱減少，造成進入冷箱熱量減少，表現為氮洗塔塔頂塔底溫度同時降低。此時如果洗滌氮FV10不做調整，尾液TV39閥位不做調整的條件下，相較于原料氣、中壓氮氣比，尾液因量沒有減少同時溫度降低，系統整體表現為冷量變多;②在換熱器中各物料換熱面積一定，熱流體側熱量減少，而尾液冷量不同步減少反而更多時，勢必造成尾液的氣化點沿E06換熱器軸向上移;③由于氮洗塔進出物料比熱變化不大，最終取決于換熱效果的為換熱系數。尾液的氣化點上移，造成中壓氮氣的液化點也上移，因液相傳熱系數是液氣傳熱系數的數倍，導致隨液相點上移，中壓氮氣吸收尾液冷量比例越來越大，原料氣吸收尾液冷量占比越來越小，表現為TI24下降，而TI39升高，且溫差越來越大。

3.3 停運壓縮機應采取措施

根據以上分析原因，停運壓縮機后應一方面根據壓縮機氣量減少同步關小TV39，減少冷量，保證尾氣的氣化點、中壓氮氣的液化點不上移;同時依據洗滌氮和原料氣的比例減少洗滌氮，減少FV09，減少冷量，最終保證工況穩定。2016年12月份停尾氣壓縮機檢修期間，按照上述措施進行調整，液氮洗工況比較穩定，初步實現尾氣壓縮機檢修液氮洗工況不波動的目標。

4 出現冷量富裕造成波動調整措施

出現E05/06中間溫度低于工藝設計值甚至更低的情況，需及時調整，防止工況持續惡化。此時調整的關鍵，是首先保持合成氣微量不超標，宜緩慢進行。首先應該查清氣量波動原因，逐步將液氮洗氣量恢復原氣量，同時逐步降低洗滌氮量，關小TV39、FV09，通過以上措施逐步使E05/06之間溫度回升，恢復液氮洗正常工況。不過這個過程中，應時刻關注TI24/39溫度，特別需防止TI24溫升過快、過多，造成氮洗塔液位持續降低，液氮洗被迫停車或合成氣微量超標等事故發生。

5 結論

液氮洗作為合成氨工藝氣體凈化的最后崗位，其操作的關鍵是系統的冷量平衡。通過對E06傳熱進行分析，找出對系統波動的關鍵原因。初步實現了液氮洗停尾氣壓縮機不減量，同時根據冷箱冷量平衡的分析，得出液氮洗減少冷量外排的一些措施，對同類項的廠家減少冷量外排有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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