回收液氮洗火炬氣的優化改造

張偉華

(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(以下簡稱華鶴公司)位于黑龍江省鶴崗市，是中海石油化學股份有限公司全資子公司，是東北地區最大的大顆粒尿素生產運營企業，是黑龍江省“煤頭化尾”產業示范企業，有中國海洋石油集團有限公司建設的第一套煤化工裝置。華鶴公司成立于2010年9月，主要依托黑龍江省鶴崗地區豐富的煤炭和水資源，發展上下游一體化的煤化工產業，努力建設成為國內煤炭生產尿素和區域性的科學施肥農化服務的示范基地，打造黑龍江省煤化工產業基地。

1 改造背景

華鶴公司高度重視工藝技術改造和降本增效工作，現有的先進工藝以及對現有工藝的改造為公司降本增效作出了較大貢獻。華鶴公司現有一套年產30萬t合成氨、52萬t大顆粒尿素裝置(以下簡稱“3052”項目)，并配套建設年產60萬t新華煤礦(為“3052” 項目提供原料煤)?！?052” 項目均采用當今國際、國內一流的工藝技術，其中，煤氣化采用美國GE水煤漿氣化技術，變換采用寬溫耐硫變換工藝，脫硫、脫碳采用大連理工大學低溫甲醇洗工藝，合成氣精制采用杭州制氧機集團股份有限公司(以下簡稱杭氧公司)的液氮洗工藝，氨合成采用丹麥Topsφe技術，尿素裝置采用荷蘭2000+TM技術，其他裝置均采用國內先進成熟技術?！?052” 項目自2015年5月9日成功投產運行至今，液氮洗裝置仍有節能降耗的空間，對其進行改造可產生一定的經濟效益。

2 工藝概述

液氮洗工藝是利用分子篩首先將合成氣中微量的 CO2、CH3OH 在進冷箱之前吸附除去，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，并配置氫氮比為 3∶1 的合成氣，供氨合成用。雖然其工藝流程復雜，投資相對較大，但由于氣體凈化度高，H2+N2可以達到 99.99%，可有效降低氨合成過程中的弛放氣量，從而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，更有利于冷量的利用。

3 工藝流程

從低溫甲醇洗工序來的凈化氣，進入分子篩吸附器，吸收凈化氣中的微量CO2和CH3OH。凈化氣進入冷箱，先后經過1號原料氣冷卻器、2號原料氣冷卻器使其溫度降至-188℃，進入氮洗塔(C04301)的下部進行氮氣洗滌。氮洗塔中上升的原料氣與塔頂下來的液氮逆流接觸進行傳質、傳熱。CO、 CH4及 Ar 等雜質從氣相冷凝溶解于液氮中，從塔頂排出的氮洗氣中的氫與部分蒸發液氮混合，被洗滌后的氮洗氣(φ(H2)=90.75%、φ(N2)=9.25%)先后經過1號原料氣冷卻器、2號原料氣冷卻器換熱后分為兩股：一股出冷箱去甲醇洗反饋冷量，另一股經高壓氮氣冷卻器被高壓氮氣復熱到30℃出冷箱，與來自甲醇洗裝置回收冷量后的合成氣匯合，再經精配氮串級控制調節，最后把H2/N2精確配比成3∶1的合成氣送入氨合成工序。

4 液氮洗火炬氣運行現狀

液氮洗裝置冷量來源主要分為混合制冷和節流制冷，正常原料氣利用板翅式換熱器回收液氮洗滌塔尾液節流產生的冷量，同時節流產生的冷量將高壓氮氣冷卻為液氮，在氮洗塔內洗滌凈化氣中的 CO、 CH4及 Ar 等雜質。洗滌后的液氮經過兩個節流閥逐級降壓、閃蒸出可燃氣，同時經過節流閥產生冷量。設計上，節流閥開度越大，產生的冷量越多，在冷箱裸冷和冷卻積液過程中，都將兩個節流閥全開以產生最大的冷量。在滿負荷實際運行過程中，節流閥開度分別為42%和41%，即可滿足整個冷箱的冷量需求，通過節流閥閥位可以證明冷箱內冷量是富余的。節流后的冷液體分為兩股：一股作為燃料氣為冷箱內提供冷源，最后燃料氣復熱至20℃送至鍋爐燃燒；第二股為了控制冷液體分離罐液位穩定，需將部分冷液體通過現場冷排放閥排放至冷液體排放罐，在排放罐內氣化成氣體，作為火炬氣。通過火炬氣加熱器，用低壓蒸汽加熱至20℃后排放至火炬。華鶴公司技術人員通過對現狀分析后發現，這部分冷液體排放至火炬燃燒會造成能量的浪費，提出將這部分火炬氣重新回收利用的構思。

5 回收火炬氣的準備和實施

目前，冷液體通過氫氣分離罐液相排放至冷液體排放罐，排放參數見表1。取樣分析數據見表2。

表1 冷液體排放參數

表2 取樣數據

華鶴公司技術人員通過對比其參數和現場實際情況，發現火炬氣組分和壓力可并入燃料氣系統，能避免資源的浪費?；鹁婀芫€與燃料氣管線距離10m，可進行現場改造、安裝必要的現場截止閥和調節閥。改造前后工藝流程見圖1、圖2。

圖1 改造前工藝流程示意

圖2 改造后工藝流程示意

2020年7月17日，利用裝置檢修機會，按照方案對火炬氣進行改造實施，裝置停車檢修后，確保液氮洗燃料氣管線和火炬氣管線無可燃氣，具備施工條件。為了不影響檢修進度，對兩條管線進行甩頭。具體施工圖示意見圖3。8月18日改造施工完畢，將火炬氣并入燃料氣管線。

圖3 改造施工

改造所需材料及成本見表3。

表3 改造所需材料及成本

6 改造效果

6.1 工藝效果

(1)火炬氣并入后，液氮洗工況運行穩定，正常工況下可將全部火炬氣引入至燃料氣管網?；鹁鏆庥行С煞枝?H2+CO)在43%～48%之間，流量為900～1 100Nm3/h。

F(CO)=F(變)×CO含量1=F(總)流量×CO含量2

①

F(火)=F(總)-F(燃)

②

①和②可導出

F(火)=[F(變)×CO含量1]/CO含量2- F(燃)

③

F(變)=變換氣流量=160 000 Nm3/h

CO含量1=變換出口CO含量=1%

CO含量2=冷液體中CO含量=40%

F(燃)=燃料氣流量=2 900 Nm3/h

以上數據帶入③計算F(火)=1 000 Nm3/h。

(2)火炬氣并入后，鍋爐1#爐投煤量每小時降低1.5t。

6.2 經濟效果

經計算，鍋爐使用煤為300元/t，節省約1.5t/h×24h×300元=10 800元/d，全年按330d運行計算，可回收成本356萬元/a。

7 操作注意事項

7.1 燃料氣壓力的控制

由于是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隨分子篩程序控制步驟的不同而不同。在泄壓步驟時，火炬氣壓力和氣量會增大，故而影響燃料氣壓力，此時主控需手動干預燃料氣壓力調節閥，以保證燃料氣壓力。

7.2 停車后的切除

當液氮洗系統或者鍋爐系統停車時，主控應第一時間將火炬氣切出，避免對整個系統造成影響。

8 下一步規劃

(1)改造后，雖然將可燃氣重新利用，但是仍然造成了能量的浪費，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。

(2)冷液體從冷箱排出，冷量沒有得到利用，而且消耗了蒸汽對其加熱，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，會使成本得到進一步降低。

下一步，華鶴公司技術人員會針對以上兩項問題對裝置進行進一步優化與改造。

9 結語

經過改造后，排放火炬氣全部回收至鍋爐燃燒，產生了經濟效益，提高能量利用率，整個系統運行良好?；噬a企業屬于高危險、高消耗的企業，只有不斷通過對現有裝置進行摸索、不斷創新，實行技術改造，才能不斷降低生產成本，提升企業的核心競爭力。