氫回收裝置冷箱列管內部結冰原因分析及解決措施

張明良

(海洋石油富島有限公司, 海南東方 572600)

海洋石油富島有限公司化肥一期(簡稱化肥一期)合成氨裝置于1996年投產,采用英國ICI-AMV工藝,以南海天然氣為原料,設計生產能力為1 000 t/d無水液氨[1]。弛放氣氫回收裝置采用德國LINDE AE工藝,設有分子篩A/B儲罐、再生氣加熱器和冷箱等設備,主要用于回收氨合成塔弛放氣中的氫氣,可增加合成氨主裝置液氨產量約130 t/d。化肥一期合成氨裝置建設投產以來,弛放氣氫回收裝置冷箱內部的螺旋式換熱器列管多次出現結冰堵塞,氨合成回路系統及氨合成塔工況變差,氫回收裝置被迫停車退出生產系統,冷箱停車解凍后開車運行需要耗時36 h以上,給合成氨裝置的節能降耗和安全生產帶來一定影響。

1 氫回收裝置工作原理

氫回收裝置工藝流程見圖1。經過氨回收裝置水洗除去大量氨氣的弛放氣,由2個交替吸附/再生的分子篩A/B儲罐除水和除微量氨氣(水和氨的體積分數均小于0.1×10-6),一個分子篩儲罐吸附時,另一個分子篩儲罐再生。從分子篩出來的純凈弛放氣以壓力為10.13 MPa的條件進入冷箱,在螺旋式換熱器與氣液分離器底部的液相冷產品進行換熱后被冷卻,依據氣體液化溫度(T氮氣=-193 ℃、T氬氣=-186 ℃、T氫氣=-253 ℃、T甲烷=-161 ℃、T氦氣=-269 ℃)的不同進行深冷分離處理(設計溫度為-192 ℃),大部分的氮氣、甲烷、氬氣和少許氫氣被冷凝為液相,并在氣液分離器中儲存下來,產品氫氣(設計體積分數為91.29%)由氣液分離器上部經過返氫調節閥返回至氨合成回路壓縮機入口,到氨合成塔進行反應回收。被冷凝的液相產品作為冷箱的冷量來源[2],通過液位調節閥將液相節流減壓膨脹至0.354 MPa的尾氣,在螺旋式換熱器中將冷量傳遞給弛放氣,冷箱出口排放的尾氣(φ氫氣=21.16%、φ甲烷=17.47%、φ氮氣=57.82%、φ氬氣=3.55%)一部分作為分子篩的再生氣,再生后的氣體和水洗后的氨氣混合后送往一段爐作為燃料氣燃燒[3]。

圖1 氫回收裝置工藝流程

2 結冰現象及判斷

引起冷箱螺旋式換熱器列管內部結冰的物質冷凝點較低,主要集中在液相制冷一端;列管內壁結冰后,內部流通面積降低,冷箱下部排放的尾氣流量減少,尾氣的制冷量不足導致冷箱溫度出現上漲。螺旋式換熱器列管為氨合成塔弛放氣的通道,結冰堵塞會造成氨合成塔弛放氣流量下降,氨合成回路主要表現為壓力上漲、氨合成塔出口溫度下降和氨產量下降。為了維持氨合成塔正常反應工況,開大返氫調節閥增加弛放氣流量,降低氨合成回路壓力。由于冷箱流通量和制冷量不足,冷箱返回氨合成塔入口氫氣的流量和純度出現持續下降,氫氮比失調會降低氨合成塔的化學反應轉化率。

螺旋式換熱器列管內部結冰初期,通過打開氫回收裝置旁路調節閥,退出冷箱部分弛放氣,降低冷箱生產負荷,可緩解冷箱溫度上漲的速率。但是因列管內部的結冰問題一直存在,冷箱內部的溫度上漲至-185 ℃時,氣液分離器上部返回氨合成塔入口的氫氣純度不再滿足生產工藝指標,冷箱應做停車查明結冰堵塞原因,進行解凍檢修處理。

3 原因分析

3.1 氨進入冷箱列管

3.1.1 氨回收裝置負荷高

弛放氣經過氨回收裝置水洗除氨氣(氨體積分數小于100×10-6),獲得的液氨產品送往氨儲罐。在尿素裝置開停車期間,合成氨裝置冷凍回路系統生成的熱氨流量增加,閃蒸出的氨氣較多,系統無法冷卻多余的氨氣;送往氨回收裝置的閃蒸氨氣量增加,貧液再生效果下降。氨吸收塔負荷偏高時,水洗后的弛放氣中氨體積分數超出100×10-6,超出指標的這部分氨氣無法被氫回收裝置的分子篩吸附,在冷箱內部列管持續累積出現結冰凍堵。

3.1.2 氨回收裝置設備故障

氨回收裝置再生塔底部的貧富液換熱器列管腐蝕穿孔,貧液中摻混進入了部分富液,貧液水洗除去弛放氣中氨氣的能力下降,進入冷箱的氨氣含量增加;氨回收裝置貧液泵為往復泵,輸送貧液的壓力較高,泵損壞未及時檢修處理時,一旦運行泵出現故障就會導致貧液流量下降,貧液水洗吸收氨氣效果降低,氨吸收塔出口氨含量超標。

3.1.3 氫回收裝置液位調節閥內漏

氫回收裝置液位調節閥用于調節氣液分離器的液位和冷箱的制冷量,將分離器底部液相的壓力由10.13 MPa減壓至0.35 MPa,為螺旋式換熱器提供冷量來源,閥門前后的壓差高達9.78 MPa。高壓差給液位調節閥帶來的沖擊和振動較大[4],閥體自身產生的振動引起閥芯與閥桿的連接螺紋松動,閥芯在高壓氣流的沖擊下與閥座發生持續撞擊,閥芯末端出現了較深的磨損凹槽,液位調節閥在關閉狀態時,閥芯與閥座無法完全密封閉合(見圖2)。

圖2 閥芯與閥座磨損出現凹槽

由于氨回收裝置水洗后的氨氣排放管道與氫回收裝置出口的尾氣管道共用,氨回收裝置開車投運期間,水洗后的氨氣由此排放,當冷箱液位調節閥出現內漏時,帶有一定壓力的氨氣由冷箱尾氣出口管道倒流進入冷箱列管內部,待到冷箱開車制冷降溫時,氨氣在列管內部出現結冰堵塞。

3.2 水進入冷箱列管

3.2.1 分子篩程序運行參數設置不當

氫回收裝置分子篩的工作壓力為0.20～10.13 MPa,分子篩A/B儲罐充壓、泄壓切換過程中的時間和速率由程序運行參數自動控制。若充壓和泄壓速度的程序參數設置不當,如壓力變化的速率過快,會使得分子篩內部發生結構損壞,分子篩出現粉化破碎,縮短使用工作壽命,使活性下降。另外,分子篩粉化生成的粉塵容易堵塞分子篩出口的水分微量檢測儀,造成檢測分析數據指示失真,分子篩出口弛放氣水分含量超標后難以被發現。

3.2.2 冷箱入口切斷閥內漏

分子篩備用罐開車投運前,應先除去材料內部含有的結晶水,一般需要加熱再生運行24 h以上。運行罐分子篩內部的壓力為10.13 MPa,其出口的弛放氣水分含量不合格,如有水分含量不合格的弛放氣由冷箱入口切斷閥泄漏進入冷箱列管內部,會引起冷箱的壓力出現上漲,而較高的壓力不利于冷箱下一步開車制冷,需要打開放空管線閥門將對冷箱的壓力泄壓排放至放空總管,泄壓過程中會帶入更多水分含量不合格的弛放氣進入冷箱列管內部,待到冷箱制冷開車時便會出現結冰堵塞。

4 處理措施

4.1 降低氨回收裝置負荷

在尿素裝置開停車期間,將部分來自冷凍回路的氨氣退出氨回收裝置,降低氨回收裝置負荷,提高再生塔底部溫度,增加吸收塔貧液的再生度。通過調節貧富液換熱器旁路閥的流通量,適當降低貧液的溫度,提高貧液水洗吸收氨氣的能力。

4.2 優化生產管理方式

加強氨回收裝置的溶液管理,將氨回收工藝指標納入生產管理系統,增加貧富液換熱器進出口濃度分析數據,定期對再生塔貧液、吸收塔出口弛放氣氨含量進行手動取樣分析檢驗,及時優化調整工況,檢修損壞的泵設備。

4.3 加固閥芯與閥桿連接

利用冷箱停車檢修機會,更換氫回收裝置液位調節閥閥芯和閥座,對閥芯和閥桿的連接方式進行加固,在原設計的螺紋連接基礎上增加4處環形點焊,防止閥芯在高壓差液相尾氣的沖擊下出現松動脫開,降低閥芯與閥座撞擊磨損的概率(見圖3)。

4.4 變更程序運行參數

優化變更分子篩程序充壓和泄壓控制參數,測試分子篩程序在不同參數下的充壓和泄壓速率,將壓力變化速率控制在0.2 MPa/min以內,分子篩充壓時間由900 s延長至2 680 s,泄壓時間由1 100 s延長至1 750 s,保證在程序運行規定的時間內完成分子篩在各個階段的運行步驟,延長分子篩的使用壽命。

4.5 優化不合格弛放氣排放操作

氫回收裝置開車期間如發現冷箱壓力持續上漲,應及時排查是否有不合格弛放氣從冷箱入口切斷閥內漏進入冷箱,從冷箱入口切斷閥導淋閥處排放不合格弛放氣,從源頭避免水分超標的弛放氣進入冷箱螺旋式換熱器列管內部。

5 結語

ICI-AMV工藝弛放氣氫回收裝置具有氫氣回收率高、公用工程消耗低等特點,氫回收裝置冷箱正常運行時,制得的氫氣產品可直接補充到氨合成塔入口,氫氮比的合理調配有效提高了氨合成塔的氨凈值,生產經濟效益顯著。本文通過總結歸納化肥一期氫回收裝置投產以來冷箱列管內部結冰堵塞的原因,采取有效措施降低裝置停車次數,保證了裝置長周期安全穩定運行,為同類生產裝置提供參考。