液氮洗/LNG 裝置裸冷探討

鄭 偉

（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000）

0 引言

山西中煤平朔能源化工有限公司液氮洗/LNG 裝置采用國外先進的技術，裝置主要作用為通過分子篩吸附脫除低溫甲醇洗凈化氣中微量甲醇和二氧化碳，通過冷凝分離和液氮洗滌來脫除煤氣中的甲烷、一氧化碳組分，制得（CO+CO2）質量濃度小于5 mg/L，氫氮比為3∶1 的合格合成氣，滿足合成氨生產需要，并副產純度大于99%的LNG 產品。

該套裝置是國內第一套將凈煤氣中甲烷成分在冷箱內直接液化和過冷至-165 ℃以下，不經復熱直接經過進口甲烷泵提壓后送至LNG 儲槽的裝置，其所需的冷量由進口膨脹機和氮氣循環壓縮機構成的循環冷卻回路提供。裝置于2016 年9 月20 日一次開車成功，彌補了傳統液氮洗將甲烷分離出來，再進行液化的投資高、占地面積大和能耗高等方面的不足，充分發揮了液氮洗技術和LNG 技術耦合的巨大優勢。該套裝置的裸冷過程和傳統的裸冷也有本質區別，現將該裝置在試車過程中的裸冷總結如下，以供同行借鑒和參考。

1 工藝流程

該套液氮洗/LNG 裝置（圖1）由4 個單元組成：純化單元、冷箱單元、氮氣循環單元（包括氮氣增壓膨脹制冷）和低溫排放深冷處理單元。和傳統液氮洗的區別是為了直接提取LNG，增加了氮氣循環單元。

圖1 液氮洗/LNG 方塊流程圖

氮氣循環單元流程為：液氮洗/LNG 裝置冷量的獲得來自于氮氣循環壓縮機和增壓膨脹機，氮氣是由布置在綜合壓縮裝置內的氮氣循環壓縮機提供，來自界外（氮氣循環壓縮機）的這股3.2 MPa 氮氣至增壓機進一步壓縮后，經增壓機后冷卻器、進入主換熱器冷卻后被分成3 股物流。

流股Ⅰ的流量占總流量的大部分，進入膨脹透平機膨脹至低壓冷卻后，然后在主換熱器換熱釋放冷量，被送回到界外的氮氣循環壓縮機的一段入口。

流股Ⅱ通過冷卻后進入N2/CH4閃蒸塔的N2/CH4塔再沸器經過進一步冷卻，一部分進入與甲烷冷卻器相連的液氮熱虹吸罐，另一部分是用來平衡流量，通過節流閥膨脹至中壓，在主換熱器中升溫，被送到氮氣循環壓縮機二段入口。

流股Ⅲ是平衡流，經過主換熱器冷卻，節流閥膨脹至中壓，和流股Ⅱ的中壓氮氣物流混合。來自甲烷冷卻器的氣態氮和從透平機出口來的其他物流混合。

2 裸冷的目的

裸冷是指在液氮洗/LNG 冷箱裝置安裝結束后，經過管道檢查和試壓后，冷箱未裝填珠光砂之前，利用正常工況中膨脹機制冷和節流制冷進行模擬開車操作。通過裸冷能檢驗冷箱內設備和管線的施工質量，檢查焊縫處是否存在漏點；檢查低溫下有關設備、管道、閥門等的變形情況及補償能力；檢查冷箱內有關儀表、調節閥的性能；對氮氣膨脹機和氮氣循環壓縮機的性能進行測試；對裝置全面開車進行預演，確保液氮洗/LNG 裝置開車成功。

3 裸冷前的工作準備

冷箱安裝結束，裝置吹掃結束，做好吹掃記錄，冷箱內外管線清理干凈。冷箱的箱體試漏完成，冷箱的氣密試驗完成，所有的人孔和通道全部封閉，所有的試車活動完成（PID 檢測，吹掃，聯鎖邏輯調試等等）。按照外方提供的解凍程序，分5 個回路對整個系統進行解凍，使用露點<-70 ℃的常溫低壓氮氣，對各個解凍出口進行分析監測，要求吹除氣體露點<-70 ℃。

裝置配套的閥門和儀表安裝、調校后投入使用，安全閥通過校驗，塔內管道、閥門等固定牢固，可靠；確認液氮洗所有吹除閥處于關閉狀態；氣體排放區設置專人負責安全警戒工作[1]。

該套液氮洗/LNG 裝置是由3 個大冷箱（1 個換熱器冷箱和2 個精餾塔冷箱）、1 個透平小冷箱和2 個液體泵小冷箱組成。其中換熱器冷箱位于中間，管道錯綜復雜，冷箱內沒有爬梯，其余2 個精餾塔冷箱都設有爬梯，按照外方的標準，冷箱裸冷前必須拆除箱體內的所有腳手架，防止裸冷時管道直接接觸腳手架，冷量輻射，碳鋼腳手架冷脆坍塌砸壞換熱器、管線或是人上去掉下來出現傷亡事故。但是如果拆除腳手架，裸冷后的檢查需要重新搭設腳手架，增加了大量工作量和人工成本。換熱器冷箱為現場組對設備，同外方一起進入冷箱檢查時，將換熱器EXP 冷箱鄰近或是緊挨著的架子移位，對于不能移位的架桿，用3 塊四氟板墊在接觸的部位，防止冷量傳到碳鋼架桿上；CBP1（1 塔冷箱）和CBP2（2 塔冷箱）冷箱管線較少，整體到現場，又有爬梯，故拆除CBP1 和CBP2 的腳手架。

4 裸冷過程

按傳統的液氮洗裸冷方法，一般情況下均采用中壓氮氣節流制冷和補充液氮冷卻，將各個通道冷卻到不產生液體為止。本套裝置和傳統液氮洗的區別在于有單獨的氮氣循環壓縮機和膨脹機提供整個裝置的巨大冷量，氮氣循環量為117 500 m3/h，該氮氣循環回路在主換熱器中占3 個通道，和系統工藝回路不相通，如果采用氮氣節流制冷，這3 個通道將沒有氣體通過，導致不能將每個通道都冷卻到，按照法液空標準，冷卻時平面溫差不能大于60 ℃，故不能用傳統的方法來冷卻。

參照空分的裸冷方法和液氮洗的傳統裸冷方法，本次裸冷開創了將兩種方法結合，避免開膨脹機導致降溫速度過快而損壞設備。

第一步采用傳統的液氮洗冷卻方法，將中壓氮氣提壓至3.0MPa，利用焦耳-湯姆遜（J-T）節流效應為系統降溫提供冷量，氮氣循環回路不進行冷卻，將放空閥設定在0.35MPa 和0.11 MPa，通過控制各個節流閥的大小和排放出口閥門的開度，保證塔的均勻降溫和各個通道的均勻降溫。打通流程，調試各個閥門，現場試驗發現，液氮洗冷箱降溫速度緩慢，通過8 h 降溫，溫度降至-15 ℃后，溫度不再明顯下降，此階段既調試了閥門，又保證了降溫速度和各通道的平面溫差。

第二步采用空分的裸冷辦法，利用膨脹機的等熵膨脹過程進行制冷。由于本套液氮洗設計產出LNG量為18 647 m3/h，溫度為-165 ℃，正常情況下需要的大量冷量由膨脹機提供，只有少部分有液體節流閥提供，所以考慮的是系統的降溫速度不要超過法液空規定的降溫20℃/h，最大不能超過30℃/h。充分征求法液空外方服務人員和膨脹機的廠家意見，確定裸冷時膨脹機允許在最低負荷下運行的參數。膨脹機為CRYOSTAR 公司設備，正常工作轉速19 500 r/min，最低轉速為10 000 r/min 以上。第一次進行氮氣循環壓縮機和膨脹機的聯動試車，氮氣循環壓縮機使用低壓氮氣作為氣源，同中壓氮氣的初步冷卻氣源不同，互不干擾。氮氣循環壓縮機的出口壓力控制在1.8MPa，膨脹機的轉速控制在10 000～11 000 r/min 進行系統的進一步降溫，合理控制降溫速度，通過5.5 h 最終將溫度降至-120 ℃停止降溫。通過控制膨脹機的負荷和冷合成氣放空閥的開度，控制系統的降溫速度，保證換熱器的端面溫差在合理的范圍內。

5 系統查漏

裸冷后的檢查是根據管道、容器結霜情況來判斷漏點。一般泄漏點處不結霜或結霜不均勻，要重點檢查管道焊口、法蘭、閥門、彎頭、液體管線（包括取壓管和取樣管）、管道固定點、儀表溫度/壓力接點及分析接點等[1]。進入冷箱必須高度重視安全工作，穿戴好防寒衣帽、手套，帶上口罩，佩戴氧含量儀器，帶好對講機方可進入，冷箱外必須有監護人員。經過檢查，發現冷配氮FV223C 孔板流量計導壓管漏，查漏復熱后，施工人員進入冷箱進行修補。

6 結論

液氮洗/LNG 裝置冷箱裸冷采用了獨創的冷卻方式，大大縮短冷卻時間，檢驗了設備的各種性能，消除了系統內部液體導壓管線漏點，膨脹機進出口過濾器通過此次裸冷，完成了冷緊工作，減輕了投料開車工作。通過接下來的導入原料氣一次開車成功，驗證了冷箱內部管道的良好工況和機組的良好性能，達到了裸冷的預期效果和員工對于裝置的熟悉。

在裝置正式開車后，裝置達到了設計的生產能力。通過近6 年來裝置的連續穩定運行，未發現冷箱內部出現泄漏和跑冷現象，避免出現漏點而導致的冷箱扒砂處理，給同類裝置的建設和投產試車提供了很好的借鑒作用。